Sorte huller fra en exacomputer

Selv efter den direkte måling af deres gravitationsbølger, der er stadig mysterier omkring sorte huller. Hvad sker der, når to sorte huller smelter sammen, eller når stjerner kolliderer med et sort hul? Dette er nu blevet simuleret af forskere fra Goethe University Frankfurt og Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) ved hjælp af en ny numerisk metode. Simuleringskoden "ExaHyPE" er designet på en sådan måde, at den vil være i stand til at beregne gravitationsbølger på den fremtidige generation af exascale supercomputere.

Udfordringen med at simulere sorte huller ligger i nødvendigheden af ​​at løse det komplekse Einsteins ligningssystem. Dette kan kun gøres numerisk og ved at udnytte kraften i parallelle supercomputere. Hvor præcist og hvor hurtigt en løsning kan tilnærmes afhænger af den anvendte algoritme. I dette tilfælde, holdet ledet af professor Luciano Rezzolla fra Institut for Teoretisk Fysik ved Goethe Universitetet og FIAS opnåede en milepæl. På lang sigt, dette teoretiske arbejde kunne udvide de eksperimentelle muligheder for at detektere gravitationsbølger fra andre astronomiske legemer udover sorte huller.

Den nye numeriske metode, som anvender ideerne fra den russiske fysiker Galerkin, tillader beregning af gravitationsbølger på supercomputere med meget høj nøjagtighed og hastighed. "Når man dette resultat, som har været målet for mange grupper verden over i mange år, var ikke let, " siger prof. Rezzolla. "Selvom det, vi opnåede, kun var et lille skridt i retning af at modellere realistiske sorte huller, vi forventer, at vores tilgang bliver paradigmet for alle fremtidige beregninger."

Exascale Computers – lige så hurtigt som den menneskelige hjerne?

Rezollas team er en del af et europæisk samarbejde med det formål at udvikle en numerisk simuleringskode for gravitationsbølger, "ExaHyPE", der kan udnytte kraften i "eksaskala" supercomputere. Selvom de endnu ikke er bygget, forskere rundt om i verden er allerede i gang med at studere, hvordan man gør brug af exascale-maskiner. Disse supercomputere repræsenterer den fremtidige udvikling af nutidens "petascale" supercomputere, og forventes at kunne udføre lige så mange regneoperationer i sekundet, som der er insekter på Jorden. Dette er et tal med 18 nuller, og det antages, at sådanne supercomputere vil kunne sammenlignes med den menneskelige hjernes kapacitet.

Mens de venter på, at de første "exascale" computere bliver bygget, ExaHyPE-forskerne er allerede ved at teste deres software på de største supercomputercentre, der er tilgængelige i Tyskland. De største er dem på Leibniz supercomputercenter LRZ i München, og det højtydende computercenter HLRS i Stuttgart. Disse computere er allerede konstrueret med mere end 100, 000 processorer og vil snart blive meget større.

Simulering af tsunamier og jordskælv

På grund af analogierne i de underliggende ligninger, de nye matematiske algoritmer tillader undersøgelse af tsunamier og jordskælv foruden astrofysiske kompakte objekter som sorte huller og neutronstjerner. Udvikling af de nye computeralgoritmer, som vil være i stand til matematisk at beskrive faste stoffer, væsker og gasser inden for teorierne om elektromagnetisme og gravitation, er målet for forskningsprojektet finansieret af Europa-Kommissionen gennem EU's Horizon 2020 Research and Innovation Programme. De Frankfurt-baserede videnskabsmænd arbejder tæt sammen med kolleger fra München (Tyskland), Trento (Italien) og Durham (Storbritannien).

"Det mest spændende aspekt af ExaHyPE-projektet er den unikke kombination af teoretisk fysik, anvendt matematik og datalogi, " siger professor Michael Dumbser, leder af teamet anvendt matematik i Trento. "Kun kombinationen af ​​disse tre forskellige discipliner giver os mulighed for at udnytte supercomputeres potentiale til at forstå universets kompleksitet."