Вирішення рівнянь загальної теорії відносності для чорних дір, що стикаються, - дуже непроста справа.
Фізики почали використовувати комп'ютери для вирішення цієї відомої важкої проблеми ще в 1960-х роках. У 2000 році, коли ніяких рішень не було видно, Кіп Торн, лауреат Нобелівської премії 2018 року і один з розробників LIGO, зробив ставку на те, що гравітаційні хвилі будуть спостерігатися перш, ніж буде досягнуто чисельне рішення.
Він програв цю ставку, коли в 2005 році Карлос Лусто, який працював тоді в Техаському університеті в Браунсвіллі, і його команда створили рішення, використовуючи суперкомп'ютер Lonestar в Техаському центрі передових обчислень. (Одночасно групи в НАСА і Каліфорнійському технологічному інституті виробили незалежні рішення.)
У 2015 році, коли обсерваторія гравітаційних хвиль з лазерним інтерферометром (LIGO) вперше спостерігала такі хвилі, Карлос Лусто був у шоці.
«Нам знадобилося два тижні, щоб зрозуміти, що це дійсно природне явище, а не дані нашого моделювання як тест», - сказав Лусто, нині професор математики в Рочестерському технологічному інституті (RIT). "Порівняння з нашим моделюванням було настільки очевидним. Ви могли неозброєним оком побачити, що це було злиття двох чорних дір ".
Карлос Лусто знову повернувся з новою віхою в чисельній теорії відносності, цього разу імітуючи злиття чорних дір, де ставлення маси більшої чорної діри до меншої становить 128: 1 - наукова проблема на самій межі можливостей обчислень. Його секретна зброя: суперкомп'ютер Frontera, восьмий за потужністю суперкомп'ютер у світі і найшвидший у будь-якому університеті.
Його дослідження зі співавтором Джеймсом Хілі було опубліковано на цьому тижні в Physical Review Letters. Для експериментального підтвердження результатів можуть знадобитися десятиліття, але, тим не менш, це є обчислювальним досягненням, яке допоможе просунути вперед область астрофізики.
«Моделювання пар чорних дір з дуже різними масами вимагає великих обчислень через необхідність підтримувати точність в широкому діапазоні дозволів сітки», - сказав Педро Марронетті, програмний директор з гравітаційної фізики в NSF. «Група RIT виконала найбільш передові в світі моделювання в цій області, і кожне з них наближає нас до розуміння спостережень, які детектори гравітаційних хвиль нададуть в найближчому майбутньому».
LIGO може виявляти тільки гравітаційні хвилі, викликані чорними дірами малої і середньої маси приблизно однакового розміру. Потрібні в 100 разів більш чутливі обсерваторії, щоб виявити тип злиття, змодельований вченими. Їх результати показують не тільки те, як гравітаційні хвилі, викликані злиттям 128: 1, будуть виглядати для спостерігача на Землі, але і характеристики остаточної об'єднаної чорної діри, включаючи її кінцеву масу, обертання і швидкість віддачі. Це призвело до деяких сюрпризів.
«Ці об'єднані чорні діри можуть мати швидкість набагато більше, ніж було відомо раніше», - сказав Лусто. "Вони можуть подорожувати зі швидкістю 5000 кілометрів на секунду. Вони залишають галактику і блукають по всесвіту. Це ще одне цікаве передбачення ".
Дослідники також вирахували форми гравітаційних хвиль - сигналів, які будуть сприйматися поблизу Землі - для таких злиттів, включаючи їх максимальну частоту, амплітуду і яскравість. Порівнюючи ці значення з прогнозами існуючих наукових моделей, результати моделювання виявилися в межах 2% від очікуваних результатів.
Раніше найбільше ставлення мас, яке коли-небудь вирішувалося з високою точністю, було 16: 1 - у вісім разів менше, ніж при моделюванні Лусто. Проблема моделювання великих відносин мас полягає в тому, що це вимагає вирішення динаміки взаємодіючих систем у додаткових масштабах.
Подібно до комп'ютерних моделей у багатьох областях, Лусто використовує метод, який називається адаптивним уточненням сітки, для отримання точних моделей динаміки взаємодіючих чорних дір. Він включає в себе розміщення чорних дір, простору між ними і віддаленого спостерігача (нас) на сітці, а також уточнення областей сітки з більшою деталізацією там, де це необхідно.
Команда Лусто підійшла до проблеми за допомогою методології, яку він порівнює з першим парадоксом Зенона. Зменшуючи вдвічі співвідношення мас при додаванні рівнів деталізації внутрішньої сітки, вони змогли перейти від ставлення мас чорних дір 32: 1 до подвійних систем 128: 1, які здійснюють 13 витків перед злиттям. На Frontera знадобилося сім місяців постійних обчислень.
«Frontera була ідеальним інструментом для цієї роботи», - сказав Лусто. «Наша проблема вимагає високопродуктивних процесорів, зв'язку і пам'яті, а у Frontera є всі три компоненти».
Симуляція - це не кінець шляху. Чорні діри можуть мати безліч спин і конфігурацій, які впливають на амплітуду і частоту гравітаційних хвиль, створюваних їх злиттям. Лусто хотів би вирішити рівняння ще 11 разів, щоб отримати хороший перший діапазон можливих «шаблонів» для порівняння з майбутніми виявленнями.
Результати допоможуть розробникам майбутніх наземних і космічних детекторів гравітаційних хвиль спланувати свої інструменти. До них належать вдосконалені наземні детектори гравітаційних хвиль третього покоління і космічна антена з лазерним інтерферометром (LISA), запуск якої запланований на середину 2030-х років.
Дослідження також може допомогти відповісти на фундаментальні загадки чорних дір, наприклад, як деякі з них можуть вирости до таких розмірів - в мільйони разів більше маси Сонця.
«Суперкомп'ютери допомагають нам відповісти на ці питання», - сказав Карлос Лусто. «А проблеми надихають на нові дослідження і передають естафету наступному поколінню вчених».