解黑洞碰撞的广义相对论方程

最终舞蹈的不平等的黑洞合作伙伴

罗彻斯特理工学院的科学家首次模拟了大质量比黑洞合并frontera。

解决黑洞碰撞的广义相对论方程不是一件简单的事情。

早在20世纪60年代，物理学家就开始使用超级计算机来解决这个著名的难题。2000年，在看不到解决方案的情况下，2018年诺贝尔奖得主、“LIGO他打赌会有一个观察到的引力波在得到数值解之前

2005年，当时在布朗斯维尔的德克萨斯大学工作的卡洛斯·洛斯托和他的团队利用德克萨斯高级计算中心的lonstar超级计算机，提出了一个解决方案，他输了。(与此同时,组美国国家航空航天局和CALTECH派生的独立解决方案。）

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。

现在是罗彻斯特理工学院(RIT)数学教授的Lousto说:“我们花了两周时间才意识到这是真的来自大自然，而不是输入我们的模拟作为测试。”“与我们的模拟结果的对比非常明显。你可以用肉眼看到它是两个黑洞的合并。”

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。

他与詹姆斯·希利(James Healy)合作的这项研究得到了美国国家科学基金会(NSF)的支持，并发表在《科学》杂志上物理评论快报这个星期。也许需要几十年的时间来证实实验结果，但不管怎样，这是一项有助于推动天体物理学领域向前发展的计算成就。

“由于需要维护，”具有非常不同的群众的黑洞对黑洞对非常苛刻准确性美国国家科学基金会引力物理学项目主任Pedro Marronetti说。“RIT集团在这一领域进行了世界上最先进的模拟，每一次模拟都使我们更接近于理解引力波探测器在不久的将来将提供的观测结果。”

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。

“这些合并的黑洞的速度可能比我们之前知道的要大得多，”Lousto说。“它们可以以每秒5000公里的速度移动。它们从一个星系中被踢出来，在宇宙中漫游。这是另一个有趣的预测。”

研究人员还计算了引力波的形式——在地球附近可以感知到的信号——这些合并，包括它们的峰值频率、振幅和光度。与现有科学模型的预测值相比，他们的模拟结果与预期结果相差不到2%。

在此之前，曾经高精度求解过的最大质量比是16比1——比Lousto模拟的极限低8倍。模拟更大质量比的挑战在于，它需要在额外的尺度上解决相互作用系统的动力学问题。

就像许多领域的计算机模型一样，Lousto使用了一种被称为自适应网格细化的方法来获得相互作用的黑洞的精确动力学模型。它包括把黑洞，它们之间的空间，和遥远的观察者(我们)放在一个网格或网格上，并在需要的地方用更详细的细节精炼网格的区域。

洛斯托的团队用与芝诺的第一个悖论相比较的方法解决了这个问题。通过将质量比减半，同时增加内部网格的细化级别，他们能够从32:1的黑洞质量比上升到128:1的双星系统，在合并前经历13个轨道。在Frontera上，它需要7个月的持续计算。

“弗朗特拉是这项工作的完美工具，”洛斯托说。“我们的问题是需要高性能的处理器、通信和内存，而弗朗特拉这三者都具备。”

模拟并不是道路的尽头。黑洞可以有各种各样的自旋和构型，它们会影响它们合并产生的引力波的振幅和频率。洛斯托想要再解11次方程式，以得到一个良好的第一批可能的“模板”，与未来的探测结果进行比较。

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。

“超级计算机帮助我们回答这些问题，”洛斯托说。“这些问题会激发新的研究，并将火炬传递给下一代学生。”

参考：“通过Zeno的二分法方法探索小质量比例二元黑洞合并”Carlos O. LOUSTO和JAMES HELLY，2020年11月5日，物理评论快报。
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.191102