Zelfs na de directe meting van hun zwaartekrachtsgolven, er zijn nog steeds mysteries rond zwarte gaten. Wat gebeurt er als twee zwarte gaten samensmelten, of wanneer sterren op een zwart gat botsen? Dit is nu gesimuleerd door onderzoekers van de Goethe Universiteit Frankfurt en het Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) met behulp van een nieuwe numerieke methode. De simulatiecode "ExaHyPE" is zo ontworpen dat het zwaartekrachtgolven kan berekenen op de toekomstige generatie exascale supercomputers.

De uitdaging bij het simuleren van zwarte gaten ligt in de noodzaak om het complexe Einstein-systeem van vergelijkingen op te lossen. Dit kan alleen numeriek en gebruikmakend van de kracht van parallelle supercomputers. Hoe nauwkeurig en hoe snel een oplossing kan worden benaderd, hangt af van het gebruikte algoritme. In dit geval, het team onder leiding van professor Luciano Rezzolla van het Instituut voor Theoretische Fysica van de Goethe-universiteit en de FIAS heeft een mijlpaal bereikt. Op lange termijn, dit theoretische werk zou de experimentele mogelijkheden voor het detecteren van zwaartekrachtsgolven van andere astronomische lichamen dan zwarte gaten kunnen uitbreiden.

De nieuwe numerieke methode, die gebruik maakt van de ideeën van de Russische natuurkundige Galerkin, maakt de berekening van zwaartekrachtsgolven op supercomputers met zeer hoge nauwkeurigheid en snelheid mogelijk. "Om dit resultaat te bereiken, wat al vele jaren het doel is van vele groepen wereldwijd, was niet gemakkelijk, " zegt prof. Rezzolla. "Hoewel wat we hebben bereikt slechts een kleine stap is in de richting van het modelleren van realistische zwarte gaten, we verwachten dat onze aanpak het paradigma wordt van alle toekomstige berekeningen."

Exascale Computers – zo snel als het menselijk brein?

Het Rezollas-team maakt deel uit van een Europese samenwerking met als doel het ontwikkelen van een numerieke simulatiecode voor zwaartekrachtsgolven, "ExaHyPE", die de kracht van "exascale" supercomputers kunnen benutten. Hoewel ze nog niet zijn gebouwd, wetenschappers over de hele wereld bestuderen al hoe ze exascale-machines kunnen gebruiken. Deze supercomputers vertegenwoordigen de toekomstige evolutie van de huidige "petascale" supercomputers, en zullen naar verwachting net zoveel rekenkundige bewerkingen per seconde kunnen uitvoeren als er insecten op aarde zijn. Dit is een getal met 18 nullen en er wordt aangenomen dat dergelijke supercomputers vergelijkbaar zijn met de capaciteit van het menselijk brein.

Terwijl ze wachten op de bouw van de eerste "exascale" computers, de ExaHyPE-wetenschappers testen hun software al in de grootste supercomputercentra die beschikbaar zijn in Duitsland. De grootste zijn die in het Leibniz supercomputercentrum LRZ in München, en het krachtige rekencentrum HLRS in Stuttgart. Deze computers zijn al gebouwd met meer dan 100, 000 processors en zal binnenkort veel groter worden.

Tsunami's en aardbevingen simuleren

Vanwege de analogieën in de onderliggende vergelijkingen, de nieuwe wiskundige algoritmen maken het mogelijk om tsunami's en aardbevingen te onderzoeken, naast astrofysische compacte objecten zoals zwarte gaten en neutronensterren. Het ontwikkelen van de nieuwe computeralgoritmen, die in staat zal zijn om wiskundig vaste stoffen te beschrijven, vloeistoffen en gassen binnen de theorieën van elektromagnetisme en zwaartekracht, is het doel van het onderzoeksproject dat wordt gefinancierd door de Europese Commissie via het Horizon 2020 Research and Innovation Programme van de Europese Unie. De in Frankfurt gevestigde wetenschappers werken nauw samen met collega's uit München (Duitsland), Trento (Italië) en Durham (Groot-Brittannië).

"Het meest opwindende aspect van het ExaHyPE-project is de unieke combinatie van theoretische fysica, toegepaste wiskunde en informatica, " zegt professor Michael Dumbser, leider van het team Toegepaste Wiskunde in Trento. "Alleen de combinatie van deze drie verschillende disciplines stelt ons in staat om het potentieel van supercomputers te benutten om de complexiteit van het universum te begrijpen."