模拟黑洞引力波,只需要一台笔记本?
2021-05-17 10:34

模拟黑洞引力波,只需要一台笔记本?

本文来自微信公众号:量子位(ID:QbitAI),作者:边策、萧箫,原文标题:《我用1台笔记本模拟黑洞引力波,和超算2个月得出的结果只差1%丨马萨诸塞大学出品》,题图来自:Wikipedia


模拟黑洞产生的引力波,听起来好可怕,那一定需要巨大的算力吧?


确实,发现爱因斯坦预言的引力波,人类用了100年,而用超算精确模拟它,人们用了90年!



1915年,爱因斯坦发表了广义相对论,之后物理学家就预测,两个黑洞合并会产生引力波。


直到2005年,科学家才得到了第一个黑洞合并数值解,而且是用超算断断续续算了2个月。


但现在,只需要一台macOS或Linux系统的笔记本电脑,也能计算黑洞合并,还是带动画模拟的那种



这是由加州理工学习博士Vijay Varma开发的一款Python包,用于模拟两个黑洞在旋转过程中如何对外辐射引力波,以及它们合并的全过程。


安装方法简单到甚至可以通过PyPI直接安装:


pip install binaryBHexp


然后你只需输入一串参数,就能在笔记本上模拟引力波了。甚至用鼠标拖动动画,全方位360度观看黑洞合并过程:



你以为这就是全部内容?不不不,以上只是“副产品”而已。


真正的“主菜”是,这位博士用AI开发出了迄今为止最精确的模拟黑洞合并模型,而且大大缩短了模拟时间


现在物理学家们要把这项技术用于模拟更复杂的黑洞合并过程,帮助引力波干涉天文台(LIGO)能发现更多的引力波,或是验证广义相对论,或者找到它的缺陷。


△ LIGO


凭借这项工作,这位博士已经在顶级期刊《物理评论快报》上发表了多篇论文。


为何要模拟引力波


既然实验上能发现引力波,我们为何还要数值模拟它?在了解这个问题之前,我们首先要解决一个问题:


我们如何观测引力波?


爱因斯坦的广义相对论说,引力波是“时空的涟漪”,就是有质量的物体在运动时对时空的扰动。



但是,引力波实在太微弱了。只有黑洞合并这类事件,才能辐射出让我们发现的引力波。


黑洞合并是目前公认的最强引力波源,由于黑洞本身只是一个强引力源,因此在合并过程中,它们只会辐射引力波。



为了观测到引力波,来自加州理工学院和MIT的一群物理学家,搞了个激光干涉引力波天文台LIGO。


这地方是专门用来探测引力波的,像是长了两条呈直角分布的“L”形手臂。当引力波出现时,每条手臂中的激光,会测量手臂长度的相对差异。


这个过程非常困难,因为每天LIGO都会收到许多带有大量噪声的微弱信号。


来自马萨诸塞大学的助理教授Scott E. Field对此解释道:


这个难度,就像是在嘈杂的餐厅里试图用手机听歌识曲一样。



只有大致知道曲子的内容,才能更容易地在背景噪声中发现它。


也就是说,必须先想办法用数值模拟它,再对它进行探测。


这就是数值模拟引力波的重大意义。



毕竟,人们目前还只探测到部分引力波,连它具体长啥样都还没完全弄明白,不同的质量、自转公转速度会形成什么样的引力波,需要求解极为复杂的广义相对论方程才能模拟。


但在数值模拟引力波上,物理学家又遇到了困难——


用超算求解广义相对论方程,只能较快地模拟出其中一部分引力波长啥样,就是质量比小于10:1的两个黑洞合并产生的引力波。


对于这些黑洞的合并,来自马萨诸塞大学的Gaurav Khanna表示:


这就像是模拟一艘巨轮和一只小帆船在航行时可能产生的相互影响,毕竟后者几乎完全不会影响到巨轮的航线。



但对于另一部分黑洞,也就是质量比大于10:1的两个黑洞合并所产生的引力波,模拟需要的计算量就太大了。


2005年,物理学家用超级计算机模拟了2个月,才得到了一个数值解。对于质量比大于10:1的情况,可能需要超算不停算几年,这显然是不切实际的。


那么质量比大于10:1的两个黑洞合并,真的就无法探测它们的引力波了吗?


其实还有一个方法——简化计算。


这些来自马萨诸塞大学的物理学家们,就希望用机器学习简化这个计算过程


他们甚至真的做了个Python工具包,而且从研究结果来看,已经成功模拟了质量比为3:1的黑洞合并过程。


其计算结果与用超算模拟的结果,准确度相差不到1%。


一行命令模拟黑洞合并


这款模拟黑洞合并的可视化工具叫做binaryBHexp。



安装过程非常简单,前面已经说过。它的使用方法也很简单。


因为黑洞合并只取决于以下几个物理量:质量、自转角动量、公转速度


将这些数值输入到命令中:


binaryBHexp --q 2 --chiA 0.2 0.7 -0.1 --chiB 0.2 0.6 0.1


参数q表示两个黑洞的质量之比,chiA和chiB后分别是两个黑洞的自转与公转速度(均已归一化)


不同的参数会产生截然不同的黑洞合并现象。


比如下面一组参数,展示了引力波巨大的“后坐力”,它的能量可以把黑洞加速到光速的1/100,将其甩出所在星系:


binaryBHexp --q 1.34 --chiA 0.62 -0.27 0.34 --chiB -0.62 0.27 0.34



目标是星辰大海


地面上的LIGO已经无法满足物理学家们的需求了。


在地球上,用于测量引力波的两条干涉臂长度有限,如果把探测器建到太空中,那么干涉臂可以长达100多万公里,大大提高了探测精度。


这就是欧洲空间局ESA和NASA设想的天基引力波探测计划LISA,预计在2035年发射。



到了太空中,精度的提高能让我们看到更大质量比的黑洞合并事件,比如质量比超过100万的情况。


因为星系中央可能存在着10亿个太阳质量的巨大黑洞,当它把普通黑洞吸入其中时,就会产生这类超大质量比的合并事件。


另一边,物理学家们正在开展着数值计算的准备。


Scott Field和Gaurav Khanna教授预计今年夏天将更大质量比的计算模型发表在arxiv上,不知道会带来哪些惊喜。


项目地址:https://vijayvarma392.github.io/binaryBHexp/


参考链接:

[1]https://www.quantamagazine.org/new-black-hole-math-closes-cosmic-blind-spot-20210512/ 

[2]https://phys.org/news/2019-01-physicists-supercomputers-ai-accurate-black.html 

[3]https://phys.org/news/2020-03-method-black-holes-galaxies.html 

[4]https://pypi.org/project/surfinBH/ [5]https://pypi.org/project/binaryBHexp/ 


本文来自微信公众号:量子位(ID:QbitAI),作者:边策、萧箫

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