Vedci vytvorili dokonalý model zrážky čiernych dier. Simulácie trvali 300 000 hodín a odhalili kľúčovú vec

Medzinárodný tím vedcov z Nemecka a Veľkej Británie publikoval v prestížnom žurnále Nature štúdiu, ktorá posúva hranice astrofyziky. Ich cieľom bolo podrobne opísať, čo sa deje, ak sa zrazia dve čierne diery – ako sa správajú, akú energiu vyžarujú a ako sa od seba „odrazia“, ak prejdú tesne vedľa seba.

Tímu sa podarilo vypočítať takzvaný piaty post-Minkowského rád (5PM) pre kľúčové fyzikálne veličiny ako sú rozptylové uhly, množstvo vyžiarenej energie a spätný ráz čiernych dier po ich interakcii.

Jednoduchšie povedané, ide o veľmi presné matematické priblíženie efektov gravitácie medzi extrémne hmotnými objektmi, ktoré sa pohybujú veľkými rýchlosťami. Tento prístup ide nad rámec bežne používaných výpočtov, ktoré predpokladajú pomalý pohyb objektov, a je kľúčový pre presné modelovanie gravitačných vĺn vznikajúcich pri kolíziách čiernych dier. Na tému v tlačovej správe upozornil portál Phys.

Kedysi len teória, dnes realita

Zvlášť prekvapivým výsledkom výskumu je objavenie tzv. Calabi-Yau trojrozmerných variet v samotných výpočtoch. Ide o zložité geometrické objekty, ktoré zohrávajú dôležitú úlohu v teórii strún, ktoré sa doposiaľ považovali za čisto matematické, bez priamej väzby na fyzickú realitu.

Midjourney/Úprava redakcie

Nový výskum však ukazuje, že tieto geometrie prirodzene vznikajú pri modelovaní energie vyžiarenej pri zrážke čiernych dier aj pri výpočte ich spätného rázu. Podľa vedca Benjamina Sauera to výrazne prehlbuje chápanie vzťahu medzi čistou matematikou a fyzikou.

„Výskyt Calabi-Yau štruktúr prehlbuje naše pochopenie prepojenia medzi matematikou a fyzikou. Tieto poznatky ovplyvnia budúcnosť gravitačnej astronómie tým, že zlepšia modely, ktoré používame pri spracovaní pozorovacích dát,“ uviedol.

Státisíce hodín a špecializovaný softvér

Aby bolo možné takto detailné výpočty zrealizovať, tím vedcov využil viac ako 300 000 jadrových hodín (ide o množstvo času, počas ktorého je jeden výpočtový procesor (jadro) plne zaťažený výpočtom) na superpočítači Zuse Institute v Berlíne.

Tento čas predstavuje extrémne náročné numerické výpočty, pri ktorých sa riešili zložité rovnice opisujúce ako čierne diery interagujú. Použitý bol aj špecializovaný softvér KIRA, pôvodne vyvinutý pre potreby časticovej fyziky.

Midjourney/Úprava redakcie

V praxi to znamená, že riešenie rovníc opisujúcich gravitačnú interakciu medzi čiernymi dierami si vyžiadalo extrémne množstvo výpočtového výkonu.

„Rýchla dostupnosť výpočtových zdrojov bola rozhodujúca,“ potvrdzuje Mathias Driesse, ktorý viedol výpočtovú časť projektu. „Bez tejto kapacity by riešenie rovníc v požadovanej presnosti jednoducho nebolo možné.“

Ako uzatvára profesor Plefka: „Tento prelom ukazuje, že interdisciplinárne úsilie – od čistej matematiky cez teoretickú fyziku až po výpočtové metódy – dokáže prekonať výzvy, ktoré sa ešte nedávno zdali neriešiteľné.“

Výsledky štúdie majú potenciál zmeniť spôsob, akým modelujeme gravitačné vlny, a zároveň ukazujú, že aj najabstraktnejšia matematika môže mať konkrétny význam vo fyzikálnom svete.

Čítajte viac z kategórie: Novinky