Новости космоса и технологий. » Космос и астрономия » Финальный танец неравных партнеров по черной дыре

Финальный танец неравных партнеров по черной дыре

Опубликовал: Admin, 9-11-2020, 01:01, Космос и астрономия, 31, 0

Финальный танец неравных партнеров по черной дыре

Решение уравнений общей теории относительности для сталкивающихся черных дыр - непростое дело.

Физики начали использовать суперкомпьютеры для решения этой известной трудной проблемы еще в 1960-х годах. В 2000 году, когда никаких решений не было видно, Кип Торн, лауреат Нобелевской премии 2018 года и один из разработчиков LIGO, сделал ставку на то, что будет наблюдаться гравитационные волны, прежде чем будет достигнуто численное решение.

Он проиграл эту ставку, когда в 2005 году Карлос Лусто, работавший тогда в Техасском университете в Браунсвилле, и его команда создали решение, используя суперкомпьютер Lonestar в Техасском центре передовых вычислений. (Одновременно группы в НАСА и Калифорнийском технологическом институте выработали независимые решения.)

В 2015 году, когда обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) впервые наблюдала такие волны, Лусто был в шоке.

«Нам потребовалось две недели, чтобы понять, что это действительно произошло от природы, а не от ввода нашего моделирования в качестве теста», - сказал Лусто, ныне профессор математики в Рочестерском технологическом институте (RIT). «Сравнение с нашим моделированием было настолько очевидным. Вы могли невооруженным глазом увидеть, что это было слияние двух черных дыр».

Лусто снова вернулся с новой вехой в численной теории относительности, на этот раз имитируя слияние черных дыр, где отношение массы большей черной дыры к меньшей составляет 128: 1 - научная проблема на самом пределе возможностей вычислений. Его секретное оружие: суперкомпьютер Frontera в TACC, восьмой по мощности суперкомпьютер в мире и самый быстрый в любом университете.

Его исследование с соавтором Джеймсом Хили при поддержке Национального научного фонда (NSF) было опубликовано в  Письма о физических проверках [journals.aps.org/prl/abstract/… ysRevLett.125.191102]эта неделя. Для экспериментального подтверждения результатов могут потребоваться десятилетия, но, тем не менее, это является вычислительным достижением, которое поможет продвинуть вперед область астрофизики.

«Моделирование пар черных дыр с очень разными массами требует больших вычислений из-за необходимости поддерживать точность в широком диапазоне разрешений сетки», - сказал Педро Марронетти, программный директор по гравитационной физике в NSF. «Группа RIT выполнила самые передовые в мире моделирование в этой области, и каждое из них приближает нас к пониманию наблюдений, которые детекторы гравитационных волн предоставят в ближайшем будущем».

LIGO может обнаруживать только гравитационные волны, вызванные черными дырами малой и средней массы примерно одинакового размера. Обсерватории потребуются в 100 раз более чувствительными, чтобы выявить тип слияния, смоделированный Lousto и Healy. Их результаты показывают не только то, как гравитационные волны, вызванные слиянием 128: 1 будут выглядеть для наблюдателя на Земле, но и характеристики окончательной объединенной черной дыры, включая ее конечную массу, вращение и скорость отдачи. Это привело к некоторым сюрпризам.

«Эти объединенные черные дыры могут иметь скорость намного больше, чем было известно ранее», - сказал Лусто. «Они могут путешествовать со скоростью 5000 километров в секунду. Они покидают галактику и блуждают по вселенной. Это еще одно интересное предсказание».

Исследователи также вычислили формы гравитационных волн - сигнал, который будет восприниматься вблизи Земли - для таких слияний, включая их максимальную частоту, амплитуду и яркость. Сравнивая эти значения с прогнозами существующих научных моделей, их моделирование было в пределах 2 процентов от ожидаемых результатов.

Раньше наибольшее отношение масс, которое когда-либо решалось с высокой точностью, было 16: 1 - в восемь раз меньше, чем при моделировании Лусто. Проблема моделирования больших отношений масс состоит в том, что это требует разрешения динамики взаимодействующих систем в дополнительных масштабах.

Подобно компьютерным моделям во многих областях, Лусто использует метод, называемый адаптивным уточнением сетки, для получения точных моделей динамики взаимодействующих черных дыр. Он включает в себя размещение черных дыр, пространства между ними и удаленного наблюдателя (нас) на сетке или сетке, а также уточнение областей сетки с большей детализацией там, где это необходимо.

Команда Лусто подошла к проблеме с помощью методологии, которую он сравнивает с первым парадоксом Зенона. Уменьшая вдвое и вдвое соотношение масс при добавлении уровней детализации внутренней сетки, они смогли перейти от отношения масс черных дыр 32: 1 к двойным системам 128: 1 которые совершают 13 витков перед слиянием. На Frontera потребовалось семь месяцев постоянных вычислений.

«Frontera была идеальным инструментом для этой работы», - сказал Лусто. «Наша проблема требует высокопроизводительных процессоров, связи и памяти, а у Frontera есть все три».

Симуляция - это не конец пути. Черные дыры могут иметь множество спинов и конфигураций, которые влияют на амплитуду и частоту гравитационных волн, создаваемых их слиянием. Лусто хотел бы решить уравнения еще 11 раз, чтобы получить хороший первый диапазон возможных «шаблонов» для сравнения с будущими обнаружениями.

Результаты помогут разработчикам будущих наземных и космических детекторов гравитационных волн спланировать свои инструменты. К ним относятся усовершенствованные наземные детекторы гравитационных волн третьего поколения и космическая антенна с лазерным интерферометром (LISA), запуск которой запланирован на середину 2030-х годов.

Исследование также может помочь разгадать фундаментальные загадки о черные дыры , например, как некоторые могут вырасти до таких размеров - в миллионы раз больше массы Солнца.

«Суперкомпьютеры помогают нам ответить на эти вопросы», - сказал Лусто. «А проблемы вдохновляют на новые исследования и передают эстафету следующему поколению студентов».


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии