Физики используют суперкомпьютеры и ИИ, чтобы создать самую точную модель слияния черных дыр

Прочитано: 158 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Оценок пока нет)
Loading ... Loading ...


Одним из самых катастрофических событий, происходящих в космосе, является столкновение двух черных дыр. Черные дыры, образовавшиеся в результате смертельного коллапса массивных звезд, невероятно компактны: человек, стоящий рядом с черной дырой звездной массы, почувствует гравитацию примерно в триллион раз сильнее, чем на Земле. Когда два объекта этой чрезвычайной плотности спирально сливаются и сливаются, что является довольно распространенным явлением в космосе, они излучают больше энергии, чем все звезды во вселенной.

«Представьте себе, что вы берете 30 солнц и упаковываете их в область размером с Гавайи. Затем возьмите два таких объекта и ускорьте их до половины скорости света и заставьте их сталкиваться. Это одно из самых жестоких событий в природе», — говорит Виджай Варма. , аспирант в Калифорнийском технологическом институте.

В новом исследовании, опубликованном в выпуске журнала « Physical Review Letters» от 11 января , Варма и его коллеги сообщают о наиболее точной компьютерной модели конечной стадии слияния черных дыр, периода, когда образовалась новая, более массивная черная дыра. Модель, 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 чёрной дыры — свойства окончательной чёрной дыры, такие как ее вращение и масса, — с точностью в 10–100 раз лучше, чем было возможно раньше», — говорит соавтор Davide Gerosa, постдокторант Einstein Научный сотрудник по теоретической астрофизике в Калифорнийском технологическом институте. «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, в свою очередь, использовать эти данные, чтобы оценить, сохраняет ли справедливость общая теория относительности Эйнштейна в этих экстремальных условиях. Разрушение теории может открыть двери для новых типов физики, которые еще не были придуманы.

Но создание моделей колоссальных событий, таких как столкновения с черными дырами, оказалось сложной задачей. Поскольку сталкивающиеся черные дыры становятся 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.

«Когда дело доходит до моделирования этих источников, можно использовать бумажный подход для решения уравнений Эйнштейна на ранних стадиях слияния, когда черные дыры движутся навстречу друг другу», — говорит Варма. «Однако эти схемы разрушаются вблизи слияния. Моделирование с использованием уравнений общей теории относительности является единственным средством точного прогнозирования результатов процесса слияния».

Вот где помогают суперкомпьютеры. Команда воспользовалась почти 900 имитациями слияния чёрных дыр, которые ранее выполнялись группой Simulation eXtreme Spacetimes (SXS) с использованием суперкомпьютера Wheeler в Caltech (при поддержке Фонда Шермана Фэрчайлда) и суперкомпьютера Blue Waters в Национальном центре суперкомпьютерных приложений (NCSA). ) в университете штата Иллинойс в Урбана-Шампейн. Моделирование заняло 20000 часов вычислительного времени. Новая программа или алгоритм машинного обучения ученых Caltech извлекла уроки из моделирования и помогла создать окончательную модель.

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

Исследователи 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. «В течение следующих нескольких лет детекторы гравитационных волн будут иметь меньше шума», — говорит Героса. «Текущие модели окончательных свойств черной дыры не будут достаточно точными на этом этапе, и в этом наша новая модель действительно может помочь».

Исследование Physical Review Letters называется «Высокоточные прогнозы массы, вращения и отдачи общих остатков слияния черных дыр ».

Физики используют суперкомпьютеры и ИИ, чтобы создать самую точную модель слияния черных дыр



Новости партнеров

Загрузка...