En av de mest katastrofala händelserna som inträffar i kosmos innebär kollision av två svarta hål. Bildad av den dödliga kollapsen av massiva stjärnor, svarta hål är otroligt kompakta-en person som står nära ett svart hål med stjärnmassa skulle känna gravitationen ungefär en biljon gånger starkare än de skulle göra på jorden. När två objekt av denna extrema densitet spiraliseras samman och går samman, en ganska vanlig förekomst i rymden, de utstrålar mer kraft än alla stjärnor i universum.

"Tänk dig att ta 30 solar och packa in dem i ett område på Hawaii. Ta sedan två sådana föremål och accelerera dem till halva ljusets hastighet och få dem att kollidera. Detta är en av de mest våldsamma händelserna i naturen, "säger Vijay Varma, en doktorand på Caltech.

I en ny studie i tidningen 11 januari Fysiska granskningsbrev , Varma och hans kollegor rapporterar den mest exakta datormodellen än i slutskedet av sammanslagningar av svarta hål, en period då en ny, mer massivt svart hål har bildats. Modellen, som fick hjälp av superdatorer och maskininlärning, eller artificiell intelligens (AI) verktyg, kommer i slutändan att hjälpa fysiker att utföra mer exakta tester av Einsteins allmänna relativitetsteori.

"Vi kan förutsäga vad som återstår efter en sammanslagning av ett svart hål - egenskaper hos det sista svarta hålet, såsom dess snurrning och massa - med en noggrannhet 10 till 100 gånger bättre än vad som var möjligt tidigare, "säger medförfattaren Davide Gerosa, en Einstein postdoktor i teoretisk astrofysik vid Caltech. "Detta är viktigt eftersom tester av allmän relativitet beror på hur väl vi kan förutsäga sluttillstånden för sammanslagningar av svarta hål."

Forskningen är relaterad till en större insats för att studera svarta hål med LIGO, laserinterferometern Gravitationsvågsobservatorium, som gjorde historia 2015 genom att göra den första direktupptäckten av gravitationella vågor som släpptes ut genom en sammanslagning av ett svart hål. Sedan dess, LIGO har upptäckt ytterligare nio fusioner av svarta hål. Gravitationsvågor är krusningar i rum och tid, först förutspåddes av Einstein för mer än 100 år sedan. Gravitationen själv, enligt allmän relativitet, är en vridning av tyget i rymdtiden. När massiva föremål som svarta hål accelererar genom rymdtiden, de genererar gravitationella vågor.

Ett av målen för LIGO och de tusentals forskare som analyserar dess data är att bättre förstå fysiken för svarta hålkollisioner - och att använda dessa data, i tur och ordning, för att bedöma om Einsteins allmänna relativitetsteori fortfarande gäller under dessa extrema förhållanden. En nedbrytning av teorin kan öppna dörren till nya typer av fysik som ännu inte är tänkt.

Men att skapa modeller för kolossala händelser som kollisioner med svarta hål har visat sig vara en skrämmande uppgift. När de kolliderande svarta hålen kommer mycket nära varandra, bara några sekunder före den sista sammanslagningen, deras gravitationsfält och hastigheter blir extrema och matematiken blir alldeles för komplex för standardanalysmetoder.

"När det gäller att modellera dessa källor, man kan använda penna-och-pappersmetoden för att lösa Einsteins ekvationer under de tidiga stadierna av sammanslagningen när de svarta hålen spiraler mot varandra, "säger Varma." Men dessa system går sönder nära sammanslagningen. Simuleringar som använder ekvationerna för allmän relativitet är det enda sättet att exakt förutsäga resultatet av fusionsprocessen. "

Det är där superdatorer hjälper till. Teamet utnyttjade nästan 900 svarta hålssimuleringssimuleringar som tidigare körts av gruppen Simulating eXtreme Spacetime (SXS) med hjälp av Superdator Wheeler på Caltech (med stöd av Sherman Fairchild Foundation) och Blue Waters superdator vid National Center for Supercomputing Applications (NCSA) ) vid University of Illinois i Urbana-Champaign. Simuleringarna tog 20, 000 timmars datortid. Caltech-forskarnas nya maskininlärningsprogram, eller algoritm, lärt sig av simuleringarna och hjälpte till att skapa den slutliga modellen.

"Nu när vi har byggt den nya modellen, du behöver inte ta månader, "säger Varma." Den nya modellen kan ge dig svar om sluttillståndet för fusioner i millisekunder. "

Forskarna säger att deras modell kommer att vara av särskild vikt om några år, eftersom LIGO och andra nästa generations gravitationella vågdetektorer blir mer och mer exakta i sina mätningar. "Inom de närmaste åren eller så, gravitationella vågdetektorer kommer att ha mindre buller, "säger Gerosa." De nuvarande modellerna av de slutliga svarta hålsegenskaperna kommer inte att vara noggranna i det skedet, och det är där vår nya modell verkligen kan hjälpa till. "

De Fysiska granskningsbrev studien har titeln "Massa med hög noggrannhet, snurra, och rekylera förutsägelser av generiska svarta hålsrester. "