亞利桑那大學的研究人員利用超級計算能力創建了數以百萬計的計算機生成的”宇宙”的模擬，以測試天體物理學的預測，而這些預測是在天文觀測中無法實現的。儘管黑洞和拉斯維加斯看起來如此不同，但它們有一個共同點：那裡發生的事情會一直留在那裡–這讓試圖了解黑洞如何、何時以及為何形成和增長的天體物理學家們感到非常沮喪。

黑洞被事件視界所包圍，這是一個神秘的、不可見的層，沒有任何東西可以從中逃脫，無論是物質、光還是信息。這意味著，事件視界吞噬了關於黑洞過去的每一點證據。

亞利桑那大學斯圖爾德天文台副教授、日本國家天文台（NAOJ）項目研究員彼得-貝赫羅茲說：”由於這些物理事實，人們一直認為不可能測量黑洞是如何形成的。”

Behroozi和Steward的博士生Haowen Zhang一起領導一個國際團隊，使用機器學習和超級計算機來重建黑洞的生長歷史，有效地剝開它們的事件視界，揭示出黑洞之外的蛛絲馬跡。

對數以百萬計的計算機生成的”宇宙”的模擬顯示，超大質量黑洞與它們的主星系同步成長，這一論點已經被懷疑了20年，但科學家們直到現在才能夠確認這種關係。一篇包含該團隊發現的論文已經發表在《皇家天文學會月刊》上。

“如果你回到宇宙中更早更早的時代，你會發現完全相同的關係是存在的，”該論文的共同作者Behroozi說。”因此，隨著星係由小變大，它的黑洞也在由小變大，與我們今天在整個宇宙的星系中看到的完全一樣。”

大多數（如果不是全部）散佈在宇宙中的星係被認為在其中心有一個超大質量的黑洞。這些黑洞的質量超過太陽的10萬倍，有些黑洞的質量達到數百萬甚至數十億太陽質量。天體物理學最令人困惑的問題之一是這些龐然大物是如何快速成長的，以及它們首先是如何形成的。

為了找到答案，Zhang、Behroozi和他們的同事創建了Trinity平台，該平台使用一種新的機器學習形式，能夠在一台超級計算機上生成數百萬個不同的宇宙，每個宇宙都遵守不同的物理理論，說明星系應該如何形成。研究人員建立了一個框架，在這個框架中，計算機為超大質量黑洞如何隨時間增長提出了新規則。然後他們用這些規則來模擬虛擬宇宙中數十億黑洞的生長，並”觀察”虛擬宇宙，以測試它是否與幾十年來對整個真實宇宙中的黑洞的實際觀察結果一致。在提出和拒絕了數以百萬計的規則集之後，計算機最終確定了最能描述現有觀測結果的規則。

“我們正試圖了解星系如何形成的規則，”Behroozi說。”簡而言之，我們讓Trinity猜測物理規律可能是什麼，並讓他們在一個模擬的宇宙中進行，看看這個宇宙的結果如何。它看起來到底像不像真實的宇宙？”

根據研究人員的說法，這種方法對宇宙內部的其他東西同樣有效，而不僅僅是星系。

該項目名稱”Trinity”是指其三個主要的研究領域：星系、它們的超大質量黑洞和它們的暗物質光環–巨大的暗物質繭，如果直接測量是看不到的，但其存在對於解釋各地星系的物理特性是必要的。在之前的研究中，研究人員使用他們框架的早期版本，即UniverseMachine來模擬數以百萬計的星系及其暗物質暈輪。研究小組發現，在其暗物質光環中生長的星系遵循光環質量和星系質量之間的一種非常具體的關係。

“在我們的新工作中，我們在這種關係中加入了黑洞，”Behroozi說，”然後問黑洞如何在這些星系中生長，以重現人們對它們的所有觀察。”

“我們對黑洞質量有非常好的觀察，”論文的主要作者張說。”然而，這些在很大程度上被限制在本地宇宙。當你看得越遠，準確測量黑洞的質量和它們的宿主星系之間的關係變得越來越困難，甚至最終不可能。由於這種不確定性，觀測不能直接告訴我們這種關係在整個宇宙中是否成立。”

Trinity不僅使天體物理學家能夠避開這一限制，而且還能避開單個黑洞的事件視界信息障礙，方法是將數百萬個觀察到的處於不同成長階段的黑洞的信息拼接起來。儘管沒有一個黑洞的歷史可以被重建，但研究人員可以測量所有黑洞的平均生長歷史。黑洞放入模擬星系，並輸入關於它們如何生長的規則，你可以把產生的宇宙與我們擁有的所有實際黑洞的觀測結果進行比較。然後可以重建宇宙中任何黑洞和星係從今天到宇宙開始時的樣子。”

模擬結果揭示了另一個令人困惑的現象。超大質量黑洞–就像在銀河系中心發現的那個–在其初生期增長最為旺盛，當時宇宙只有幾十億年的歷史，只是在隨後的時間裡，在過去100億年左右的時間裡急劇放緩。

“我們已經知道一段時間，星係有這種奇怪的行為，它們形成新星的速度達到了一個高峰，然後隨著時間的推移逐漸減少，再後來，它們完全停止了形成恆星，”Behroozi說。”現在，我們已經能夠證明黑洞也是如此：在與它們的宿主星系相同的時間增長和關閉。這證實了數十年來關於星系中黑洞增長的假設。”

這一結果帶來了更多的問題，黑洞比它們所處的星系小得多，如果銀河係按比例縮小到地球的大小，那麼它的超大質量黑洞將是這句話末尾的句號大小。

要使黑洞的質量在與大星系相同的時間範圍內增加一倍，需要在巨大的不同尺度上實現物質流動的同步。黑洞如何與星系合謀以實現這種平衡尚待了解。