Изучение слияния двойных черных дыр с соотношением масс 128: 1

0 516

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

Физики начали использовать 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 будут наблюдаться 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 и Калифорнийском технологическом институте выработали независимые решения.)

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

«Нам потребовалось две недели, чтобы понять, что это действительно природное явление, а не данные 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».

Карлос 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, восьмой по мощности суперкомпьютер в мире и самый быстрый в любом университете.

Его исследование с соавтором Джеймсом Хили было опубликовано на этой неделе в Physical Review Letters. Для экспериментального подтверждения результатов могут потребоваться десятилетия, но, тем не менее, это является вычислительным достижением, которое поможет продвинуть вперед область астрофизики.

Смотрите также  Компьютерные модели предполагают, что древняя Венера могла быть обитаемой

«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».

может обнаруживать только гравитационные волны, вызванные черными дырами малой и средней массы примерно одинакового размера. Потребуются в 100 раз более чувствительные обсерватории, чтобы выявить тип слияния, смоделированный учеными. 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 — сигналов, которые будут восприниматься вблизи Земли — для таких слияний, включая их максимальную частоту, амплитуду и яркость. Сравнивая эти значения с прогнозами существующих научных моделей, результаты моделирования оказались в пределах 2% от ожидаемых результатов.

Смотрите также  Две гигантские экзопланеты найдены возле звезды, похожей на Солнце

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, 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 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 компонента».

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.

Смотрите также  Моделирование на суперкомпьютере помогает раскрыть тайну солнечного ветра

Исследование может также помочь ответить на фундаментальные загадки черных дыр, например, как некоторые из них могут вырасти до таких размеров — в миллионы раз больше массы Солнца.

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


Carlos O. Lousto et al, Exploring the Small Mass Ratio Binary Black Hole Merger via Zeno’s Dichotomy Approach, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.191102

Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x