L'un des événements les plus cataclysmiques à se produire dans le cosmos implique la collision de deux trous noirs. Formé de l'effondrement mortel d'étoiles massives, Les trous noirs sont incroyablement compacts :une personne se tenant près d'un trou noir de masse stellaire ressentirait la gravité environ un billion de fois plus fortement qu'elle ne le ferait sur Terre. Lorsque deux objets de cette densité extrême s'enroulent en spirale et fusionnent, un phénomène assez courant dans l'espace, ils rayonnent plus de puissance que toutes les étoiles de l'univers.

"Imaginez prendre 30 soleils et les emballer dans une région de la taille d'Hawaï. Ensuite, prenez deux de ces objets et accélérez-les à la moitié de la vitesse de la lumière et faites-les entrer en collision. C'est l'un des événements les plus violents de la nature, " dit Vijay Varma, un étudiant diplômé à Caltech.

Dans une nouvelle étude publiée dans le numéro du 11 janvier de la revue Lettres d'examen physique , Varma et ses collègues rapportent le modèle informatique le plus précis à ce jour de la phase finale des fusions de trous noirs, une période où un nouveau, un trou noir plus massif s'est formé. Le modèle, qui a été aidé par des superordinateurs et l'apprentissage automatique, ou des outils d'intelligence artificielle (IA), aidera finalement les physiciens à effectuer des tests plus précis de la théorie de la relativité générale d'Einstein.

« Nous pouvons prédire ce qui reste après la fusion d'un trou noir - les propriétés du trou noir final telles que son spin et sa masse - avec une précision 10 à 100 fois supérieure à ce qui était possible auparavant, " dit le co-auteur Davide Gerosa, un boursier postdoctoral Einstein en astrophysique théorique à Caltech. "C'est important parce que les tests de relativité générale dépendent de la façon dont nous pouvons prédire les états finaux des fusions de trous noirs."

La recherche est liée à un effort plus important pour étudier les trous noirs avec LIGO, l'Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser, qui est entré dans l'histoire en 2015 en réalisant la première détection directe d'ondes gravitationnelles émises par une fusion de trous noirs. Depuis, LIGO a détecté neuf fusions de trous noirs supplémentaires. Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l'espace et le temps, prédit pour la première fois par Einstein il y a plus de 100 ans. La gravité elle-même, selon la relativité générale, est une déformation du tissu de l'espace-temps. Lorsque des objets massifs comme les trous noirs accélèrent dans l'espace-temps, ils génèrent des ondes gravitationnelles.

L'un des objectifs de LIGO et des milliers de scientifiques qui analysent ses données est de mieux comprendre la physique des collisions de trous noirs et d'utiliser ces données, à son tour, pour évaluer si la théorie de la relativité générale d'Einstein est toujours vraie dans ces conditions extrêmes. Un effondrement de la théorie pourrait ouvrir la porte à de nouveaux types de physique pas encore imaginés.

Mais créer des modèles d'événements colossaux comme les collisions de trous noirs s'est avéré être une tâche ardue. Alors que les trous noirs en collision deviennent très proches les uns des autres, quelques secondes avant la fusion finale, leurs champs gravitationnels et leurs vitesses deviennent extrêmes et les calculs deviennent beaucoup trop complexes pour les approches analytiques standard.

« Lorsqu'il s'agit de modéliser ces sources, on peut utiliser l'approche du stylo et du papier pour résoudre les équations d'Einstein pendant les premières étapes de la fusion lorsque les trous noirs se rapprochent les uns des autres, " dit Varma. " Cependant, ces schémas s'effondrent à l'approche de la fusion. Les simulations utilisant les équations de la relativité générale sont le seul moyen de prédire avec précision l'issue du processus de fusion."

C'est là que les supercalculateurs aident. L'équipe a tiré parti de près de 900 simulations de fusion de trous noirs précédemment exécutées par le groupe Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) à l'aide du supercalculateur Wheeler de Caltech (soutenu par la Fondation Sherman Fairchild) et du supercalculateur Blue Waters du National Center for Supercomputing Applications (NCSA ) à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Les simulations ont pris 20, 000 heures de temps de calcul. Le nouveau programme d'apprentissage automatique des scientifiques de Caltech, ou algorithme, appris des simulations et aidé à créer le modèle final.

"Maintenant que nous avons construit le nouveau modèle, vous n'avez pas besoin de prendre des mois, " dit Varma. " Le nouveau modèle peut vous donner des réponses sur l'état final des fusions en quelques millisecondes. "

Les chercheurs disent que leur modèle sera particulièrement important dans quelques années, à mesure que LIGO et d'autres détecteurs d'ondes gravitationnelles de nouvelle génération deviennent de plus en plus précis dans leurs mesures. « Dans les prochaines années, les détecteurs d'ondes gravitationnelles auront moins de bruit, " dit Gerosa. " Les modèles actuels des propriétés finales du trou noir ne seront pas assez précis à ce stade, et c'est là que notre nouveau modèle peut vraiment vous aider."

Les Lettres d'examen physique l'étude est intitulée « Masse de haute précision, tournoyer, et les prédictions de recul des restes génériques de fusion de trous noirs."