Фізики створили найточнішу модель злиття чорних дір

Однією з найбільш катастрофічних подій, що відбуваються в космосі, є зіткнення двох чорних дір. Чорні діри, утворені в результаті колапсу масивних зірок, неймовірно компактні - людина, що знаходиться поруч з чорною дірою зіркової маси, буде відчувати гравітацію приблизно в трильйон разів сильніше, ніж на Землі. Коли два об'єкти цієї надзвичайної щільності об'єднуються і зливаються, що є досить поширеним явищем в космосі, вони випромінюють більше енергії, ніж всі зірки в галактиці.

"Уявіть собі, що ви берете 30 сонц і упаковуєте їх в регіон розміром з Гаваї. Потім візьміть два таких об'єкти і прискоріть їх до половини швидкості світла і змусьте їх стикатися. Це одна з найбільш катастрофічних подій в природі ", - говорить Віджай Варма, вчений з Каліфорнійського технологічного інституту.

У новому дослідженні, опублікованому у випуску журналу «Physical Review Letters», Варма і його колеги повідомляють про найбільш точну комп'ютерну модель кінцевої стадії злиття чорних дір, періоду, коли утворилася нова, більш масивна чорна діра. Модель, у створенні якої допомагали суперкомп'ютери і машинне навчання, або інструменти штучного інтелекту (ШІ), в кінцевому підсумку допоможе фізикам виконати більш точні тести загальної теорії відносності Ейнштейна.

«Ми можемо передбачити, що залишиться після злиття чорних дір - властивості кінцевої чорної діри, такі як її обертання і маса, - з точністю в 10-100 разів краще, ніж було можливо раніше», - кажуть дослідники. «Це важливо, тому що тести загальної теорії відносності залежать від того, наскільки добре ми можемо передбачити кінцеві стани злиття чорних дір».

Дослідження пов'язане з великими зусиллями з вивчення чорних дір за допомогою LIGO, лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії, яка увійшла в історію в 2015 році, вперше здійснивши пряме виявлення гравітаційних хвиль, випромінюваних злиттям чорних дір.

Відтоді LIGO виявив дев'ять додаткових злиттів з чорними дірами. Гравітаційні хвилі - це пульсації в просторі і часі, вперше передбачені Ейнштейном понад 100 років тому. Сама гравітація, відповідно до загальної теорії відносності, є деформацією тканини простору-часу. Коли масивні об'єкти, такі як чорні діри, прискорюються в просторі-часі, вони генерують гравітаційні хвилі.

Одна з цілей LIGO і тисяч вчених, які аналізують її дані, полягає в тому, щоб краще зрозуміти фізику зіткнень чорних дір - і використовувати ці дані, в свою чергу, для оцінки того, чи вірна загальна теорія відносності Ейнштейна в цих екстремальних умовах. Порушення теорії може відкрити двері для нових типів фізики, які ще не були придумані.

Але створення моделей колосальних подій, таких як зіткнення чорних дір, виявилося складним завданням. Оскільки чорні діри, що стикаються, розташовуються дуже близько один до одного, за кілька секунд до остаточного злиття, їх гравітаційні поля і швидкості стають екстремальними, і математика стає занадто складною для стандартних аналітичних підходів.

І тут допомагають суперкомп'ютери. Вчені скористалися майже 900 імітаціями злиття чорних дір, які раніше виконувалися групою Simulation eXtreme Spacetimes (SXS) з використанням суперкомп'ютера Wheeler в Caltech і суперкомп'ютера Blue Waters. Моделювання зайняло 20000 годин обчислювального часу. Нова програма або алгоритм машинного навчання вчених Caltech витягла уроки з моделювання і допомогла створити остаточну модель злиття.

"Тепер, коли ми створили нову модель, дослідникам не потрібно витрачати місяці на розрахунки, - говорить Віджай Варма. «Нова модель може дати вам відповіді про кінцевий стан злиття за мілісекунди».

Вчені кажуть, що їхня модель матиме особливе значення через кілька років, оскільки LIGO та інші детектори гравітаційних хвиль наступного покоління стають все більш точними у своїх вимірах.