Sidste dans af ulige sorte hul-partnere

At løse ligningerne for generel relativitet for kolliderende sorte huller er ingen enkel sag.

Fysikere begyndte at bruge supercomputere til at finde løsninger på dette berømte hårde problem tilbage i 1960'erne. I 2000, uden løsninger i sigte, Kip Thorne, 2018 Nobelpristager og en af ​​designerne af LIGO, satsede berømt på, at der ville være en observation af gravitationsbølger, før en numerisk løsning blev nået.

Han tabte væddemålet, da i 2005, Carlos Lousto, derefter på University of Texas i Brownsville, og hans team genererede en løsning ved hjælp af Lonestar-supercomputeren på Texas Advanced Computing Center. (Samtidig grupper hos NASA og Caltech afledte uafhængige løsninger.)

I 2015 da Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) første gang observerede sådanne bølger, Lousto var i chok.

"Det tog os to uger at indse, at dette virkelig var fra naturen og ikke fra at indtaste vores simulering som en test, " sagde Lousto, nu professor i matematik ved Rochester Institute of Technology (RIT). "Sammenligningen med vores simuleringer var så indlysende. Man kunne se med sine bare øjne, at det var en sammensmeltning af to sorte huller."

Lousto er tilbage igen med en ny numerisk relativitets-milepæl, denne gang simulerer sammensmeltende sorte huller, hvor forholdet mellem massen af ​​det større sorte hul og det mindre er 128 til 1 - et videnskabeligt problem på selve grænsen af, hvad der er beregningsmæssigt muligt. Hans hemmelige våben:Frontera supercomputeren hos TACC, den ottende mest kraftfulde supercomputer i verden og den hurtigste på ethvert universitet.

Hans forskning med samarbejdspartner James Healy, støttet af National Science Foundation (NSF), blev udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve denne uge. Det kan tage årtier at bekræfte resultaterne eksperimentelt, men ikke desto mindre tjener det som en beregningsmæssig præstation, der vil hjælpe med at drive astrofysikområdet fremad.

"Modellering af par af sorte huller med meget forskellige masser er meget beregningskrævende på grund af behovet for at opretholde nøjagtighed i en bred vifte af gitteropløsninger, " sagde Pedro Marronetti, programdirektør for gravitationsfysik på NSF. "RIT-gruppen har udført verdens mest avancerede simuleringer på dette område, og hver af dem bringer os tættere på at forstå observationer, som gravitationsbølgedetektorer vil levere i den nærmeste fremtid."

LIGO er kun i stand til at detektere gravitationsbølger forårsaget af små og mellemstore sorte huller af nogenlunde samme størrelse. Det vil tage observatorier 100 gange mere følsomme at opdage den type fusioner Lousto og Healy har modelleret. Deres resultater viser ikke kun, hvordan gravitationsbølgerne forårsaget af en 128:1 fusion ville se ud for en observatør på Jorden, men også karakteristika ved det ultimative fusionerede sorte hul inklusive dets endelige masse, spin, og rekylhastighed. Disse førte til nogle overraskelser.

"Disse fusionerede sorte huller kan have hastigheder meget større end tidligere kendt, Lousto sagde. "De kan rejse klokken 5, 000 kilometer i sekundet. De sparker ud fra en galakse og vandrer rundt i universet. Det er en anden interessant forudsigelse."

Forskerne beregnede også gravitationsbølgeformerne - signalet, der ville blive opfattet nær Jorden - for sådanne fusioner, inklusive deres spidsfrekvens, amplitude, og lysstyrke. Ved at sammenligne disse værdier med forudsigelser fra eksisterende videnskabelige modeller, deres simuleringer var inden for 2 procent af de forventede resultater.

Tidligere, det største masseforhold, der nogensinde var blevet løst med høj præcision, var 16 til 1 - otte gange mindre ekstrem end Loustos simulering. Udfordringen ved at simulere større masseforhold er, at det kræver at løse dynamikken i de interagerende systemer i yderligere skalaer.

Ligesom computermodeller på mange områder, Lousto bruger en metode kaldet adaptiv mesh-forfining til at få præcise modeller af dynamikken i de interagerende sorte huller. Det involverer at sætte de sorte huller, mellemrummet mellem dem, og den fjerne observatør (os) på et gitter eller net, og finpudsning af nettets områder med flere detaljer, hvor det er nødvendigt.

Loustos team nærmede sig problemet med en metode, som han sammenligner med Zenos første paradoks. Ved at halvere og halvere masseforholdet, mens der tilføjes interne netforfiningsniveauer, de var i stand til at gå fra 32:1 sorte huls masseforhold til 128:1 binære systemer, der gennemgår 13 kredsløb før fusion. På Frontera, det krævede syv måneders konstant beregning.

"Frontera var det perfekte værktøj til jobbet, " sagde Lousto. "Vores problem kræver højtydende processorer, meddelelse, og hukommelse, og Frontera har alle tre."

Simuleringen er ikke enden på vejen. Sorte huller kan have en række forskellige spins og konfigurationer, som påvirker amplituden og frekvensen af ​​gravitationsbølgerne, som deres fusion frembringer. Lousto vil gerne løse ligningerne 11 gange mere for at få et godt første udvalg af mulige "skabeloner" til at sammenligne med fremtidige detektioner.

Resultaterne vil hjælpe designere af fremtidige jord- og rumbaserede gravitationsbølgedetektorer med at planlægge deres instrumenter. Disse omfatter avancerede, tredje generation jordbaserede gravitationsbølgedetektorer og Laser Interferometer Space Antenna (LISA), som er målrettet lancering i midten af ​​2030'erne.

Forskningen kan også hjælpe med at besvare fundamentale mysterier om sorte huller, såsom hvordan nogle kan vokse sig så store - millioner af gange Solens masse.

"Supercomputere hjælper os med at besvare disse spørgsmål, Lousto sagde. "Og problemerne inspirerer til ny forskning og giver faklen videre til næste generation af studerende."