Resolver as equações da relatividade geral para buracos negros em colisão não é uma tarefa simples.

Os físicos começaram a usar supercomputadores para obter soluções para esse famoso problema difícil na década de 1960. Em 2000, sem soluções à vista, Kip Thorne, Prêmio Nobel de 2018 e um dos designers do LIGO, A famosa aposta que haveria uma observação das ondas gravitacionais antes que uma solução numérica fosse alcançada.

Ele perdeu aquela aposta quando, em 2005, Carlos Lousto, em seguida, na Universidade do Texas em Brownsville, e sua equipe gerou uma solução usando o supercomputador Lonestar no Texas Advanced Computing Center. (Simultaneamente, grupos da NASA e soluções independentes derivadas da Caltech.)

Em 2015, quando o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser (LIGO) observou essas ondas pela primeira vez, Lousto estava em choque.

"Levamos duas semanas para perceber que isso era realmente natural e não para inserir nossa simulação como um teste, "disse Lousto, agora é professor de matemática no Rochester Institute of Technology (RIT). "A comparação com nossas simulações era tão óbvia. Você podia ver com seus próprios olhos que era a fusão de dois buracos negros."

Lousto está de volta com um novo marco da relatividade numérica, desta vez simulando buracos negros em fusão, onde a proporção da massa do buraco negro maior para o menor é de 128 para 1 - um problema científico no limite do que é computacionalmente possível. Sua arma secreta:o supercomputador Frontera na TACC, o oitavo supercomputador mais poderoso do mundo e o mais rápido de qualquer universidade.

Sua pesquisa com o colaborador James Healy, apoiado pela National Science Foundation (NSF), foi publicado em Cartas de revisão física esta semana. Pode levar décadas para confirmar os resultados experimentalmente, mas, no entanto, serve como uma conquista computacional que ajudará a impulsionar o campo da astrofísica.

"A modelagem de pares de buracos negros com massas muito diferentes exige muito do computador devido à necessidade de manter a precisão em uma ampla gama de resoluções de grade, "disse Pedro Marronetti, diretor do programa de física gravitacional na NSF. "O grupo RIT realizou as simulações mais avançadas do mundo nesta área, e cada um deles nos leva mais perto de compreender as observações que os detectores de ondas gravitacionais fornecerão em um futuro próximo. "

O LIGO só é capaz de detectar ondas gravitacionais causadas por buracos negros de massa pequena e intermediária de tamanho aproximadamente igual. Serão necessários observatórios 100 vezes mais sensíveis para detectar o tipo de fusões que Lousto e Healy modelaram. Suas descobertas mostram não apenas como as ondas gravitacionais causadas por uma fusão de 128:1 seriam para um observador na Terra, mas também características do buraco negro fundido final, incluindo sua massa final, rodar, e velocidade de recuo. Isso gerou algumas surpresas.

"Esses buracos negros mesclados podem ter velocidades muito maiores do que as conhecidas anteriormente, "Lousto disse." Eles podem viajar às 5, 000 quilômetros por segundo. Eles saem de uma galáxia e vagam pelo universo. Essa é outra previsão interessante. "

Os pesquisadores também calcularam as formas de onda gravitacionais - o sinal que seria percebido perto da Terra - para essas fusões, incluindo sua frequência de pico, amplitude, e luminosidade. Comparando esses valores com previsões de modelos científicos existentes, suas simulações estavam dentro de 2 por cento dos resultados esperados.

Anteriormente, a maior proporção de massa já resolvida com alta precisão foi de 16 para 1 - oito vezes menos extrema do que a simulação de Lousto. O desafio de simular razões de massa maiores é que isso requer resolver a dinâmica dos sistemas de interação em escalas adicionais.

Como modelos de computador em muitos campos, Lousto usa um método chamado refinamento de malha adaptável para obter modelos precisos da dinâmica dos buracos negros em interação. Envolve colocar os buracos negros, o espaço entre eles, e o observador distante (nós) em uma grade ou malha, e refinar as áreas da malha com mais detalhes onde for necessário.

A equipe de Lousto abordou o problema com uma metodologia que ele compara ao primeiro paradoxo de Zenão. Reduzindo pela metade e pela metade a proporção de massa enquanto adiciona níveis de refinamento da grade interna, eles foram capazes de ir de proporções de massa de buracos negros de 32:1 para sistemas binários de 128:1 que passam por 13 órbitas antes da fusão. Em Frontera, exigiu sete meses de computação constante.

"Frontera era a ferramenta perfeita para o trabalho, "Lousto disse." Nosso problema requer processadores de alto desempenho, comunicação, e memória, e Frontera tem todos os três. "

A simulação não é o fim da linha. Os buracos negros podem ter uma variedade de rotações e configurações, que impactam a amplitude e frequência das ondas gravitacionais que sua fusão produz. Lousto gostaria de resolver as equações mais 11 vezes para obter uma boa primeira gama de "modelos" possíveis para comparar com futuras detecções.

Os resultados ajudarão os projetistas de futuros detectores de ondas gravitacionais baseados na Terra e no espaço a planejar seus instrumentos. Isso inclui avançado, detectores de ondas gravitacionais terrestres de terceira geração e a Antena Espacial do Interferômetro a Laser (LISA), cujo lançamento está previsto para meados da década de 2030.

A pesquisa também pode ajudar a responder a mistérios fundamentais sobre buracos negros, por exemplo, como alguns podem crescer tanto - milhões de vezes a massa do Sol.

"Os supercomputadores nos ajudam a responder a essas perguntas, "Lousto disse." E os problemas inspiram novas pesquisas e passam a tocha para a próxima geração de alunos. "