Um dos eventos mais cataclísmicos que ocorrem no cosmos envolve a colisão de dois buracos negros. Formado a partir do colapso mortal de estrelas massivas, os buracos negros são incrivelmente compactos - uma pessoa próxima a um buraco negro de massa estelar sentiria a gravidade cerca de um trilhão de vezes mais forte do que na Terra. Quando dois objetos desta densidade extrema espiralam juntos e se fundem, uma ocorrência bastante comum no espaço, eles irradiam mais poder do que todas as estrelas do universo.

"Imagine pegar 30 sóis e colocá-los em uma região do tamanho do Havaí. Em seguida, pegue dois desses objetos e acelere-os até a metade da velocidade da luz e faça-os colidir. Este é um dos eventos mais violentos da natureza, "diz Vijay Varma, um estudante de graduação na Caltech.

Em um novo estudo na edição de 11 de janeiro da revista Cartas de revisão física , Varma e seus colegas relatam o modelo de computador mais preciso até então do estágio final das fusões de buracos negros, um período quando um novo, um buraco negro mais massivo se formou. O modelo, que foi auxiliado por supercomputadores e aprendizado de máquina, ou ferramentas de inteligência artificial (IA), acabará por ajudar os físicos a realizar testes mais precisos da teoria geral da relatividade de Einstein.

"Podemos prever o que resta após a fusão do buraco negro - propriedades do buraco negro final, como seu spin e massa - com uma precisão de 10 a 100 vezes melhor do que era possível antes, "diz o co-autor Davide Gerosa, um Einstein Postdoctoral Fellow in Theoretical Astrophysics at Caltech. "Isso é importante porque os testes de relatividade geral dependem de quão bem podemos prever os estados finais das fusões de buracos negros."

A pesquisa está relacionada a um esforço maior para estudar buracos negros com o LIGO, o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser, que fez história em 2015 ao fazer a primeira detecção direta de ondas gravitacionais emitidas por uma fusão de buraco negro. Desde então, O LIGO detectou nove fusões de buracos negros adicionais. As ondas gravitacionais são ondulações no espaço e no tempo, previsto pela primeira vez por Einstein há mais de 100 anos. A própria gravidade, de acordo com a relatividade geral, é uma urdidura do tecido do espaço-tempo. Quando objetos massivos, como buracos negros, aceleram no espaço-tempo, eles geram ondas gravitacionais.

Um dos objetivos do LIGO e dos milhares de cientistas que analisam seus dados é entender melhor a física das colisões de buracos negros - e usar esses dados, por sua vez, para avaliar se a teoria geral da relatividade de Einstein ainda é válida sob essas condições extremas. Um colapso da teoria pode abrir a porta para novos tipos de física ainda não imaginados.

Mas criar modelos de eventos colossais, como colisões de buracos negros, provou ser uma tarefa assustadora. À medida que os buracos negros em colisão ficam muito próximos uns dos outros, segundos antes da fusão final, seus campos gravitacionais e velocidades tornam-se extremos e a matemática torna-se muito complexa para abordagens analíticas padrão.

"Quando se trata de modelar essas fontes, pode-se usar a abordagem de caneta e papel para resolver as equações de Einstein durante os estágios iniciais da fusão, quando os buracos negros estão espiralando um em direção ao outro, "diz Varma." No entanto, esses esquemas se desfazem perto da fusão. Simulações usando as equações da relatividade geral são os únicos meios de prever com precisão o resultado do processo de fusão. "

É aí que os supercomputadores ajudam. A equipe aproveitou as vantagens de quase 900 simulações de fusão de buracos negros executadas anteriormente pelo grupo Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) usando o supercomputador Wheeler da Caltech (apoiado pela Sherman Fairchild Foundation) e o supercomputador Blue Waters no National Center for Supercomputing Applications (NCSA ) na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. As simulações levaram 20, 000 horas de tempo de computação. O novo programa de aprendizado de máquina dos cientistas do Caltech, ou algoritmo, aprendi com as simulações e ajudei a criar o modelo final.

"Agora que construímos o novo modelo, voce nao precisa levar meses, "diz Varma." O novo modelo pode dar respostas sobre o estado final das fusões em milissegundos. "

Os pesquisadores afirmam que seu modelo terá particular importância em alguns anos, à medida que o LIGO e outros detectores de ondas gravitacionais da próxima geração se tornam cada vez mais precisos em suas medições. "Nos próximos anos ou mais, detectores de ondas gravitacionais terão menos ruído, "diz Gerosa." Os modelos atuais das propriedades finais do buraco negro não serão precisos o suficiente nessa fase, e é aí que nosso novo modelo pode realmente ajudar. "

o Cartas de revisão física estudo é intitulado "Massa de alta precisão, rodar, e previsões de recuo de remanescentes genéricos de fusões de buracos negros. "