Когато черните дупки се пресичат

Теория на черните дупки и квантова гравитация на контура

Черните дупки не могат да бъдат напълно описани от общата теория на относителността, но физиците се надяват да разберат вътрешната работа на тези странни обекти, като прилагат теория, наречена циклична квантова гравитация. (Изображение кредит: Фелипе Есквивел Рийд)



Кай Стаатс, режисьор и писател на наука, е съосновател на Terra Soft Solutions, бивш разработчик на Yellow Dog Linux и POWER архитектура HPC системи. Сега той работи по своя M.S. по приложна математика в университета в Кейптаун, Южна Африка. Staats допринесе за тази статияЕкспертните гласове на demokratija.eu: Op-Ed & Insights.



През 2007 г., когато Sony, Microsoft и Nintendo се надпреварваха да доставят най -мощната кутия за настолни игри на пазара, астрофизикът Гаурав Хана от Университета в Масачузетс, Дартмут, се надпреварваше към местния Walmart, за да закупи не само един, а шестнадесет Sony PlayStation3 (PS3). Той не е запален геймър - това, което постигна с тези PS3, беше доста различно от това, което корпорацията Sony може би е имала предвид.

През 2009 г. Khanna използва силата на микропроцесорите IBM Cell в клъстер от 16 PS3, за да разработи своеобразен суперкомпютър. Сега, почти половин дузина години по-късно, Sony PS3 е узурпиран от PS4, ожесточена конкуренция от други системи и запалени геймъри, които предпочитат водно охлаждане, домашно построени суперкомпютърни мощности. [Playstation 3 конзоли се справят с вибрациите с черна дупка]



Докато други са търгували своите PS3 на местната борса за игри, в крайна сметка DIY, Khanna е придобила 200 допълнителни PS3 - с още 200по пътя -и построи суперкомпютър в хладилно полуремарке в кампуса в Университета на Масачузетс, Дартмут.

Астрофизикът Гаурав Хана от UMass Dartmouth свързва игровата система на Sony PlayStation3 в единна система, суперкомпютър, който той и колегите му използват за изучаване на черни дупки.

Астрофизикът Гаурав Хана от UMass Dartmouth свързва игровата система на Sony PlayStation3 в единна система, суперкомпютър, който той и колегите му използват за изучаване на черни дупки.(Изображение кредит: Gaurav Khanna, UMass Dartmouth)



Защо?

Тези малки, лъскави черни кутии създават масивни черни дупки. На практика, разбира се, но това, което Хана симулира, променя съвременното разбиране за това как черните дупки взаимодействат със звезди, други черни дупки и дори как една черна дупка може да направи обиколка на локалната си галактика, като балон, който бързо се издухва. кръгове, докато изпищя из стаята.

Със сътрудниците си Ричард Прайс, физик от Тексаския университет в Браунсвил и Скот Хюз, астрофизик от MIT, Хана извърши внимателно проучване на поведението на черните дупки през последните няколко години, използвайки усъвършенстван изчислителен модел.



Докато способността на черна дупка да се изхвърли от своята галактика-гостоприемник е теоретизирана от известно време, ново свойство на механизма „удар“ може да доведе черната дупка до мъртва точка на известно разстояние от мястото, където е започнала. Този странен „антиудар“ е открит чрез интензивни математически модели и симулации, използвани от Khanna и колегите му, публикувани в поредица изследователски статии, които са публикувани вФизически преглед.

Две черни дупки, преминаващи през нощта

Ето как работи: Когато черна дупка улавя или се слива с друга черна дупка или звезда, се излъчва силен изблик на гравитационна радиация. Тези гравитационни вълни са същите вълни в пространството-време, които LIGO се надява да открие директно през следващите няколко години. [„LIGO, Страст за разбиране“ (Пълно покритие)]

Когато гравитационните вълни възникват от двоична система с черни дупки - две черни дупки или черна дупка и съседна звезда, свързани помежду си в разпадаща се орбита - те имат интересно физическо въздействие. Верни на закона за запазване на инерцията, гравитационните вълни не само отвеждат енергията от системата, причинявайки общите орбити да се разпадат или „в спирала“, но също така отнасят инерцията. Тъй като гравитационните вълни се излъчват, двоичната черна дупка или системата с черна дупка / улавена звезда изпитва „удар“, 'или откат назад, подобно на това, което се усеща при стрелба с пушка. Скоростта на откат може да достигне няколко хиляди километра в секунда (км/сек) и всъщност може да изхвърли черна дупка от нейната приемна галактика.

Sony PlayStation3s обработват тайните на вселената в Umass Dartmouth.

Sony PlayStation3s обработват тайните на вселената в Umass Dartmouth.(Изображение кредит: Gaurav Khanna, UMass Dartmouth)

Още по-странното е, че при специални условия в много късния етап на сливането на черните дупки може да има точно еднакво количество антиудар, който напълно отменя пълната скорост (скорост и посока) на първоначалния удар. Това води до това, че двоичната система с черна дупка започва на едно място, трептене за малко, излитане с висока скорост за кратката, силна емисионна фаза-само за да бъде спряна внезапно поради късния етап срещу удара. Общата двоична система може да бъде изместена на големи разстояния по време на такъв процес на сливане, удар и анти-удар.

Защо черните дупки ритат?

Интуитивното обяснение за това поведение е следното: Хоризонтите на събития с черна дупка - области на пространството, където дори светлината се улавя поради силното привличане на гравитацията - имат доста интригуващо „заключващо“ свойство, т.е. когато голяма въртяща се черна дупка улавя по-малък обект, в късните етапи на процеса на улавяне, по-малкият обект трябва да се движи в стъпка на заключване с хоризонта на събитията.

Контейнерната единица, където професорът от UMass Dartmouth Гаурав Хана съхранява колекцията си от повече от 200 Sony PlayStation3, всички свързани заедно като един масивен процесор.

Контейнерната единица, където професорът от UMass Dartmouth Гаурав Хана съхранява колекцията си от повече от 200 Sony PlayStation3, всички свързани заедно като един масивен процесор.(Изображение кредит: Gaurav Khanna, UMass Dartmouth)

Сега това въвежда дълбоки разлики между процеса на улавяне на обект, споделящ движение в същата посока като хоризонта (про-степен), или в обратна посока (ретро-степен). По-специално, ако движението е с ретро степен, обектът трябва да се обърне напълно, така че наистина да се заключи към хоризонталното движение.

И точно този драматичен обрат в движението на обекта в късната фаза е отговорен за разликата в това дали черната дупка има анти-удар в късните етапи на процеса на улавяне.

Суперкомпютърните клъстери добавят удар

Свързването на Хана на стотици достъпни компютри (стокови готови или COTS системи)-в една система е общ подход за решаване на сложни изчислителни изследователски проблеми в почти всички области на науката и инженерството. Идеята за използване на потребителски хардуер за игри, като PS3, за изграждане на евтини мощни, суперкомпютри е създадена от Khanna през 2007 г., когато той изгражда малък осем PS3 клъстер и е в състояние да извърши изследователски симулации на черна дупка системи.

Изследователските институции по целия свят оценяват и прилагат този подход в продължение на няколко години. Изследователската лаборатория на военновъздушните сили (AFRL) в Рим, Ню Йорк, я внедри в голям мащаб през 2010 г., използвайки 1716 PS3, демонстрирайки десетократно по-висока рентабилност на такава система спрямо традиционните суперкомпютри. Под егидата на Споразумението за сътрудничество за научноизследователска и развойна дейност на Министерството на отбраната (CRADA), AFRL предостави значителна част от техния клъстер на изследователската група на Khanna: четири стелажа от PS3 - превеждащи се на 176 единици със свързана мрежова екипировка, кабели и софтуер.

Предизвикателство за групата на Khanna беше да разработи подходяща среда за машините (подходяща мощност и охлаждащ капацитет) на много ниска цена, а също и възможно най -бързо. По предложение на този автор, надграждайки моя опит в работата с уникални клъстери, Khanna закупи хладилен транспортен контейнер или „рефрижератор“ с подходящ размер и охлаждащ капацитет. След това той удобно го паркира в кампуса с захранване и мрежа от близката сграда. Целият процес беше завършен от началото до края в рамките на няколко месеца, а клъстерът беше в пълна производствена дейност от зимата 2014 г.

Ако ти

Ако сте актуален експерт-изследовател, бизнес лидер, автор или новатор-и бихте искали да допринесете с опис, изпратете ни имейл тук .(Изображение кредит: demokratija.eu)

Понастоящем суперкомпютърът PS3 се използва от Khanna за извършване на големи и сложни изчисления не само в контекста на астрофизиката на черните дупки, но и за изследване на уязвимости в киберсигурността. Производителността на този клъстер е сравнима с почти 3000 процесорни ядра на типичен лаптоп или настолен компютър, при значителни разходи и икономия на енергия.

„Ние сме изчислили, че икономическата ефективност на PS3 клъстера е десетократна, като се използват стандартни суперкомпютърни части“, каза Хана. 'Напредвайки, ние се надяваме, че системата ще може да хвърли допълнителна светлина върху подробните свойства на гравитационните вълни, излъчвани от двоични файлове на черна дупка, и също така да помогне за изследването на допълнителни астрофизични аспекти на такива системи.'

В крайна сметка усъвършенстваната система HPC ще намери приложение извън черните дупки. Обсерваторията за гравитационни вълни на лазерния интерферометър ( LIGO ) ще работи с Khanna и неговите сътрудници за подобряване на моделите източници на емисии на гравитационни вълни, критична част от операциите на LIGO.

Следвайте всички въпроси и дебати на експертните гласове - и станете част от дискусията - нататък Facebook , Twitter и Google + . Изразените мнения са на автора и не отразяват непременно вижданията на издателя. Тази версия на статията първоначално е публикувана на demokratija.eu.