Uno degli eventi più catastrofici che si verificano nel cosmo riguarda la collisione di due buchi neri. Formata dal crollo mortale di stelle massicce, i buchi neri sono incredibilmente compatti:una persona in piedi vicino a un buco nero di massa stellare sentirebbe la gravità circa un trilione di volte più forte di quanto farebbe sulla Terra. Quando due oggetti di questa densità estrema si intrecciano e si fondono, un evento abbastanza comune nello spazio, irradiano più potenza di tutte le stelle dell'universo.

"Immagina di prendere 30 soli e inserirli in una regione delle dimensioni delle Hawaii. Quindi prendi due di questi oggetti e accelerali a metà della velocità della luce e falli scontrare. Questo è uno degli eventi più violenti in natura, "dice Vijay Varma, uno studente laureato al Caltech.

In un nuovo studio nel numero dell'11 gennaio della rivista Lettere di revisione fisica , Varma e i suoi colleghi riportano il modello computerizzato più accurato mai realizzato della fase finale delle fusioni di buchi neri, un periodo in cui un nuovo, si è formato un buco nero più massiccio. Il modello, che è stato aiutato da supercomputer e apprendimento automatico, o strumenti di intelligenza artificiale (AI), alla fine aiuterà i fisici a eseguire test più precisi della teoria della relatività generale di Einstein.

"Possiamo prevedere cosa rimane dopo una fusione di buchi neri - proprietà del buco nero finale come la sua rotazione e massa - con una precisione da 10 a 100 volte migliore di quella che era possibile prima, " afferma il co-autore Davide Gerosa, un Einstein Postdoctoral Fellow in Astrofisica Teorica al Caltech. "Questo è importante perché i test della relatività generale dipendono da quanto bene possiamo prevedere gli stati finali delle fusioni dei buchi neri".

La ricerca è correlata a uno sforzo più ampio per studiare i buchi neri con LIGO, l'Osservatorio delle onde gravitazionali dell'interferometro laser, che ha fatto la storia nel 2015 effettuando la prima rilevazione diretta delle onde gravitazionali emesse da una fusione di buchi neri. Da allora, LIGO ha rilevato nove ulteriori fusioni di buchi neri. Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio e nel tempo, predetto per la prima volta da Einstein più di 100 anni fa. La gravità stessa, secondo la relatività generale, è una deformazione del tessuto dello spaziotempo. Quando oggetti enormi come i buchi neri accelerano attraverso lo spaziotempo, generano onde gravitazionali.

Uno degli obiettivi di LIGO e delle migliaia di scienziati che analizzano i suoi dati è comprendere meglio la fisica delle collisioni tra buchi neri e utilizzare questi dati, a sua volta, per valutare se la teoria della relatività generale di Einstein è ancora vera in queste condizioni estreme. Una rottura della teoria potrebbe aprire la porta a nuovi tipi di fisica non ancora immaginati.

Ma creare modelli di eventi colossali come le collisioni di buchi neri si è rivelato un compito arduo. Man mano che i buchi neri in collisione diventano molto vicini l'uno all'altro, pochi secondi prima della fusione finale, i loro campi gravitazionali e le loro velocità diventano estremi e la matematica diventa troppo complessa per gli approcci analitici standard.

"Quando si tratta di modellare queste fonti, si può usare l'approccio carta e penna per risolvere le equazioni di Einstein durante le prime fasi della fusione quando i buchi neri si muovono a spirale l'uno verso l'altro, " dice Varma. "Tuttavia, questi schemi crollano in prossimità della fusione. Le simulazioni che utilizzano le equazioni della relatività generale sono l'unico mezzo per prevedere con precisione l'esito del processo di fusione".

È qui che i supercomputer aiutano. Il team ha sfruttato quasi 900 simulazioni di fusione di buchi neri precedentemente eseguite dal gruppo Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) utilizzando il supercomputer Wheeler al Caltech (supportato dalla Sherman Fairchild Foundation) e il supercomputer Blue Waters presso il National Center for Supercomputing Applications (NCSA). ) presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. Le simulazioni hanno richiesto 20, 000 ore di tempo di calcolo. Il nuovo programma di apprendimento automatico degli scienziati del Caltech, o algoritmo, imparato dalle simulazioni e aiutato a creare il modello finale.

"Ora che abbiamo costruito il nuovo modello, non devi metterci mesi, " dice Varma. "Il nuovo modello può darti risposte sullo stato finale delle fusioni in millisecondi".

I ricercatori dicono che il loro modello sarà di particolare importanza tra qualche anno, poiché LIGO e altri rivelatori di onde gravitazionali di nuova generazione diventano sempre più precisi nelle loro misurazioni. "Nei prossimi anni o giù di lì, i rivelatori di onde gravitazionali avranno meno rumore, " dice Gerosa. "Gli attuali modelli delle proprietà finali del buco nero non saranno abbastanza precisi in quella fase, ed è qui che il nostro nuovo modello può davvero dare una mano".

Il Lettere di revisione fisica studio è intitolato "Massa ad alta precisione, rotazione, e previsioni di rinculo di generici resti di fusioni di buchi neri".