Résoudre les équations de la relativité générale pour les trous noirs en collision n'est pas simple.

Les physiciens ont commencé à utiliser des superordinateurs pour trouver des solutions à ce problème célèbre dans les années 1960. En 2000, sans aucune solution en vue, Kip Thorne, Prix ​​Nobel 2018 et l'un des concepteurs de LIGO, pari célèbre qu'il y aurait une observation des ondes gravitationnelles avant qu'une solution numérique ne soit atteinte.

Il a perdu ce pari quand, en 2005, Carlos Lousto, puis à l'Université du Texas à Brownsville, et son équipe ont généré une solution à l'aide du supercalculateur Lonestar du Texas Advanced Computing Center. (En parallèle, des groupes de la NASA et de Caltech ont dérivé des solutions indépendantes.)

En 2015, lorsque le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a observé pour la première fois de telles ondes, Lousto était sous le choc.

"Il nous a fallu deux semaines pour réaliser que cela venait vraiment de la nature et non de la saisie de notre simulation comme test, " dit Lousto, maintenant professeur de mathématiques au Rochester Institute of Technology (RIT). "La comparaison avec nos simulations était tellement évidente. On pouvait voir à l'œil nu qu'il s'agissait de la fusion de deux trous noirs."

Lousto est de retour avec une nouvelle étape de la relativité numérique, cette fois en simulant la fusion de trous noirs où le rapport de la masse du plus grand trou noir au plus petit est de 128 à 1 - un problème scientifique à la limite même de ce qui est informatiquement possible. Son arme secrète :le supercalculateur Frontera du TACC, le huitième superordinateur le plus puissant au monde et le plus rapide de toutes les universités.

Ses recherches avec son collaborateur James Healy, soutenu par la National Science Foundation (NSF), a été publié dans Lettres d'examen physique cette semaine. Cela peut prendre des décennies pour confirmer les résultats expérimentalement, mais néanmoins, il s'agit d'une réalisation informatique qui aidera à faire avancer le domaine de l'astrophysique.

« La modélisation de paires de trous noirs avec des masses très différentes est très exigeante en termes de calcul en raison de la nécessité de maintenir la précision dans une large gamme de résolutions de grille, " dit Pedro Marronetti, directeur de programme de physique gravitationnelle à la NSF. « Le groupe RIT a réalisé les simulations les plus avancées au monde dans ce domaine, et chacun d'entre eux nous rapproche de la compréhension des observations que les détecteurs d'ondes gravitationnelles fourniront dans un proche avenir."

LIGO est uniquement capable de détecter les ondes gravitationnelles causées par des trous noirs de masse petite et intermédiaire de taille à peu près égale. Il faudra des observatoires 100 fois plus sensibles pour détecter le type de fusions modélisées par Lousto et Healy. Leurs découvertes montrent non seulement à quoi ressembleraient les ondes gravitationnelles causées par une fusion 128:1 pour un observateur sur Terre, mais aussi des caractéristiques du trou noir fusionné ultime dont sa masse finale, tournoyer, et la vitesse de recul. Ceux-ci ont conduit à quelques surprises.