Anche dopo la misurazione diretta delle loro onde gravitazionali, ci sono ancora misteri che circondano i buchi neri. Cosa succede quando due buchi neri si fondono, o quando le stelle si scontrano con un buco nero? Questo è stato ora simulato dai ricercatori dell'Università Goethe di Francoforte e dell'Istituto di studi avanzati di Francoforte (FIAS) utilizzando un nuovo metodo numerico. Il codice di simulazione "ExaHyPE" è progettato in modo tale da poter calcolare le onde gravitazionali sulla futura generazione di supercomputer a esascala.
La sfida nella simulazione dei buchi neri risiede nella necessità di risolvere il complesso sistema di equazioni di Einstein. Questo può essere fatto solo numericamente e sfruttando la potenza dei supercomputer paralleli. La precisione e la rapidità con cui una soluzione può essere approssimata dipende dall'algoritmo utilizzato. In questo caso, il team guidato dal professor Luciano Rezzolla dell'Istituto di Fisica Teorica dell'Università Goethe e della FIAS ha raggiunto un traguardo. Oltre il lungo termine, questo lavoro teorico potrebbe ampliare le possibilità sperimentali per rilevare le onde gravitazionali da altri corpi astronomici oltre ai buchi neri.
Il nuovo metodo numerico, che impiega le idee del fisico russo Galerkin, permette il calcolo delle onde gravitazionali su supercomputer con altissima precisione e velocità. "Raggiungendo questo risultato, che è stato l'obiettivo di molti gruppi in tutto il mondo per molti anni, non è stato facile, " afferma il Prof. Rezzolla. "Sebbene ciò che abbiamo realizzato sia solo un piccolo passo verso la modellazione di buchi neri realistici, ci aspettiamo che il nostro approccio diventi il paradigma di tutti i calcoli futuri."
Computer Exascale:veloci quanto il cervello umano?
Il team di Rezollas fa parte di una collaborazione a livello europeo con l'obiettivo di sviluppare un codice di simulazione numerica per le onde gravitazionali, "ExaHyPE", che possono sfruttare la potenza dei supercomputer "exascale". Anche se non sono ancora stati costruiti, scienziati di tutto il mondo stanno già studiando come utilizzare le macchine exascale. Questi supercomputer rappresentano la futura evoluzione degli odierni supercomputer "petascale", e dovrebbero essere in grado di eseguire tante operazioni aritmetiche al secondo quanti sono gli insetti sulla Terra. Questo è un numero con 18 zeri e si presume che tali supercomputer saranno paragonabili alla capacità del cervello umano.
In attesa che vengano costruiti i primi computer "exascale", gli scienziati di ExaHyPE stanno già testando il loro software nei più grandi centri di supercalcolo disponibili in Germania. I più grandi sono quelli del centro di supercalcolo Leibniz LRZ a Monaco di Baviera, e il centro di calcolo ad alte prestazioni HLRS a Stoccarda. Questi computer sono già costruiti con più di 100, 000 processori e presto diventerà molto più grande.
Simulazione di tsunami e terremoti
A causa delle analogie nelle equazioni sottostanti, i nuovi algoritmi matematici consentono lo studio di tsunami e terremoti oltre a oggetti astrofisici compatti come buchi neri e stelle di neutroni. Sviluppare i nuovi algoritmi informatici, che sarà in grado di descrivere matematicamente i solidi, liquidi e gas all'interno delle teorie dell'elettromagnetismo e della gravitazione, è l'obiettivo del progetto di ricerca finanziato dalla Commissione Europea attraverso il Programma di Ricerca e Innovazione Horizon 2020 dell'Unione Europea. Gli scienziati con sede a Francoforte lavorano a stretto contatto con i colleghi di Monaco (Germania), Trento (Italia) e Durham (Gran Bretagna).
"L'aspetto più entusiasmante del progetto ExaHyPE è la combinazione unica di fisica teorica, matematica applicata e informatica, "dice il professor Michael Dumbser, capogruppo di Matematica Applicata a Trento. "Solo la combinazione di queste tre diverse discipline ci consente di sfruttare il potenziale dei supercomputer per comprendere la complessità dell'universo".
