Resolver ecuaciones de relatividad general para agujeros negros en colisión

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Resolver las ecuaciones de la relatividad general para la colisión de agujeros negros no es una tarea fácil.

Ya en la década de 1960, los físicos comenzaron a usar supercomputadoras para encontrar soluciones a este problema notoriamente difícil. En 2000, sin soluciones a la vista, Kip Thorne, premio Nobel de 2018 y uno de los diseñadores de LIGOApuesto a que habría una observación de Gravitationswellen antes de llegar a una solución numérica.

Perdió esa apuesta cuando Carlos Lousto, entonces en la Universidad de Texas en Brownsville, y su equipo desarrollaron una solución usando la supercomputadora Lonestar en el Texas Advanced Computing Center en 2005. (Al mismo tiempo, grupos en NASA y soluciones independientes derivadas de Caltech.)

Cuando el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) observó tales ondas por primera vez en 2015, Lousto estaba en shock.

“Nos tomó dos semanas darnos cuenta de que esto realmente provenía de la naturaleza y no de ingresar a nuestra simulación como una prueba”, dijo Lousto, ahora profesor de matemáticas en el Instituto de Tecnología de Rochester (RIT). “La comparación con nuestras simulaciones fue tan obvia. Podían ver a simple vista que era la fusión de dos agujeros negros. ”

Lousto está de regreso con un nuevo hito en la relatividad numérica y esta vez simula la fusión de los agujeros negros, donde la relación entre la masa del agujero negro más grande y el más pequeño es de 128 a 1, un problema científico en el límite de lo que es computacionalmente posible. . Su arma secreta: la supercomputadora Frontera en TACC, la octava supercomputadora más poderosa del mundo y la más rápida de todas las universidades.

Su investigación con el colaborador James Healy, apoyada por la National Science Foundation (NSF), fue publicada en Cartas de examen físico esta semana. Puede llevar décadas confirmar los resultados de forma experimental, pero no obstante, sirve como la potencia informática que ayudará a avanzar en el campo de la astrofísica.

Mapa de colores de la curvatura en el gran horizonte del agujero negro creado por el pequeño agujero negro que se fusiona cerca. Crédito de la foto: Nicole Rosato

“Modelar pares de agujeros negros con masas muy diferentes es muy intensivo desde el punto de vista computacional porque deben mantenerse exactitud en una variedad de resoluciones de cuadrícula ”, dijo Pedro Marronetti, Director del Programa de Física Gravitacional en NSF. “El grupo RIT ha llevado a cabo las simulaciones más avanzadas del mundo en esta área, y cada una de ellas nos acerca a comprender las observaciones que proporcionarán los detectores de ondas gravitacionales en un futuro próximo”.

LIGO solo puede detectar ondas gravitacionales causadas por pequeños agujeros de masa media y media de aproximadamente el mismo tamaño. Los observatorios serán 100 veces más sensibles para detectar el tipo de fusiones modeladas por Lousto y Healy. Sus resultados revelan no solo cómo se verían las ondas gravitacionales causadas por una fusión de 128: 1 para un observador en la Tierra, sino también las propiedades del último agujero negro fusionado, incluida su masa final, giro y velocidad de retroceso. Esto llevó a algunas sorpresas.

“Estos agujeros negros fusionados pueden tener velocidades mucho mayores que las conocidas anteriormente”, dijo Lousto. “Puedes viajar a 5.000 kilómetros por segundo. Emerges de una galaxia y deambulas por el universo. Esa es otra predicción interesante. ”

Los investigadores también calcularon las formas de onda gravitacionales, la señal que se detectaría cerca de la Tierra, para tales fusiones, incluida su frecuencia máxima, amplitud y luminosidad. Cuando estos valores se compararon con las predicciones de los modelos científicos existentes, sus simulaciones estuvieron dentro del 2 por ciento de los resultados esperados.

Anteriormente, la relación de masa más grande jamás resuelta con alta precisión era de 16 a 1, ocho veces menos extrema que la simulación de Lousto. El desafío de simular proporciones de masa más grandes es que la dinámica de los sistemas que interactúan debe resolverse en escalas adicionales.

Al igual que los modelos informáticos en muchos campos, Lousto utiliza un método llamado refinamiento de malla adaptativa para obtener modelos precisos de la dinámica de los agujeros negros en interacción. El punto es poner los agujeros negros, el espacio entre ellos y el observador distante (nosotros) en una cuadrícula o malla y refinar las áreas de la malla donde se necesita con más detalle.

El equipo de Lousto abordó el problema con una metodología que compara con la primera paradoja de Zenón. Al reducir a la mitad y a la mitad la proporción de masa mientras agregaban etapas de refinamiento de la red interna, pudieron cambiar de las proporciones de masa de 32: 1 de los agujeros negros a sistemas binarios de 128: 1 que pasan por 13 órbitas antes de fusionarse. Fueron necesarios siete meses de cálculo constante en Frontera.

“Frontera fue la herramienta perfecta para el trabajo”, dijo Lousto. “Nuestro problema requiere procesadores, comunicaciones y memoria de alto rendimiento, y Frontera tiene los tres”.

La simulación no es el final del camino. Los agujeros negros pueden tener una variedad de rotaciones y configuraciones que afectan la amplitud y frecuencia de las ondas gravitacionales producidas por su fusión. A Lousto le gustaría resolver las ecuaciones once veces más para obtener un buen primer rango de posibles “plantillas” que se puedan comparar con futuras detecciones.

Los resultados ayudarán a los diseñadores de futuros detectores de ondas gravitacionales terrestres y espaciales a planificar sus instrumentos. Estos incluyen detectores avanzados de ondas gravitacionales terrestres de tercera generación y la antena espacial de interferómetro láser (LISA), que se espera que se lance a mediados de la década de 2030.

La investigación también puede ayudar a resolver acertijos básicos de agujeros negros, como por ejemplo, cómo algunos pueden llegar a ser tan grandes: un millón de veces la masa del sol.

“Las supercomputadoras nos ayudan a responder estas preguntas”, dijo Lousto. “Y los problemas inspiran nuevas investigaciones y pasan la antorcha a la próxima generación de estudiantes”.

Referencia: “Explorando la fusión binaria de agujeros negros con una pequeña proporción de masa a través del enfoque de dicotomía de Zeno” por Carlos O. Lousto y James Healy, 5 de noviembre de 2020, Cartas de examen físico.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.191102

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