Een van de meest catastrofale gebeurtenissen in de kosmos is de botsing van twee zwarte gaten. Gevormd door de dodelijke ineenstorting van massieve sterren, zwarte gaten zijn ongelooflijk compact - een persoon die in de buurt van een zwart gat met een stellaire massa staat, zou de zwaartekracht ongeveer een biljoen keer sterker voelen dan op aarde. Wanneer twee objecten van deze extreme dichtheid samensmelten en samensmelten, een vrij algemeen verschijnsel in de ruimte, ze stralen meer kracht uit dan alle sterren in het heelal.

"Stel je voor dat je 30 zonnen neemt en ze verpakt in een gebied ter grootte van Hawaï. Neem dan twee van dergelijke objecten en versnel ze tot de helft van de lichtsnelheid en laat ze botsen. Dit is een van de meest gewelddadige gebeurtenissen in de natuur, " zegt Vijay Varma, een afgestudeerde student aan Caltech.

In een nieuwe studie in het nummer van het tijdschrift van 11 januari Fysieke beoordelingsbrieven , Varma en zijn collega's rapporteren het meest nauwkeurige computermodel tot nu toe van de eindfase van fusies van zwarte gaten, een periode waarin een nieuwe, massiever zwart gat is gevormd. Het model, die werd geholpen door supercomputers en machine learning, of kunstmatige intelligentie (AI) tools, zal uiteindelijk natuurkundigen helpen nauwkeurigere tests uit te voeren van Einsteins algemene relativiteitstheorie.

"We kunnen voorspellen wat er overblijft na een fusie van een zwart gat - eigenschappen van het uiteindelijke zwarte gat zoals zijn spin en massa - met een nauwkeurigheid die 10 tot 100 keer beter is dan wat voorheen mogelijk was, " zegt co-auteur Davide Gerosa, een Einstein Postdoctoral Fellow in Theoretical Astrophysics aan Caltech. "Dit is belangrijk omdat tests van de algemene relativiteitstheorie afhangen van hoe goed we de eindtoestanden van fusies van zwarte gaten kunnen voorspellen."

Het onderzoek houdt verband met een grotere inspanning om zwarte gaten te bestuderen met LIGO, de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, die in 2015 geschiedenis schreef door de eerste directe detectie te maken van zwaartekrachtsgolven die worden uitgezonden door een samensmelting van zwarte gaten. Vanaf dat moment, LIGO heeft negen extra fusies van zwarte gaten gedetecteerd. Zwaartekrachtgolven zijn rimpelingen in ruimte en tijd, voor het eerst voorspeld door Einstein meer dan 100 jaar geleden. Zwaartekracht zelf, volgens de algemene relativiteitstheorie, is een kromtrekken van het weefsel van de ruimtetijd. Wanneer massieve objecten zoals zwarte gaten door de ruimtetijd versnellen, ze genereren zwaartekrachtsgolven.

Een van de doelen van LIGO en de duizenden wetenschappers die zijn gegevens analyseren, is om de fysica van botsingen met zwarte gaten beter te begrijpen - en deze gegevens te gebruiken, beurtelings, om te beoordelen of Einsteins algemene relativiteitstheorie nog steeds geldt onder deze extreme omstandigheden. Een ineenstorting van de theorie zou de deur kunnen openen naar nieuwe soorten natuurkunde die nog niet zijn voorgesteld.

Maar het is een ontmoedigende taak gebleken om modellen te maken van kolossale gebeurtenissen zoals botsingen met zwarte gaten. Als de botsende zwarte gaten heel dicht bij elkaar komen, slechts enkele seconden voor de definitieve fusie, hun zwaartekrachtsvelden en snelheden worden extreem en de wiskunde wordt veel te complex voor standaard analytische benaderingen.

"Als het gaat om het modelleren van deze bronnen, men kan de pen-en-papierbenadering gebruiken om de vergelijkingen van Einstein op te lossen tijdens de vroege stadia van de fusie, wanneer de zwarte gaten naar elkaar toe spiraliseren, " zegt Varma. "Echter, deze regelingen vallen in de buurt van de fusie. Simulaties met behulp van de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie zijn de enige manier om de uitkomst van het fusieproces nauwkeurig te voorspellen."

Dat is waar supercomputers helpen. Het team profiteerde van bijna 900 fusiesimulaties van zwarte gaten die eerder werden uitgevoerd door de Simulating eXtreme Spacetimes (SXS)-groep met behulp van de Wheeler-supercomputer van Caltech (ondersteund door de Sherman Fairchild Foundation) en de Blue Waters-supercomputer van het National Center for Supercomputing Applications (NCSA ) aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. De simulaties duurden 20, 000 uur rekentijd. Het nieuwe machine learning-programma van de Caltech-wetenschappers, of algoritme, geleerd van de simulaties en hielp bij het maken van het uiteindelijke model.

"Nu we het nieuwe model hebben gebouwd, je hoeft geen maanden te nemen, ", zegt Varma. "Het nieuwe model kan je in milliseconden antwoorden geven over de eindtoestand van fusies."

De onderzoekers zeggen dat hun model over een paar jaar van bijzonder belang zal zijn, terwijl LIGO en andere zwaartekrachtgolfdetectoren van de volgende generatie steeds nauwkeuriger worden in hun metingen. "Binnen een paar jaar of zo, zwaartekrachtgolfdetectoren zullen minder ruis hebben, ", zegt Gerosa. "De huidige modellen van de uiteindelijke eigenschappen van een zwart gat zullen in dat stadium niet nauwkeurig genoeg zijn, en dat is waar ons nieuwe model echt kan helpen."

De Fysieke beoordelingsbrieven studie is getiteld "High-nauwkeurige massa, draaien, en terugslagvoorspellingen van generieke restanten van samensmelting van zwarte gaten."