迄今为止最精确的黑洞合并模拟，由超级计算机和人工智能创建！

2019-03-24 22:35发布

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宇宙中发生的最剧烈事件之一是涉及两个黑洞的碰撞。黑洞形成的可能之一是由大质量恒星死亡坍缩形成，黑洞的致密程度令人难以置信：一个人站在一个恒星质量的黑洞附近，感受到的引力要比在地球上感受到的引力大1万亿倍。当两个密度如此之大的物体螺旋形地结合在一起时(这在太空中相当常见)，它们辐射出的能量比宇宙中所有的恒星都要大。想象一下，把30个太阳打包压缩成一个夏威夷那么大的区域。然后拿两个这样的物体，把它们加速到光速的一半，让它们碰撞。这是自然界中最暴力的事件之一。在2019年1月11日出版的《物理评论快报》上发表的一项新研究中，瓦尔马和同事报告了迄今为止最精确的黑洞合并末期计算机模型。

博科园-科学科普：这个模型得到了超级计算机和人工智能机器学习(AI)工具的帮助，最终将帮助物理学家对爱因斯坦的广义相对论进行更精确检验。合著者、加州理工学院理论天体物理学博士后大卫·德·杰罗萨(Davide Gerosa)说：我们可以预测黑洞合并后剩下的东西（最后一个黑洞的性质，比如它的自旋和质量）其准确度是以前可能的10到100倍，这很重要，因为广义相对论的检验取决于我们能多好地预测黑洞合并的最终状态。这项研究与激光干涉引力波天文台LIGO对黑洞的更大研究有关。LIGO在2015年创造了历史，首次直接探测到黑洞合并发出的引力波，从那以后，LIGO又发现了9个黑洞合并。

这是一张模拟两个正在合并黑洞的概念图，每个黑洞的质量大约为30个太阳。这大概就是如果人类能够乘坐宇宙飞船近距离观察黑洞的合并，他们会看到的景象。图片：SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project (black-holes)

引力波是空间和时间的涟漪，最早由爱因斯坦在100多年前预言。根据广义相对论，引力本身就是时空结构的扭曲。当像黑洞这样的大质量物体在时空中加速时，它们会产生引力波。LIGO和数千名分析其数据的科学家目标之一是更好地理解黑洞碰撞的物理学，并利用这些数据来评估爱因斯坦的广义相对论在这些极端条件下是否仍然成立。该理论的崩溃可能会为尚未想象到的新类型物理学打开大门。但是建立像黑洞碰撞这样巨大事件的模型被证明是一项艰巨任务。当相互碰撞的黑洞变得非常接近，就在最终合并的前几秒钟，它们的引力场和速度变得极端，数学变得非常复杂，以至于无法用标准的分析方法来分析。

当涉及到对这些源进行建模时，可以使用纸笔的方法来解决合并初期黑洞相互螺旋运动时爱因斯坦方程的问题。然而，这些计划在合并前就失败了。使用广义相对论方程模拟是准确预测合并过程结果的唯一方法。这就是超级计算机的作用所在，这个团队利用了近900个黑洞合并的模拟，这些模拟是由模拟极端空间时间(SXS)小组使用加州理工学院的Wheeler超级计算机(由Sherman Fairchild基金会支持)和伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校国家超级计算应用中心(NCSA)的Blue Waters超级计算机进行的。模拟花费了2万小时的计算时间。

加州理工学院科学家的新机器学习程序，算法，从模拟中学习，并帮助创建最终的模型。Varma说：现在我们已经建立了新的模型，你不需要花几个月的时间，新模型可以在毫秒内给出合并结束状态的答案。研究人员表示，随着LIGO和其他下一代引力波探测器在测量中变得越来越精确，模型在几年后将具有特别重要的意义。Gerosa说：在未来几年左右，引力波探测器的噪音将会减少。目前关于最终黑洞属性的模型在那个阶段还不够精确，而这正是新模型能够真正帮助我们的地方。《物理评论快报》的研究题为“对一般黑洞合并残留物的高精度质量、自旋和反冲预测”。