求解碰撞黑洞的一般相对性方程

仍然来自一个带有128：1质量比的二元黑洞的动画，显示最终引力波的开始。

罗切斯特理工学院科学家在Frontera上首次进行大型质量比黑洞合并的首次模拟。

求解碰撞黑洞的一般相对性方程并不简单。

物理学家开始使用超级计算机在20世纪60年代获得这一着名难题的解决方案。2000年，没有解决方案，kip thorne，2018年诺贝尔劳保尔和利罗的设计师之一，着名的赌注在达到数值溶液之前会有引力波观察。

他在2005年在德克萨斯州德克萨斯大学的德克萨斯大学时，他丢失了这个赌注，他的团队在德克萨斯高级计算中心使用Lonestar SuperComputer产生了解决方案。（同时，NASA和CALTECH派生的独立解决方案组。）

2015年，当激光干涉仪重力波观测台（Ligo）首次观察到这种波时，LOUSTO震惊。

“我们花了两周时间来实现这一目标是真正来自大自然而不是将我们的模拟作为考试输入，”罗切斯特理工学院数学教授（RIT）数学教授说。“与我们的模拟的比较是如此明显。你可以看到你裸露的眼睛，这是两个黑洞的合并。“

LOUSTO再次回到新的数值相对性里程碑，这次模拟合并的黑洞，其中较大的黑洞的质量与较小的比率为128至1 - 在计算可能的基础上的一个科学问题。他的秘密武器：TACC的Frontera超级计算机，世界上最强大的超级计算机以及任何大学最快的超级计算机。

他与国家科学基金会（NSF）支持的合作伙伴詹姆斯Healy的研究发表于本周的物理审查信。可能需要几十年来通过实验证实结果，但尽管如此，它可以作为计算成果，这将有助于推动天体物理学领域的前进。

近近黑洞天际的曲率的彩色地图，由近乎合并小黑洞产生。

“具有非常不同的群众的黑洞对黑洞对是非常有资金苛刻的，因为需要在广泛的网格决议中保持准确性，”NSF的重力物理学计划总监Pedro Marronetti说。“RIT集团在这一领域进行了世界上最先进的模拟，每个人都将我们更接近理解观察，以至于引力波检测器将在不久的将来提供。”

Ligo只能检测由大致相同的小和中间质量黑洞引起的引力波。将观察者们持续100倍，以检测弹力的类型，并且堆积有模型。他们的研究结果不仅显示了128：1合并引起的引力波会看起来像在地球上的观察者，也是终极合并的黑洞的特征，包括其最终质量，旋转和反冲速度。这些导致了一些惊喜。

“这些合并的黑洞可以具有比以前所知的速度要大得多，”LOUSTO说。“他们可以每秒5,000公里旅行。他们从一个星系中踢出了一个星系并在宇宙中徘徊。这是另一个有趣的预测。“

研究人员还计算了引力波形 - 将在地球附近感知的信号 - 用于这种合并，包括它们的峰值频率，幅度和发光度。将这些值与现有科学模型的预测进行比较，他们的模拟占预期结果的2％。

以前，以高精度解决的最大质量比率为16至1 - 八倍，而不是LOUSTO的模拟。模拟较大质量比的挑战是它需要在额外的尺度处解决交互系统的动态。

像许多领域的计算机模型一样，LOUSTO使用一种称为自适应网格精致的方法，以获得相互作用的黑洞动态的精确模型。它涉及将黑洞，它们之间的空间和远距离观察者（US）放在网格或网格上，并在需要更详细的情况下精制网状物的区域。

LOUSTO的团队通过一种与ZENO的第一个悖论的方法接近了这个问题。通过在添加内部网格细化水平的同时减半和减半，它们能够从32：1的黑洞质量比到128：1二元系统，该系统在合并之前经过13个轨道。在Frontera上，它需要七个月的恒定计算。

“Frontera是这份工作的完美工具，”LOUTEO说。“我们的问题需要高性能处理器，通信和记忆，而Frontera则拥有三个。”

模拟不是道路的尽头。黑洞可以具有各种旋转和配置，影响其合并产生的引力波的幅度和频率。LOUSTO希望再次解决方程式11，以获得良好的第一级可能的“模板”，以比较未来的检测。

结果将有助于未来的地球和空间的重力波检测器的设计者计划他们的乐器。这些包括先进的第三代地面的重力波检测器和激光干涉仪空间天线（LISA），其在20世纪30年代中期的推出中被定位。

该研究也可能有助于回答关于黑洞的基本谜团，例如有些人可以生长如此大 - 太阳质量的数百万次。

“超级计算机有助于我们回答这些问题，”LOUSTO说。“问题激发了新的研究并将火炬传递给下一代学生。”

参考：通过Carlos O. LOUSTO和JAMES HEALY，2020年11月5日的物理评论信，
探索小质量比例二元比例二元黑洞合并.2020：10.1103 / physrevlett.125.191102