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迄今為止最精確的黑洞合并模擬，由超級(jí)計(jì)算機(jī)和人工智能創(chuàng)建！

2019-05-04 14:45 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

宇宙中發(fā)生的最劇烈事件之一是涉及兩個(gè)黑洞的碰撞。黑洞形成的可能之一是由大質(zhì)量恒星死亡坍縮形成，黑洞的致密程度令人難以置信：一個(gè)人站在一個(gè)恒星質(zhì)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(dāng)兩個(gè)密度如此之大的物體螺旋形地結(jié)合在一起時(shí)(這在太空中相當(dāng)常見)，它們輻射出的能量比宇宙中所有的恒星都要大。想象一下，把30個(gè)太陽打包壓縮成一個(gè)夏威夷那么大的區(qū)域。然后拿兩個(gè)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(píng)論快報(bào)》上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，瓦爾馬和同事報(bào)告了迄今為止最精確的黑洞合并末期計(jì)算機(jī)模型。

博科園-科學(xué)科普：這個(gè)模型得到了超級(jí)計(jì)算機(jī)和人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)(AI)工具的幫助，最終將幫助物理學(xué)家對(duì)愛因斯坦的廣義相對(duì)論進(jìn)行更精確檢驗(yàn)。合著者、加州理工學(xué)院理論天體物理學(xué)博士后大衛(wèi)·德·杰羅薩(Davide Gerosa)說：我們可以預(yù)測黑洞合并后剩下的東西（最后一個(gè)黑洞的性質(zhì)，比如它的自旋和質(zhì)量）其準(zhǔn)確度是以前可能的10到100倍，這很重要，因?yàn)閺V義相對(duì)論的檢驗(yàn)取決于我們能多好地預(yù)測黑洞合并的最終狀態(tài)。這項(xiàng)研究與激光干涉引力波天文臺(tái)LIGO對(duì)黑洞的更大研究有關(guān)。LIGO在2015年創(chuàng)造了歷史，首次直接探測到黑洞合并發(fā)出的引力波，從那以后，LIGO又發(fā)現(xiàn)了9個(gè)黑洞合并。

這是一張模擬兩個(gè)正在合并黑洞的概念圖，每個(gè)黑洞的質(zhì)量大約為30個(gè)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并，他們會(huì)看到的景象。圖片：SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project (black-holes)

引力波是空間和時(shí)間的漣漪，最早由愛因斯坦在100多年前預(yù)言。根據(jù)廣義相對(duì)論，引力本身就是時(shí)空結(jié)構(gòu)的扭曲。當(dāng)像黑洞這樣的大質(zhì)量物體在時(shí)空中加速時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生引力波。LIGO和數(shù)千名分析其數(shù)據(jù)的科學(xué)家目標(biāo)之一是更好地理解黑洞碰撞的物理學(xué)，并利用這些數(shù)據(jù)來評(píng)估愛因斯坦的廣義相對(duì)論在這些極端條件下是否仍然成立。該理論的崩潰可能會(huì)為尚未想象到的新類型物理學(xué)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(xiàng)艱巨任務(wù)。當(dāng)相互碰撞的黑洞變得非常接近，就在最終合并的前幾秒鐘，它們的引力場和速度變得極端，數(shù)學(xué)變得非常復(fù)雜，以至于無法用標(biāo)準(zhǔn)的分析方法來分析。

當(dāng)涉及到對(duì)這些源進(jìn)行建模時(shí)，可以使用紙筆的方法來解決合并初期黑洞相互螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)愛因斯坦方程的問題。然而，這些計(jì)劃在合并前就失敗了。使用廣義相對(duì)論方程模擬是準(zhǔn)確預(yù)測合并過程結(jié)果的唯一方法。這就是超級(jí)計(jì)算機(jī)的作用所在，這個(gè)團(tuán)隊(duì)利用了近900個(gè)黑洞合并的模擬，這些模擬是由模擬極端空間時(shí)間(SXS)小組使用加州理工學(xué)院的Wheeler超級(jí)計(jì)算機(jī)(由Sherman Fairchild基金會(huì)支持)和伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳分校國家超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心(NCSA)的Blue Waters超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的。模擬花費(fèi)了2萬小時(shí)的計(jì)算時(shí)間。

加州理工學(xué)院科學(xué)家的新機(jī)器學(xué)習(xí)程序，算法，從模擬中學(xué)習(xí)，并幫助創(chuàng)建最終的模型。Varma說：現(xiàn)在我們已經(jīng)建立了新的模型，你不需要花幾個(gè)月的時(shí)間，新模型可以在毫秒內(nèi)給出合并結(jié)束狀態(tài)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，模型在幾年后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(huì)減少。目前關(guān)于最終黑洞屬性的模型在那個(gè)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?！段锢碓u(píng)論快報(bào)》的研究題為“對(duì)一般黑洞合并殘留物的高精度質(zhì)量、自旋和反沖預(yù)測”。