Risolvere le equazioni della relatività generale per la collisione dei buchi neri non è cosa semplice.

I fisici hanno iniziato a utilizzare i supercomputer per ottenere soluzioni a questo problema notoriamente difficile negli anni '60. Nel 2000, senza soluzioni in vista, Kip Thorne, Premio Nobel 2018 e uno dei designer di LIGO, notoriamente scommetto che ci sarebbe stata un'osservazione delle onde gravitazionali prima che fosse raggiunta una soluzione numerica.

Ha perso quella scommessa quando, nel 2005, Carlos Lousto, poi all'Università del Texas a Brownsville, e il suo team ha generato una soluzione utilizzando il supercomputer Lonestar presso il Texas Advanced Computing Center. (Simultaneamente, gruppi della NASA e del Caltech hanno derivato soluzioni indipendenti.)

Nel 2015, quando il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha osservato per la prima volta tali onde, Lousto era sotto shock.

"Ci sono volute due settimane per capire che era davvero dalla natura e non dall'inserimento della nostra simulazione come test, " disse Lousto, ora professore di matematica al Rochester Institute of Technology (RIT). "Il confronto con le nostre simulazioni era così ovvio. Potevi vedere a occhi nudi che si trattava della fusione di due buchi neri".

Lousto è tornato di nuovo con una nuova pietra miliare della relatività numerica, questa volta simulando la fusione di buchi neri in cui il rapporto tra la massa del buco nero più grande e quello più piccolo è 128 a 1, un problema scientifico al limite del possibile computazionale. La sua arma segreta:il supercomputer Frontera al TACC, l'ottavo supercomputer più potente al mondo e il più veloce in qualsiasi università.

La sua ricerca con il collaboratore James Healy, sostenuto dalla National Science Foundation (NSF), è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica questa settimana. Potrebbero essere necessari decenni per confermare i risultati sperimentalmente, ma nondimeno serve come risultato computazionale che aiuterà a far progredire il campo dell'astrofisica.

"La modellazione di coppie di buchi neri con masse molto diverse è molto impegnativa dal punto di vista computazionale a causa della necessità di mantenere la precisione in un'ampia gamma di risoluzioni della griglia, " disse Pedro Marronetti, direttore del programma per la fisica gravitazionale alla NSF. "Il gruppo RIT ha eseguito le simulazioni più avanzate al mondo in questo settore, e ciascuno di essi ci avvicina alla comprensione delle osservazioni che i rivelatori di onde gravitazionali forniranno nel prossimo futuro".

LIGO è in grado di rilevare solo le onde gravitazionali causate da buchi neri di massa piccola e intermedia di dimensioni approssimativamente uguali. Ci vorranno osservatori 100 volte più sensibili per rilevare il tipo di fusioni che Lousto e Healy hanno modellato. Le loro scoperte mostrano non solo come apparirebbero le onde gravitazionali causate da una fusione 128:1 a un osservatore sulla Terra, ma anche caratteristiche dell'ultimo buco nero fuso inclusa la sua massa finale, rotazione, e velocità di rinculo. Questi hanno portato ad alcune sorprese.

"Questi buchi neri uniti possono avere velocità molto più grandi di quanto precedentemente noto, " Lousto ha detto. "Possono viaggiare alle 5, 000 chilometri al secondo. Escono da una galassia e vagano per l'universo. Questa è un'altra previsione interessante".

I ricercatori hanno anche calcolato le forme d'onda gravitazionali, il segnale che sarebbe percepito vicino alla Terra, per tali fusioni, compresa la loro frequenza di picco, ampiezza, e luminosità. Confrontando questi valori con le previsioni dei modelli scientifici esistenti, le loro simulazioni rientravano nel 2% dei risultati attesi.

In precedenza, il più grande rapporto di massa che fosse mai stato risolto con l'alta precisione era di 16 a 1, otto volte meno estremo della simulazione di Lousto. La sfida di simulare rapporti di massa più grandi è che richiede la risoluzione delle dinamiche dei sistemi interagenti su scale aggiuntive.

Come i modelli di computer in molti campi, Lousto utilizza un metodo chiamato affinamento della mesh adattiva per ottenere modelli precisi delle dinamiche dei buchi neri interagenti. Si tratta di mettere i buchi neri, lo spazio tra loro, e l'osservatore distante (noi) su una griglia o maglia, e rifinire le aree della maglia con maggior dettaglio dove è necessario.

Il team di Lousto ha affrontato il problema con una metodologia che paragona al primo paradosso di Zenone. Dimezzando e dimezzando il rapporto di massa mentre si aggiungono livelli di raffinamento della griglia interna, sono stati in grado di passare da rapporti di massa del buco nero di 32:1 a sistemi binari di 128:1 che subiscono 13 orbite prima della fusione. A Frontera, ha richiesto sette mesi di calcolo costante.

"Frontera era lo strumento perfetto per il lavoro, " Lousto ha detto. "Il nostro problema richiede processori ad alte prestazioni, comunicazione, e memoria, e Frontera li ha tutti e tre".

La simulazione non è la fine della strada. I buchi neri possono avere una varietà di spin e configurazioni, che influenzano l'ampiezza e la frequenza delle onde gravitazionali prodotte dalla loro fusione. Lousto vorrebbe risolvere le equazioni altre 11 volte per ottenere una buona prima gamma di possibili "modelli" da confrontare con rilevazioni future.

I risultati aiuteranno i progettisti dei futuri rilevatori di onde gravitazionali terrestri e spaziali a pianificare i loro strumenti. Questi includono avanzato, rilevatori di onde gravitazionali a terra di terza generazione e l'antenna spaziale interferometrica laser (LISA), il cui lancio è previsto per la metà degli anni '30.

La ricerca può anche aiutare a rispondere ai misteri fondamentali sui buchi neri, come il modo in cui alcuni possono diventare così grandi, milioni di volte la massa del Sole.

"I supercomputer ci aiutano a rispondere a queste domande, " Ha detto Lousto. "E i problemi ispirano nuove ricerche e passano il testimone alla prossima generazione di studenti".