Столкновение галактик похоже на медленный танец, в котором два партнёра постепенно сближаются. В центре каждой прячется сверхмассивная чёрная дыра — невидимый маховик массой в миллионы или миллиарды солнц. После слияния галактик эти чёрные дыры начинают двигаться навстречу друг другу, теряя энергию из-за трения о звёзды и газ. Когда расстояние между ними становится крошечным, танец заканчивается всплеском гравитационных волн — ряби в ткани пространства-времени. Но сколько длится этот путь — от первых шагов до финального аккорда — до сих пор оставалось загадкой.
Всё дело в том, что галактики не похожи на гладкие шары. В них часто встречаются звёздные перемычки — вытянутые структуры из звёзд, вращающиеся как единое целое. Такая перемычка способна вмешаться в танец чёрных дыр: она может подтолкнуть их друг к другу или, наоборот, отбросить на дальнюю орбиту. Раньше, чтобы рассчитать этот эффект, требовались долгие компьютерные симуляции — для каждой пары отдельно. Перебрать тысячи вариантов было невозможно.
Авторы новой работы придумали обходной путь. Они обучили нейросеть на большом наборе упрощённых расчётов — своего рода тренажёре, где чёрная дыра-спутник кружится внутри остатка слившейся галактики. Нейросеть запомнила, как перемычка и вращающийся звёздный диск влияют на орбиту, и теперь может предсказывать время сближения почти мгновенно. Ошибка оказалась небольшой, а скорость выросла в сотни раз.
Этот эмулятор впервые применили к целой популяции галактик, взятой из космологической симуляции. Учитывали, есть ли у галактики перемычка, насколько она массивна и как быстро вращается. Результат показал: звёздные перемычки заметно меняют распределение времён слияния. В среднем картина остаётся прежней, но появляется больше пар, которые сближаются либо очень быстро, либо очень медленно. Это важно для планирования будущих наблюдений — например, для космической антенны LISA, которая будет ловить гравитационные волны от таких слияний.
Такой подход — обучать быстрые нейросетевые заменители сложных симуляций — открывает дорогу к решению и других астрофизических задач. Физика в них понятна для каждого отдельного случая, но перебор миллионов вариантов раньше упирался в вычислительные мощности. Теперь же танец чёрных дыр можно рассчитать для тысяч галактик, не теряя годы на ожидание.
Сверхмассивные чёрные дыры настолько плотны, что чайная ложка их вещества весила бы как гора Эверест — если бы такое вещество можно было зачерпнуть.
В романе «Контакт» Карла Сагана инопланетяне используют гравитационные волны от слияния чёрных дыр для передачи сообщения.