作者艾伦·杜布罗，德克萨斯大学奥斯汀分校 近合并小黑洞产生的大黑洞视界上曲率的彩色地图
功劳:妮可·罗萨多 求解碰撞黑洞的广义相对论方程不是一件简单的事情
早在20世纪60年代，物理学家就开始使用超级计算机来解决这个著名的难题
2000年，在看不到解决方案的情况下，2018年诺贝尔奖得主、LIGO的设计师之一基普·索恩打赌说，在得出数值解之前，会有对引力波的观测，这是出了名的
2005年，当时在布朗斯维尔的德克萨斯大学的卡洛斯·卢斯托和他的团队利用德克萨斯高级计算中心的Lonestar超级计算机得出了一个解决方案，他输掉了这场赌局
(同时，美国国家航空航天局和加州理工学院的团队得出了独立的解决方案
) 2015年，当激光干涉仪引力波观测站(LIGO)第一次观测到这种波时，鲁斯托受到了冲击
“我们花了两个星期才意识到这真的是来自大自然，而不是把我们的模拟输入作为一种测试，”现在是罗切斯特理工学院数学教授的卢斯托说
“与我们的模拟对比是如此明显
你可以用肉眼看到这是两个黑洞的合并
" Lousto又带着一个新的数值相对论里程碑回来了，这次模拟合并黑洞，其中大黑洞和小黑洞的质量比为128比1，这是一个科学问题，已经达到了计算的极限
他的秘密武器:TACC的弗龙特拉超级计算机，世界第八大超级计算机，也是所有大学中最快的
他与合作者詹姆斯·希利的研究得到了国家科学基金会的支持，发表在本周的《物理评论快报》上
这可能需要几十年的时间来通过实验来确认结果，但是这仍然是一个计算上的成就，将有助于推动天体物理学的发展
国家科学基金会的引力物理项目主任佩德罗·马罗内蒂说:“对质量差异很大的黑洞进行建模是一项非常艰巨的计算任务，因为需要在很大的分辨率范围内保持精确度。”
“RIT小组在这一领域进行了世界上最先进的模拟，每一次模拟都使我们更接近于理解引力波探测器在不久的将来将提供的观测结果
" LIGO只能探测到由大小大致相等的中小质量黑洞产生的引力波
观测站需要100倍的灵敏度来探测鲁斯托和希利所模拟的合并类型
他们的发现不仅显示了由128:1合并引起的引力波对地球上的观察者来说是什么样的，还显示了最终合并黑洞的特征，包括其最终质量、自旋和反冲速度
这些带来了一些惊喜
质量比为128:1的双星黑洞动画
荣誉:卡洛斯·卢斯托，詹姆斯·希利，RIT “这些合并的黑洞的速度可能比以前知道的要快得多，”卢斯托说
“它们能以每秒5000公里的速度行进
他们从一个星系中出来，在宇宙中游荡
这是另一个有趣的预测
" 研究人员还计算了这种合并的重力波形——近地可以感知的信号——包括它们的峰值频率、振幅和亮度
将这些值与现有科学模型的预测进行比较，他们的模拟结果在预期结果的2%以内
此前，曾被高精度求解的最大质量比是16比1——比卢斯托的模拟低八倍
模拟更大质量比的挑战在于，它需要在额外的尺度上解决相互作用系统的动力学问题
像许多领域的计算机模型一样，卢斯托使用一种称为自适应网格细化的方法来获得相互作用黑洞动力学的精确模型
它包括将黑洞、黑洞之间的空间和远处的观察者(我们)放在一个网格上，并在需要的地方用更多的细节来细化网格的区域
卢斯托的团队用一种方法来解决这个问题，他把这种方法比作芝诺的第一个悖论
通过将质量比减半，同时增加内部网格细化级别，他们能够从32:1的黑洞质量比发展到128:1的双星系统，在合并前经历13个轨道
在弗龙特拉，它需要7个月的持续计算
“弗龙特拉是这项工作的完美工具，”卢斯托说
“我们的问题需要高性能处理器、通信和内存，而Frontera具备所有这三项
" 模拟不是路的尽头
黑洞可以有各种各样的旋转和配置，这影响了它们合并产生的引力波的振幅和频率
Lousto希望将方程再解11次，以获得一个良好的第一个可能的“模板”范围，用于与未来的检测进行比较
这些结果将有助于未来地球和太空引力波探测器的设计者规划他们的仪器
其中包括先进的第三代地面引力波探测器和激光干涉仪空间天线，目标是在2030年代中期发射
这项研究也可能有助于解答黑洞的基本谜团，比如有些黑洞是如何长得如此之大——是太阳质量的数百万倍
“超级计算机帮助我们回答这些问题，”卢斯托说
“这些问题激发了新的研究，并将火炬传递给下一代学生
"
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