Het oplossen van de algemene relativiteitsvergelijkingen voor botsende zwarte gaten is niet eenvoudig.

Natuurkundigen begonnen in de jaren zestig supercomputers te gebruiken om oplossingen te vinden voor dit beroemde moeilijke probleem. In 2000, zonder oplossingen in zicht, Kip Thorne, Nobelprijswinnaar 2018 en een van de ontwerpers van LIGO, de beroemde weddenschap dat er een waarneming van zwaartekrachtsgolven zou zijn voordat een numerieke oplossing werd bereikt.

Hij verloor die weddenschap toen, in 2005, Carlos Lousto, vervolgens aan de Universiteit van Texas in Brownsville, en zijn team ontwikkelden een oplossing met behulp van de Lonestar-supercomputer in het Texas Advanced Computing Center. (Tegelijkertijd groepen bij NASA en Caltech afgeleide onafhankelijke oplossingen.)

in 2015, toen de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) dergelijke golven voor het eerst waarnam, Lousto was in shock.

"Het kostte ons twee weken om te beseffen dat dit echt uit de natuur kwam en niet door onze simulatie als test in te voeren. " zei Lousto, nu een professor in de wiskunde aan het Rochester Institute of Technology (RIT). "De vergelijking met onze simulaties lag zo voor de hand. Je kon met je blote ogen zien dat het de versmelting van twee zwarte gaten was."

Lousto is weer terug met een nieuwe mijlpaal in de numerieke relativiteitstheorie, deze keer simuleren we samensmeltende zwarte gaten waarbij de verhouding van de massa van het grotere zwarte gat tot het kleinere 128 op 1 is - een wetenschappelijk probleem op de uiterste grens van wat computationeel mogelijk is. Zijn geheime wapen:de Frontera-supercomputer bij TACC, de achtste krachtigste supercomputer ter wereld en de snelste op elke universiteit.

Zijn onderzoek met medewerker James Healy, ondersteund door de National Science Foundation (NSF), werd gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven deze week. Het kan tientallen jaren duren om de resultaten experimenteel te bevestigen, maar desalniettemin dient het als een computationele prestatie die het veld van de astrofysica vooruit zal helpen.

"Het modelleren van paren zwarte gaten met zeer verschillende massa's is zeer rekenkundig veeleisend vanwege de noodzaak om de nauwkeurigheid te behouden in een breed scala aan rasterresoluties, " zei Pedro Marronetti, programmadirecteur voor zwaartekrachtfysica bij NSF. "De RIT-groep heeft 's werelds meest geavanceerde simulaties op dit gebied uitgevoerd, en elk van hen brengt ons dichter bij het begrijpen van waarnemingen die zwaartekrachtgolfdetectoren in de nabije toekomst zullen bieden."

LIGO kan alleen zwaartekrachtsgolven detecteren die worden veroorzaakt door kleine en middelgrote zwarte gaten van ongeveer gelijke grootte. Er zijn observatoria nodig die 100 keer gevoeliger zijn om het type fusies te detecteren dat Lousto en Healy hebben gemodelleerd. Hun bevindingen laten niet alleen zien hoe de zwaartekrachtsgolven veroorzaakt door een 128:1 fusie eruit zouden zien voor een waarnemer op aarde, maar ook kenmerken van het uiteindelijke samengevoegde zwarte gat, inclusief zijn uiteindelijke massa, draaien, en terugslagsnelheid. Deze leidden tot enkele verrassingen.

"Deze samengevoegde zwarte gaten kunnen snelheden hebben die veel groter zijn dan voorheen bekend was, " zei Lousto. "Ze kunnen om 5 uur reizen, 000 kilometer per seconde. Ze schoppen uit een melkwegstelsel en dwalen door het universum. Dat is nog een interessante voorspelling."

De onderzoekers berekenden ook de zwaartekrachtgolfvormen - het signaal dat in de buurt van de aarde zou worden waargenomen - voor dergelijke fusies, inclusief hun piekfrequentie, amplitude, en helderheid. Door die waarden te vergelijken met voorspellingen van bestaande wetenschappelijke modellen, hun simulaties waren binnen 2 procent van de verwachte resultaten.

Eerder, de grootste massaverhouding die ooit met hoge precisie was opgelost, was 16 op 1 - acht keer minder extreem dan de simulatie van Lousto. De uitdaging van het simuleren van grotere massaverhoudingen is dat het de dynamiek van de op elkaar inwerkende systemen op extra schalen moet oplossen.

Net als computermodellen op veel gebieden, Lousto gebruikt een methode die adaptieve mesh-verfijning wordt genoemd om nauwkeurige modellen te krijgen van de dynamiek van de op elkaar inwerkende zwarte gaten. Het gaat om het plaatsen van de zwarte gaten, de ruimte ertussen, en de verre waarnemer (ons) op een raster of maas, en het verfijnen van de gebieden van de mesh met meer detail waar dat nodig is.

Het team van Lousto benaderde het probleem met een methodologie die hij vergelijkt met Zeno's eerste paradox. Door de massaverhouding te halveren en te halveren en tegelijkertijd interne rasterverfijningsniveaus toe te voegen, ze waren in staat om van 32:1 zwart gat massaverhoudingen naar 128:1 binaire systemen te gaan die 13 banen ondergaan voordat ze samensmelten. op Frontera, het vereiste zeven maanden constante berekening.

"Frontera was de perfecte tool voor de klus, " zei Lousto. "Ons probleem vereist krachtige processors, communicatie, en geheugen, en Frontera heeft ze alle drie."

De simulatie is niet het einde van de weg. Zwarte gaten kunnen verschillende spins en configuraties hebben, die invloed hebben op de amplitude en frequentie van de zwaartekrachtsgolven die hun samensmelting produceert. Lousto zou de vergelijkingen nog 11 keer willen oplossen om een ​​goede eerste reeks mogelijke "sjablonen" te krijgen om te vergelijken met toekomstige detecties.

De resultaten zullen de ontwerpers van toekomstige zwaartekrachtgolfdetectoren op aarde en in de ruimte helpen bij het plannen van hun instrumenten. Deze omvatten geavanceerde, zwaartekrachtgolfdetectoren van de derde generatie en de Laser Interferometer Space Antenna (LISA), die is bedoeld voor lancering in het midden van de jaren 2030.

Het onderzoek kan ook helpen bij het beantwoorden van fundamentele mysteries over zwarte gaten, zoals hoe sommigen zo groot kunnen worden - miljoenen keren de massa van de zon.

"Supercomputers helpen ons deze vragen te beantwoorden, "Zei Lousto. "En de problemen inspireren nieuw onderzoek en geven de fakkel door aan de volgende generatie studenten."