Физики создали самую точную модель слияния чёрных дыр

Одним из самых катастрофических событий, происходящих в космосе, является столкновение двух черных дыр. Черные дыры, образованные в результате коллапса массивных звезд, невероятно компактны — человек, находящийся рядом с черной дырой звездной массы, будет ощущать гравитацию примерно в триллион раз сильнее, чем на Земле. Когда два объекта этой чрезвычайной плотности объединяются и сливаются, что является довольно распространенным явлением в космосе, они излучают больше энергии, чем все звезды в галактике.

«Представьте себе, что вы берете 30 солнц и упаковываете их в регион размером с Гавайи. Затем возьмите два таких объекта и ускорьте их до половины скорости света и заставьте их сталкиваться. Это одно из самых катастрофических событий в природе», — говорит Виджай Варма, ученый из Калифорнийского технологического института.

В новом исследовании, опубликованном в выпуске журнала «Physical Review Letters», Варма и его коллеги сообщают о наиболее точной компьютерной модели конечной стадии слияния черных дыр, периода, когда образовалась новая, более массивная черная дыра. Модель, в создании которой помогали суперкомпьютеры и машинное обучение, или инструменты искусственного интеллекта (ИИ), в конечном итоге поможет физикам выполнить более точные тесты общей теории относительности Эйнштейна.

«Мы можем предсказать, что останется после слияния чёрных дыр — свойства конечной чёрной дыры, такие как ее вращение и масса, — с точностью в 10–100 раз лучше, чем было возможно раньше», — говорят исследователи. «Это важно, потому что тесты общей теории относительности зависят от того, насколько хорошо мы можем предсказать конечные состояния слияния черных дыр».

Исследование связано с большими усилиями по изучению черных дыр с помощью LIGO, лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории, которая вошла в историю в 2015 году, впервые осуществив прямое обнаружение гравитационных волн, излучаемых слиянием черных дыр.

С тех пор LIGO обнаружил девять дополнительных слияний с черными дырами. Гравитационные волны — это пульсации в пространстве и времени, впервые предсказанные Эйнштейном более 100 лет назад. Сама гравитация, согласно общей теории относительности, является деформацией ткани пространства-времени. Когда массивные объекты, такие как черные дыры, ускоряются в пространстве-времени, они генерируют гравитационные волны.

Одна из целей LIGO и тысяч ученых, анализирующих ее данные, состоит в том, чтобы лучше понять физику столкновений черных дыр — и использовать эти данные, в свою очередь, для оценки того, верна ли общая теория относительности Эйнштейна в этих экстремальных условиях. Нарушение теории может открыть двери для новых типов физики, которые еще не были придуманы.

Но создание моделей колоссальных событий, таких как столкновения черных дыр, оказалось сложной задачей. Поскольку сталкивающиеся черные дыры располагаются очень близко друг к другу, за несколько секунд до окончательного слияния, их гравитационные поля и скорости становятся экстремальными, и математика становится слишком сложной для стандартных аналитических подходов.

И здесь помогают суперкомпьютеры. Ученые воспользовались почти 900 имитациями слияния чёрных дыр, которые ранее выполнялись группой Simulation eXtreme Spacetimes (SXS) с использованием суперкомпьютера Wheeler в Caltech и суперкомпьютера Blue Waters. Моделирование заняло 20000 часов вычислительного времени. Новая программа или алгоритм машинного обучения ученых Caltech извлекла уроки из моделирования и помогла создать окончательную модель слияния.

«Теперь, когда мы создали новую модель, исследователям не нужно тратить месяцы на расчеты, — говорит Виджай Варма. «Новая модель может дать вам ответы о конечном состоянии слияний за миллисекунды».

Ученые говорят, что их модель будет иметь особое значение через несколько лет, поскольку LIGO и другие детекторы гравитационных волн следующего поколения становятся все более точными в своих измерениях.

Vijay Varma et al. High-Accuracy Mass, Spin, and Recoil Predictions of Generic Black-Hole Merger Remnants, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103/physrevlett.122.011101 , https://arxiv.org/abs/1809.09125