Danse finale des partenaires inégaux du trou noir –

Les physiciens ont commencé à utiliser des supercalculateurs pour trouver des solutions à ce problème célèbre dans les années 1960. En 2000, sans solutions en vue, Kip Thorne, lauréat du prix Nobel 2018 et l’un des concepteurs de LIGO, a parié qu’il y aurait une observation des ondes gravitationnelles avant qu’une solution numérique ne soit trouvée.

Il a perdu ce pari quand, en 2005, Carlos Lousto, alors à l’Université du Texas à Brownsville, et son équipe ont généré une solution en utilisant le supercalculateur Lonestar au Texas Advanced Computing Center. (Parallèlement, des groupes de la NASA et de Caltech ont dérivé des solutions indépendantes.)

En 2015, lorsque le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a observé pour la première fois de telles ondes, Lousto était en état de choc.

“Il nous a fallu deux semaines pour réaliser que cela venait vraiment de la nature et non de la saisie de notre simulation comme test”, a déclaré Lousto, maintenant professeur de mathématiques au Rochester Institute of Technology (RIT). “La comparaison avec nos simulations était si évidente. Vous pouviez voir de vos yeux nus que c’était la fusion de deux trous noirs.”

Lousto est de retour avec un nouveau jalon de relativité numérique, simulant cette fois la fusion de trous noirs où le rapport de la masse du plus grand trou noir au plus petit est de 128 pour 1 – un problème scientifique à la limite même de ce qui est possible de calcul . Son arme secrète: le supercalculateur Frontera du TACC, le huitième supercalculateur le plus puissant au monde et le plus rapide de toutes les universités.

Ses recherches avec le collaborateur James Healy, soutenues par la National Science Foundation (NSF), ont été publiées dans Lettres d’examen physique cette semaine. Cela peut prendre des décennies pour confirmer les résultats expérimentalement, mais cela sert néanmoins de réalisation informatique qui aidera à faire avancer le domaine de l’astrophysique.

«La modélisation de paires de trous noirs avec des masses très différentes est très exigeante en termes de calcul en raison de la nécessité de maintenir la précision dans une large gamme de résolutions de grille», a déclaré Pedro Marronetti, directeur du programme de physique gravitationnelle à NSF. “Le groupe RIT a réalisé les simulations les plus avancées au monde dans ce domaine, et chacune d’elles nous rapproche de la compréhension des observations que les détecteurs d’ondes gravitationnelles fourniront dans un proche avenir.”

LIGO ne peut détecter que les ondes gravitationnelles causées par des trous noirs de petite et moyenne masse de taille à peu près égale. Il faudra des observatoires 100 fois plus sensibles pour détecter le type de fusions que Lousto et Healy ont modélisé. Leurs résultats montrent non seulement à quoi ressembleraient les ondes gravitationnelles causées par une fusion 128: 1 pour un observateur sur Terre, mais aussi les caractéristiques du trou noir fusionné ultime, y compris sa masse finale, sa rotation et sa vitesse de recul. Cela a conduit à quelques surprises.

“Ces trous noirs fusionnés peuvent avoir des vitesses beaucoup plus grandes que ce que l’on connaissait auparavant”, a déclaré Lousto. “Ils peuvent voyager à 5 000 kilomètres par seconde. Ils sortent d’une galaxie et errent dans l’univers. C’est une autre prédiction intéressante.”

Les chercheurs ont également calculé les formes d’onde gravitationnelles – le signal qui serait perçu près de la Terre – pour de telles fusions, y compris leur fréquence de crête, leur amplitude et leur luminosité. En comparant ces valeurs avec les prédictions des modèles scientifiques existants, leurs simulations étaient à moins de 2% des résultats attendus.

Auparavant, le plus grand rapport de masse jamais résolu avec une haute précision était de 16 à 1, soit huit fois moins extrême que la simulation de Lousto. Le défi de la simulation de rapports de masse plus importants est qu’elle nécessite de résoudre la dynamique des systèmes en interaction à des échelles supplémentaires.

Comme les modèles informatiques dans de nombreux domaines, Lousto utilise une méthode appelée raffinement adaptatif du maillage pour obtenir des modèles précis de la dynamique des trous noirs en interaction. Cela implique de placer les trous noirs, l’espace entre eux et l’observateur distant (nous) sur une grille ou un maillage, et d’affiner les zones du maillage avec plus de détails là où cela est nécessaire.

L’équipe de Lousto a abordé le problème avec une méthodologie qu’il compare au premier paradoxe de Zeno. En divisant par deux et en divisant par deux le rapport de masse tout en ajoutant des niveaux de raffinement de la grille interne, ils ont pu passer de rapports de masse de trou noir de 32: 1 à des systèmes binaires de 128: 1 qui subissent 13 orbites avant la fusion. Sur Frontera, il a fallu sept mois de calcul constant.

“Frontera était l’outil parfait pour le travail”, a déclaré Lousto. “Notre problème nécessite des processeurs, une communication et une mémoire hautes performances, et Frontera a les trois.”

La simulation n’est pas la fin de la route. Les trous noirs peuvent avoir une variété de spins et de configurations, qui ont un impact sur l’amplitude et la fréquence des ondes gravitationnelles que leur fusion produit. Lousto aimerait résoudre les équations 11 fois de plus pour obtenir une bonne première gamme de “modèles” possibles à comparer avec les détections futures.

Les résultats aideront les concepteurs des futurs détecteurs d’ondes gravitationnelles terrestres et spatiales à planifier leurs instruments. Il s’agit notamment de détecteurs d’ondes gravitationnelles au sol avancés de troisième génération et de l’antenne spatiale à interféromètre laser (LISA), dont le lancement est prévu au milieu des années 2030.

La recherche peut également aider à répondre aux mystères fondamentaux sur les trous noirs, comme la façon dont certains peuvent devenir si grands – des millions de fois la masse du Soleil.

«Les supercalculateurs nous aident à répondre à ces questions», a déclaré Lousto. “Et les problèmes inspirent de nouvelles recherches et passent le flambeau à la prochaine génération d’étudiants.”