迄今為止最精確的黑洞合併模擬！這是超級計算機和人工智慧的功勞

宇宙中發生的最劇烈事件之一是涉及兩個黑洞的碰撞。黑洞形成的可能之一是由大質量恆星死亡坍縮形成，黑洞的緻密程度令人難以置信：一個人站在一個恆星質量的黑洞附近，感受到的引力要比在地球上感受到的引力大1萬億倍。當兩個密度如此之大的物體螺旋形地結合在一起時(這在太空中相當常見)，它們輻射出的能量比宇宙中所有的恆星都要大。想像一下，把30個太陽打包壓縮成一個夏威夷那麼大的區域。然後拿兩個這樣的物體，把它們加速到光速的一半，讓它們碰撞。這是自然界中最暴力的事件之一。在2019年1月11日出版的《物理評論快報》上發表的一項新研究中，瓦爾馬和同事報告了迄今為止最精確的黑洞合併末期計算機模型。

博科園-科學科普：這個模型得到了超級計算機和人工智慧機器學習(AI)工具的幫助，最終將幫助物理學家對愛因斯坦的廣義相對論進行更精確檢驗。合著者、加州理工學院理論天體物理學博士後大衛·德·傑羅薩(Davide Gerosa)說：我們可以預測黑洞合併後剩下的東西（最後一個黑洞的性質，比如它的自旋和質量）其準確度是以前可能的10到100倍

這很重要，因為廣義相對論的檢驗取決於我們能多好地預測黑洞合併的最終狀態。這項研究與激光干涉引力波天文台LIGO對黑洞的更大研究有關。LIGO在2015年創造了歷史，首次直接探測到黑洞合併發出的引力波，從那以後，LIGO又發現了9個黑洞合併。

這是一張模擬兩個正在合併黑洞的概念圖，每個黑洞的質量大約為30個太陽。這大概就是如果人類能夠乘坐宇宙飛船近距離觀察黑洞的合併，他們會看到的景象。圖片：SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project (black-holes)

引力波是空間和時間的漣漪，最早由愛因斯坦在100多年前預言。根據廣義相對論，引力本身就是時空結構的扭曲。當像黑洞這樣的大質量物體在時空中加速時，它們會產生引力波。LIGO和數千名分析其數據的科學家目標之一是更好地理解黑洞碰撞的物理學，並利用這些數據來評估愛因斯坦的廣義相對論在這些極端條件下是否仍然成立。該理論的崩潰可能會為尚未想像到的新類型物理學打開大門。但是建立像黑洞碰撞這樣巨大事件的模型被證明是一項艱巨任務。當相互碰撞的黑洞變得非常接近，就在最終合併的前幾秒鐘，它們的引力場和速度變得極端，數學變得非常複雜，以至於無法用標準的分析方法來分析。

當涉及到對這些源進行建模時，可以使用紙筆的方法來解決合併初期黑洞相互螺旋運動時愛因斯坦方程的問題。然而，這些計劃在合併前就失敗了。使用廣義相對論方程模擬是準確預測合併過程結果的唯一方法。

這就是超級計算機的作用所在，這個團隊利用了近900個黑洞合併的模擬，這些模擬是由模擬極端空間時間(SXS)小組使用加州理工學院的Wheeler超級計算機(由Sherman Fairchild基金會支持)和伊利諾伊大學厄巴納香檳分校國家超級計算應用中心(NCSA)的Blue Waters超級計算機進行的。模擬花費了2萬小時的計算時間。

加州理工學院科學家的新機器學習程序，演算法，從模擬中學習，並幫助創建最終的模型。Varma說：現在我們已經建立了新的模型，你不需要花幾個月的時間，新模型可以在毫秒內給出合併結束狀態的答案。研究人員表示，隨著LIGO和其他下一代引力波探測器在測量中變得越來越精確，模型在幾年後將具有特別重要的意義。Gerosa說：在未來幾年左右，引力波探測器的噪音將會減少。目前關於最終黑洞屬性的模型在那個階段還不夠精確，而這正是新模型能夠真正幫助我們的地方。《物理評論快報》的研究題為「對一般黑洞合併殘留物的高精度質量、自旋和反衝預測」。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《物理評論快報》，《arXiv》

文:Whitney Clavin/phys

DOI: 10.1103/physrevlett.122.011101

Cite: arXiv:1809.09125

博科園-傳遞宇宙科學之美

我們小程序看更多：博科園

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！