Fysikere bruger supercomputere og kunstig intelligens til at skabe den hidtil mest nøjagtige model af sorte hul-fusioner

En af de mest katastrofale begivenheder, der har fundet sted i kosmos, involverer kollisionen af ​​to sorte huller. Dannet fra det dødelige sammenbrud af massive stjerner, sorte huller er utroligt kompakte - en person, der står i nærheden af ​​et sort hul med stjernemasse, ville føle tyngdekraften omkring en billion gange stærkere, end de ville på Jorden. Når to objekter med denne ekstreme tæthed spiraler sammen og smelter sammen, en ret almindelig begivenhed i rummet, de udstråler mere kraft end alle stjerner i universet.

"Forestil dig at tage 30 sole og pakke dem ind i et område på størrelse med Hawaii. Så tag to sådanne genstande og accelerer dem til halvdelen af ​​lysets hastighed og få dem til at kollidere. Dette er en af ​​de mest voldsomme begivenheder i naturen, " siger Vijay Varma, en kandidatstuderende ved Caltech.

I en ny undersøgelse i 11. januar-udgaven af ​​tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , Varma og hans kolleger rapporterer om den hidtil mest nøjagtige computermodel af slutstadiet af sorte hul-fusioner, en periode, hvor en ny, mere massivt sort hul er dannet. Modellen, som blev hjulpet af supercomputere og maskinlæring, eller kunstig intelligens (AI) værktøjer, vil i sidste ende hjælpe fysikere med at udføre mere præcise test af Einsteins generelle relativitetsteori.

"Vi kan forudsige, hvad der er tilbage efter en sort hul-fusion - egenskaber ved det endelige sorte hul, såsom dets spin og masse - med en nøjagtighed 10 til 100 gange bedre end hvad der var muligt før, " siger medforfatter Davide Gerosa, en Einstein postdoktor i teoretisk astrofysik ved Caltech. "Dette er vigtigt, fordi test af generel relativitet afhænger af, hvor godt vi kan forudsige sluttilstandene for sorte huls fusioner."

Forskningen er relateret til en større indsats for at studere sorte huller med LIGO, Laser Interferometer gravitationsbølgeobservatoriet, som skrev historie i 2015 ved at lave den første direkte detektering af gravitationsbølger udsendt af en sort hul-fusion. Siden da, LIGO har opdaget ni yderligere sorte hul-fusioner. Gravitationsbølger er krusninger i rum og tid, først forudsagt af Einstein for mere end 100 år siden. Tyngdekraften selv, ifølge almen relativitetsteori, er en vridning af rumtidens stof. Når massive objekter som sorte huller accelererer gennem rumtiden, de genererer gravitationsbølger.

Et af målene for LIGO og de tusindvis af videnskabsmænd, der analyserer dets data, er bedre at forstå fysikken i sorte hul-kollisioner - og at bruge disse data, på tur, at vurdere, om Einsteins generelle relativitetsteori stadig holder stik under disse ekstreme forhold. Et sammenbrud af teorien kan åbne døren til nye typer af fysik, der endnu ikke er forestillet.

Men at skabe modeller af kolossale begivenheder som sorte hul-kollisioner har vist sig at være en skræmmende opgave. Da de kolliderende sorte huller kommer meget tæt på hinanden, få sekunder før den endelige fusion, deres gravitationsfelter og hastigheder bliver ekstreme, og matematikken bliver alt for kompleks til standardanalytiske tilgange.

"Når det kommer til at modellere disse kilder, man kan bruge pen-og-papir tilgangen til at løse Einsteins ligninger i de tidlige stadier af fusionen, når de sorte huller spiraler mod hinanden, " siger Varma. "Men, disse ordninger går i stykker nær fusionen. Simuleringer ved hjælp af ligningerne for generel relativitet er det eneste middel til at forudsige resultatet af fusionsprocessen nøjagtigt."

Det er her, supercomputere hjælper. Holdet udnyttede næsten 900 sorte huls fusionssimuleringer, der tidligere blev drevet af Simulating eXtreme Spacetimes (SXS)-gruppen ved hjælp af Wheeler-supercomputeren på Caltech (støttet af Sherman Fairchild Foundation) og Blue Waters-supercomputeren ved National Center for Supercomputing Applications (NCSA) ) ved University of Illinois i Urbana-Champaign. Simuleringerne tog 20, 000 timers regnetid. Caltech-forskernes nye maskinlæringsprogram, eller algoritme, lærte af simuleringerne og hjalp med at skabe den endelige model.

"Nu hvor vi har bygget den nye model, du behøver ikke tage måneder, " siger Varma. "Den nye model kan give dig svar om sluttilstanden for fusioner på millisekunder."

Forskerne siger, at deres model vil være af særlig betydning om et par år, efterhånden som LIGO og andre næste generations gravitationsbølgedetektorer bliver mere og mere præcise i deres målinger. "Inden for de næste par år eller deromkring, gravitationsbølgedetektorer vil have mindre støj, " siger Gerosa. "De nuværende modeller af de sidste sorte huls egenskaber vil ikke være præcise nok på det tidspunkt, og det er her, vores nye model virkelig kan hjælpe."

Det Fysisk gennemgangsbreve undersøgelsen har titlen "Masse med høj nøjagtighed, spin, og rekyl forudsigelser af generiske sorte hul-fusionsrester."