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 гравитационные волны будут наблюдаться до того, как 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 было действительно 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. Невооруженными глазами было видно, что это 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 вычислительных возможностей. 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 Physical Review Letters на этой неделе.
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 симуляции 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 обнаружить тип слияния, смоделированный Лусто и Хили. Их результаты показывают не только то, как гравитационные волны, вызванные слиянием 128: 1, будут выглядеть для наблюдателя на Земле, но также 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 выбегают из галактики 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 пиковую частоту, амплитуду и яркость. Сравнивая эти значения с прогнозами существующих научных моделей, результаты их моделирования не превышали 2% от ожидаемых результатов.
Ранее наибольшее соотношение 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 для этого требуется разрешение динамики взаимодействующих систем в дополнительных масштабах.
Как и компьютерные модели во многих областях, Lousto 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 отношение 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 работы", – сказал Лусто. «Наша проблема требует высокопроизводительных процессоров, связи и памяти, и 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 ответить на фундаментальные загадки о черных дырах, например, как некоторые из них могут вырасти до таких размеров – в миллионы раз больше массы Солнца.
«Суперкомпьютеры помогают нам ответить на эти вопросы», – сказал Лусто. "И проблемы вдохновляют на новые исследования и передают эстафету следующему поколению студентов."