Même après la mesure directe de leurs ondes gravitationnelles, il y a encore des mystères autour des trous noirs. Que se passe-t-il lorsque deux trous noirs fusionnent, ou quand les étoiles entrent en collision avec un trou noir ? Cela a maintenant été simulé par des chercheurs de l'Université Goethe de Francfort et de l'Institut d'études avancées de Francfort (FIAS) à l'aide d'une nouvelle méthode numérique. Le code de simulation "ExaHyPE" est conçu de manière à pouvoir calculer les ondes gravitationnelles sur la future génération de supercalculateurs exascale.
Le défi de la simulation des trous noirs réside dans la nécessité de résoudre le système complexe d'équations d'Einstein. Cela ne peut se faire que numériquement et en exploitant la puissance des supercalculateurs parallèles. La précision et la rapidité d'approximation d'une solution dépendent de l'algorithme utilisé. Dans ce cas, l'équipe dirigée par le professeur Luciano Rezzolla de l'Institut de physique théorique de l'Université Goethe et de la FIAS a franchi une étape importante. À long terme, ce travail théorique pourrait étendre les possibilités expérimentales de détection des ondes gravitationnelles d'autres corps astronomiques en plus des trous noirs.
La nouvelle méthode numérique, qui emploie les idées du physicien russe Galerkin, permet le calcul des ondes gravitationnelles sur des supercalculateurs avec une très grande précision et rapidité. "En atteignant ce résultat, qui est l'objectif de nombreux groupes dans le monde depuis de nombreuses années, n'était pas facile, " dit le professeur Rezzolla. " Bien que ce que nous ayons accompli ne soit qu'un petit pas vers la modélisation de trous noirs réalistes, nous attendons de notre approche qu'elle devienne le paradigme de tous les calculs futurs."
Ordinateurs Exascale – aussi rapides que le cerveau humain ?
L'équipe Rezollas fait partie d'une collaboration à l'échelle européenne dont l'objectif est de développer un code de simulation numérique pour les ondes gravitationnelles, "ExaHyPE", capables d'exploiter la puissance des supercalculateurs "exascale". Bien qu'ils ne soient pas encore construits, des scientifiques du monde entier étudient déjà comment utiliser les machines exascales. Ces supercalculateurs représentent l'évolution future des supercalculateurs "petascale" d'aujourd'hui, et devraient être capables d'effectuer autant d'opérations arithmétiques par seconde qu'il y a d'insectes sur Terre. Il s'agit d'un nombre avec 18 zéros et on suppose que de tels superordinateurs seront comparables à la capacité du cerveau humain.
En attendant la construction des premiers ordinateurs "exascale", les scientifiques d'ExaHyPE testent déjà leur logiciel dans les plus grands centres de calcul intensif disponibles en Allemagne. Les plus importants sont ceux du centre de calcul intensif Leibniz LRZ à Munich, et le centre de calcul haute performance HLRS à Stuttgart. Ces ordinateurs sont déjà construits avec plus de 100, 000 processeurs et deviendra bientôt beaucoup plus volumineux.
Simulation de tsunamis et de tremblements de terre
En raison des analogies dans les équations sous-jacentes, les nouveaux algorithmes mathématiques permettent d'étudier les tsunamis et les tremblements de terre en plus des objets compacts astrophysiques tels que les trous noirs et les étoiles à neutrons. Développer les nouveaux algorithmes informatiques, qui sera capable de décrire mathématiquement les solides, liquides et gaz dans les théories de l'électromagnétisme et de la gravitation, est l'objectif du projet de recherche financé par la Commission européenne dans le cadre du programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne. Les scientifiques basés à Francfort travaillent en étroite collaboration avec des collègues de Munich (Allemagne), Trento (Italie) et Durham (Grande-Bretagne).
"L'aspect le plus passionnant du projet ExaHyPE est la combinaison unique de la physique théorique, mathématiques appliquées et informatique, " dit le professeur Michael Dumbser, chef de l'équipe de mathématiques appliquées à Trente. « Seule la combinaison de ces trois disciplines différentes nous permet d'exploiter le potentiel des supercalculateurs pour comprendre la complexité de l'univers.
