Resolver las ecuaciones de la relatividad general para la colisión de agujeros negros no es una cuestión sencilla.

Los físicos comenzaron a usar supercomputadoras para obtener soluciones a este famoso y difícil problema en la década de 1960. En 2000, sin soluciones a la vista, Kip Thorne, Premio Nobel de 2018 y uno de los diseñadores de LIGO, La famosa apuesta de que habría una observación de ondas gravitacionales antes de que se alcanzara una solución numérica.

Perdió esa apuesta cuando en 2005, Carlos Lousto, luego en la Universidad de Texas en Brownsville, y su equipo generó una solución utilizando la supercomputadora Lonestar en el Centro de Computación Avanzada de Texas. (Al mismo tiempo, grupos de la NASA y soluciones independientes derivadas de Caltech.)

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

"Nos tomó dos semanas darnos cuenta de que esto realmente provenía de la naturaleza y no de ingresar nuestra simulación como prueba, "dijo Lousto, ahora es profesor de matemáticas en el Instituto de Tecnología de Rochester (RIT). "La comparación con nuestras simulaciones fue tan obvia. Podías ver con tus propios ojos que era la fusión de dos agujeros negros".

Lousto está de regreso con un nuevo hito de la relatividad numérica, esta vez simulando la fusión de 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 mismo de lo que es posible computacionalmente. Su arma secreta:la supercomputadora Frontera en TACC, la octava supercomputadora más potente del mundo y la más rápida de cualquier universidad.

Su investigación con el colaborador James Healy, apoyado por la National Science Foundation (NSF), fue publicado en Cartas de revisión física esta semana. Puede que sean necesarias décadas para confirmar los resultados de forma experimental, pero, no obstante, sirve como un logro computacional que ayudará a impulsar el campo de la astrofísica hacia adelante.

"Modelar pares de agujeros negros con masas muy diferentes es muy exigente desde el punto de vista computacional debido a la necesidad de mantener la precisión en una amplia gama de resoluciones de cuadrícula, "dijo Pedro Marronetti, director del programa de física gravitacional en NSF. "El grupo RIT ha realizado las simulaciones más avanzadas del mundo en esta área, y cada uno de ellos nos acerca a comprender las observaciones que los detectores de ondas gravitacionales proporcionarán en un futuro próximo ".

LIGO solo puede detectar ondas gravitacionales causadas por agujeros negros de masa pequeña e intermedia de aproximadamente el mismo tamaño. Se necesitarán observatorios 100 veces más sensibles para detectar el tipo de fusiones que Lousto y Healy han modelado. Sus hallazgos muestran no solo cómo se verían las ondas gravitacionales causadas por una fusión de 128:1 para un observador en la Tierra, sino también las características del último agujero negro fusionado, incluida su masa final, girar, y velocidad de retroceso. Estos llevaron a algunas sorpresas.

"Estos agujeros negros fusionados pueden tener velocidades mucho mayores de lo que se conocía anteriormente, "Lousto dijo." Pueden viajar a las 5, 000 kilómetros por segundo. Parten de una galaxia y deambulan por el universo. Esa es otra predicción interesante ".

Los investigadores también calcularon las formas de onda gravitacionales, la señal que se percibiría cerca de la Tierra, para tales fusiones, incluyendo su frecuencia pico, amplitud, y luminosidad. Comparando esos valores con predicciones de modelos científicos existentes, sus simulaciones estuvieron dentro del 2 por ciento de los resultados esperados.

Previamente, la relación de masa más grande que jamás se había resuelto con alta precisión era de 16 a 1, ocho veces menos extrema que la simulación de Lousto. El desafío de simular relaciones de masa más grandes es que requiere resolver la dinámica de los sistemas que interactúan a escalas adicionales.

Como modelos de computadora en muchos campos, Lousto utiliza un método llamado refinamiento de malla adaptativa para obtener modelos precisos de la dinámica de los agujeros negros que interactúan. Implica poner los agujeros negros, el espacio entre ellos, y el observador distante (nosotros) en una cuadrícula o malla, y refinando con mayor detalle las áreas de la malla donde se necesita.

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 se agregan niveles de refinamiento de la cuadrícula interna, pudieron pasar de relaciones de masa de agujeros negros de 32:1 a sistemas binarios de 128:1 que experimentan 13 órbitas antes de la fusión. En Frontera, requirió siete meses de cálculo constante.

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

La simulación no es el final del camino. Los agujeros negros pueden tener una variedad de giros y configuraciones, que impactan en la amplitud y frecuencia de las ondas gravitacionales que produce su fusión. A Lousto le gustaría resolver las ecuaciones 11 veces más para obtener un buen primer rango de posibles "plantillas" para comparar con futuras detecciones.

Los resultados ayudarán a los diseñadores de los futuros detectores de ondas gravitacionales basados ​​en la Tierra y el espacio a planificar sus instrumentos. Estos incluyen avanzado, detectores de ondas gravitacionales terrestres de tercera generación y la antena espacial de interferómetro láser (LISA), cuyo lanzamiento está previsto para mediados de la década de 2030.

La investigación también puede ayudar a responder misterios fundamentales sobre los agujeros negros, como algunos pueden crecer tanto, millones de veces la masa del Sol.

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