Uno de los eventos más catastróficos que ocurren en el cosmos involucra la colisión de dos agujeros negros. Formado por el colapso mortal de estrellas masivas, Los agujeros negros son increíblemente compactos:una persona que se encuentre cerca de un agujero negro de masa estelar sentiría la gravedad un billón de veces más fuerte que en la Tierra. Cuando dos objetos de esta densidad extrema se juntan en espiral y se fusionan, una ocurrencia bastante común en el espacio, irradian más poder que todas las estrellas del universo.

"Imagina tomar 30 soles y empaquetarlos en una región del tamaño de Hawái. Luego, toma dos de esos objetos y acelévalos a la mitad de la velocidad de la luz y haz que choquen. Este es uno de los eventos más violentos de la naturaleza, "dice Vijay Varma, estudiante de posgrado en Caltech.

En un nuevo estudio de la edición del 11 de enero de la revista Cartas de revisión física , Varma y sus colegas informan del modelo informático más preciso hasta el momento de la etapa final de las fusiones de agujeros negros, un período en el que un nuevo, se ha formado un agujero negro más masivo. El modelo, que fue ayudado por supercomputadoras y aprendizaje automático, o herramientas de inteligencia artificial (IA), En última instancia, ayudará a los físicos a realizar pruebas más precisas de la teoría general de la relatividad de Einstein.

"Podemos predecir lo que queda después de la fusión de un agujero negro (propiedades del agujero negro final como su rotación y masa) con una precisión de 10 a 100 veces mejor que lo que era posible antes, "dice el coautor Davide Gerosa, becario postdoctoral de Einstein en astrofísica teórica en Caltech. "Esto es importante porque las pruebas de relatividad general dependen de qué tan bien podamos predecir los estados finales de las fusiones de agujeros negros".

La investigación está relacionada con un esfuerzo mayor para estudiar los agujeros negros con LIGO, el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser, que hizo historia en 2015 al hacer la primera detección directa de ondas gravitacionales emitidas por una fusión de agujeros negros. Desde entonces, LIGO ha detectado nueve fusiones de agujeros negros adicionales. Las ondas gravitacionales son ondas en el espacio y el tiempo, predicho por primera vez por Einstein hace más de 100 años. La gravedad misma, según la relatividad general, es una deformación del tejido del espacio-tiempo. Cuando los objetos masivos como los agujeros negros se aceleran a través del espacio-tiempo, generan ondas gravitacionales.

Uno de los objetivos de LIGO y de los miles de científicos que analizan sus datos es comprender mejor la física de las colisiones de agujeros negros y utilizar estos datos, Sucesivamente, para evaluar si la teoría general de la relatividad de Einstein sigue siendo válida en estas condiciones extremas. Un colapso de la teoría podría abrir la puerta a nuevos tipos de física aún no imaginados.

Pero crear modelos de eventos colosales como colisiones de agujeros negros ha demostrado ser una tarea abrumadora. A medida que los agujeros negros en colisión se acercan mucho unos a otros, solo unos segundos antes de la fusión final, sus campos gravitacionales y velocidades se vuelven extremos y las matemáticas se vuelven demasiado complejas para los enfoques analíticos estándar.

"Cuando se trata de modelar estas fuentes, se puede usar el enfoque de lápiz y papel para resolver las ecuaciones de Einstein durante las primeras etapas de la fusión cuando los agujeros negros están girando en espiral uno hacia el otro, "dice Varma." Sin embargo, estos esquemas fracasan cerca de la fusión. Las simulaciones que utilizan las ecuaciones de la relatividad general son el único medio para predecir con precisión el resultado del proceso de fusión ".

Ahí es donde ayudan las supercomputadoras. El equipo aprovechó casi 900 simulaciones de fusión de agujeros negros ejecutadas anteriormente por el grupo Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) utilizando la supercomputadora Wheeler en Caltech (con el apoyo de la Fundación Sherman Fairchild) y la supercomputadora Blue Waters en el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación (NCSA). ) en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Las simulaciones tomaron 20, 000 horas de tiempo de computación. El nuevo programa de aprendizaje automático de los científicos de Caltech, o algoritmo, aprendí de las simulaciones y ayudó a crear el modelo final.

"Ahora que hemos construido el nuevo modelo, no necesitas tomarte meses, "dice Varma." El nuevo modelo puede darle respuestas sobre el estado final de las fusiones en milisegundos ".

Los investigadores aseguran que su modelo será de especial importancia en unos años, a medida que LIGO y otros detectores de ondas gravitacionales de próxima generación se vuelven cada vez más precisos en sus mediciones. "En los próximos años, los detectores de ondas gravitacionales tendrán menos ruido, "dice Gerosa." Los modelos actuales de las propiedades finales del agujero negro no serán lo suficientemente precisos en esa etapa, y ahí es donde nuestro nuevo modelo realmente puede ayudar ".

los Cartas de revisión física El estudio se titula "Masa de alta precisión, girar, y predicciones de retroceso de restos genéricos de fusiones de agujeros negros ".