Tin tức Vũ trụ TV

Siêu máy tính Frontera lần đầu tiên mô hình hóa sự hợp nhất lỗ đen của hai lỗ đen với kích thước rất khác nhau

Ngày:
Th11 07, 2020
Tóm lược:

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng siêu máy tính Frontera để lần đầu tiên mô hình hóa sự hợp nhất lỗ đen của hai lỗ đen với kích thước rất khác nhau (128: 1). Nghiên cứu đòi hỏi bảy tháng liên tục tính toán. Các kết quả dự đoán các sóng hấp dẫn mà sự hợp nhất như vậy sẽ tạo ra, cũng như các đặc điểm của lỗ đen được hợp nhất.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Giải các phương trình của thuyết tương đối rộng cho các lỗ đen va chạm không phải là vấn đề đơn giản.

Các nhà vật lý bắt đầu sử dụng siêu máy tính để tìm ra giải pháp cho vấn đề nổi tiếng khó nhằn này vào những năm 1960. Vào năm 2000, không có giải pháp nào trong tầm mắt, Kip Thorne, người đoạt giải Nobel 2018 và là một trong những nhà thiết kế của LIGO, nổi tiếng cá rằng sẽ có một quan sát về sóng hấp dẫn trước khi có một giải pháp số.

Ông đã thua vụ cá cược đó, vào năm 2005, Carlos Lousto, lúc đó đang làm việc tại Đại học Texas tại Brownsville, và nhóm của ông đã tạo ra một giải pháp bằng cách sử dụng siêu máy tính Lonestar tại Trung tâm Máy tính Tiên tiến Texas. (Đồng thời, các nhóm tại NASA và Caltech đã đưa ra các giải pháp độc lập.)

Vào năm 2015, khi Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) lần đầu tiên quan sát thấy những sóng như vậy, Lousto đã bị sốc.

Lousto, hiện là giáo sư toán học tại Học viện Công nghệ Rochester (RIT), cho biết: “Chúng tôi đã mất hai tuần để nhận ra điều này thực sự đến từ tự nhiên chứ không phải từ việc nhập mô phỏng của chúng tôi như một bài kiểm tra. “So sánh với mô phỏng của chúng tôi quá rõ ràng. Bạn có thể nhìn thấy bằng mắt thường rằng đó là sự hợp nhất của hai lỗ đen.”

Lousto đã trở lại một lần nữa với một cột mốc thuyết tương đối số mới, lần này mô phỏng việc hợp nhất các lỗ đen trong đó tỷ lệ khối lượng của lỗ đen lớn hơn với lỗ nhỏ hơn là 128 trên 1 – một vấn đề khoa học ở giới hạn tính toán rất cao. Vũ khí bí mật của ông: siêu máy tính Frontera tại TACC, siêu máy tính mạnh thứ tám trên thế giới và nhanh nhất ở bất kỳ trường đại học nào.

Nghiên cứu của ông với cộng tác viên James Healy, được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF), đã được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters tuần này. Có thể cần nhiều thập kỷ để xác nhận kết quả bằng thực nghiệm, nhưng dù sao nó vẫn là một thành tựu tính toán giúp thúc đẩy lĩnh vực vật lý thiên văn phát triển.

Bản đồ màu của độ cong trên đường chân trời lỗ đen lớn được tạo ra bởi lỗ đen nhỏ gần hợp nhất. [Tín dụng: Nicole Rosato]
Bản đồ màu của độ cong trên đường chân trời lỗ đen lớn được tạo ra bởi lỗ đen nhỏ gần hợp nhất.
[Tín dụng: Nicole Rosato]

Pedro Marronetti, giám đốc chương trình vật lý hấp dẫn tại NSF cho biết: “Việc lập mô hình các cặp lỗ đen có khối lượng rất khác nhau đòi hỏi rất nhiều tính toán vì cần phải duy trì độ chính xác ở nhiều độ phân giải lưới”. “Nhóm RIT đã thực hiện các mô phỏng tiên tiến nhất trên thế giới trong lĩnh vực này và mỗi mô phỏng trong số họ đưa chúng ta đến gần hơn với những quan sát mà các máy dò sóng hấp dẫn sẽ cung cấp trong tương lai gần.”

LIGO chỉ có thể phát hiện ra sóng hấp dẫn gây ra bởi các lỗ đen khối lượng nhỏ và trung bình có kích thước gần bằng nhau. Sẽ cần đến các đài quan sát nhạy hơn 100 lần để phát hiện kiểu sáp nhập mà Lousto và Healy đã mô phỏng. Phát hiện của họ không chỉ cho thấy sóng hấp dẫn gây ra bởi sự hợp nhất 128: 1 sẽ trông như thế nào đối với một người quan sát trên Trái đất, mà còn cả các đặc điểm của lỗ đen cuối cùng được hợp nhất bao gồm khối lượng cuối cùng, tốc độ quay và độ giật của nó. Điều này dẫn đến một số bất ngờ.

Lousto nói: “Những lỗ đen hợp nhất này có thể có tốc độ lớn hơn nhiều so với những gì đã biết trước đây. “Chúng có thể di chuyển với tốc độ 5.000 km / giây. Chúng bay ra khỏi một thiên hà và đi lang thang trong vũ trụ. Đó là một dự đoán thú vị khác.”

Các nhà nghiên cứu cũng tính toán các dạng sóng hấp dẫn – tín hiệu sẽ được cảm nhận ở gần Trái đất – cho những sự hợp nhất như vậy, bao gồm tần số cực đại, biên độ và độ sáng của chúng. So sánh các giá trị đó với các dự đoán từ các mô hình khoa học hiện có, các mô phỏng của chúng nằm trong khoảng 2% so với kết quả mong đợi.

Trước đây, tỷ lệ khối lượng lớn nhất từng được giải với độ chính xác cao thấp hơn từ 16 đến 1 – tám lần so với mô phỏng của Lousto. Thách thức của việc mô phỏng tỷ lệ khối lượng lớn hơn là nó đòi hỏi phải giải quyết các động lực của các hệ thống tương tác ở các quy mô bổ sung.

Giống như các mô hình máy tính trong nhiều lĩnh vực, Lousto sử dụng một phương pháp gọi là sàng lọc lưới thích ứng để có được các mô hình chính xác về động lực học của các lỗ đen tương tác. Nó liên quan đến việc đặt các lỗ đen, khoảng không giữa chúng và người quan sát ở xa (chúng ta) trên một lưới hoặc lưới và tinh chỉnh các vùng của lưới với độ chi tiết cao hơn ở những nơi cần thiết.

Vẫn là hình ảnh động về cảm hứng của một lỗ đen nhị phân với tỷ lệ khối lượng 128: 1 cho thấy sự bắt đầu của đợt bùng nổ cuối cùng của sóng hấp dẫn. [Nguồn: Carlos Lousto, James Healy, RIT.]
Vẫn là hình ảnh động về cảm hứng của một lỗ đen nhị phân với tỷ lệ khối lượng 128: 1 cho thấy sự bắt đầu của đợt bùng nổ cuối cùng của sóng hấp dẫn.
[Nguồn: Carlos Lousto, James Healy, RIT.]

Nhóm của Lousto đã tiếp cận vấn đề bằng một phương pháp mà anh ta so sánh với nghịch lý đầu tiên của Zeno. Bằng cách giảm một nửa và giảm một nửa tỷ lệ khối lượng trong khi thêm các cấp độ tinh chỉnh của lưới nội bộ, chúng có thể đi từ tỷ lệ khối lượng lỗ đen 32: 1 thành hệ thống nhị phân 128: 1 trải qua 13 quỹ đạo trước khi hợp nhất. Trên Frontera, nó yêu cầu bảy tháng tính toán liên tục.

“Frontera là công cụ hoàn hảo cho công việc,” Lousto nói. “Vấn đề của chúng tôi yêu cầu bộ xử lý hiệu suất cao, giao tiếp và bộ nhớ, và Frontera có cả ba.”

Mô phỏng không phải là cuối con đường. Các lỗ đen có thể có nhiều vòng quay và cấu hình khác nhau, tác động đến biên độ và tần số của sóng hấp dẫn mà sự hợp nhất của chúng tạo ra. Lousto muốn giải các phương trình thêm 11 lần nữa để có được một loạt các “mẫu” đầu tiên tốt nhất có thể để so sánh với các phát hiện trong tương lai.

Kết quả sẽ giúp các nhà thiết kế máy dò sóng hấp dẫn trên Trái đất và không gian trong tương lai lập kế hoạch cho các thiết bị của họ. Chúng bao gồm máy dò sóng hấp dẫn dựa trên mặt đất tiên tiến, thế hệ thứ ba và Ăng-ten không gian giao thoa kế laser (LISA), được nhắm mục tiêu phóng vào giữa những năm 2030.

Nghiên cứu cũng có thể giúp giải đáp những bí ẩn cơ bản về lỗ đen, chẳng hạn như làm thế nào một số có thể phát triển lớn đến vậy – gấp hàng triệu lần khối lượng Mặt trời.

“Siêu máy tính giúp chúng tôi trả lời những câu hỏi này,” Lousto nói thêm. “Và các vấn đề truyền cảm hứng cho nghiên cứu mới và truyền ngọn đuốc cho thế hệ sinh viên tiếp theo.”


Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Texas tại Trung tâm Máy tính Nâng cao Austin, Texas . Bản gốc do Aaron Dubrow viết. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa theo kiểu và độ dài.


Tham khảo Tạp chí :

  1. Carlos O. Lousto, James Healy. Khám phá sự hợp nhất lỗ đen nhị phân theo tỷ lệ khối lượng nhỏ thông qua Phương pháp tiếp cận lưỡng phân của Zeno . Tạp chí Vật lý , năm 2020; 125 (19) DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.191102

Bài viết liên quan

Bài viết mới