Детальное моделирование черных дыр стало невероятным цифровым вызовом ученым. Но, например, для открытия гравитационных волн этих объектов оно сыграло решающую роль. Во всем мире исследователи-теоретики с нетерпением ждут нового поколения суперкомпьютеров, и уже сейчас готовят коды, которые смогут использовать новые возможности для астрономического моделирования.

Детальное моделирование черных дыр (здесь изображены две черные дыры незадолго до их слияния) представляет для теоретиков огромный вызов. © SXS

Черные дыры и после прямых измерений гравитационных волн продолжают хранить в себе очень много тайн. Что происходит, когда сливаются две черные дыры, или когда черная дыра сталкивается со звездой? Это смогли успешно смоделировать ученые немецкого университета Гёте и Франкфуртского института переовых исследований (FIAS), применив совершенно новый цифровой метод. Код моделирования «ExaHyPE» составлен таким образом, что он способен очень быстро и точно рассчитывать гравитационные волны на суперкомпьютерах следующего поколения Exascale.

Вызов при моделировании черных звезд состоит в том, что при этом необходимо решить комплексную систему уравнений – уравнения Эйнштейна. Это стало возможным при использовании цифровых технологий и осуществляется с помощью мощных параллельных вычислительных машин. Насколько хорошо и как быстро будет осуществляться приближение к решению, зависит от используемого алгоритма.

И в этом команда профессора Лучиано Рецоллы из Института теоретической физики университета Гете достигла первого важного рубежа. В долгосрочной перспективе эта теоретическая работа может расширить и экспериментальные возможности определения гравитационных волн, исходящих от иных астрономических объектов, а не только от черных дыр. Революционный цифровой метод, основывающийся на идеях российского физика Галеркина, позволяет рассчитывать гравитационные волны на суперкомпьютерах с очень высокой точностью и скоростью.

«Достичь этого было не просто, и на протяжении многих лет над этим билось немало групп ученых. Хотя достигнутое нами – это лишь малый шаг к моделированию реалистичных черных дыр, мы ожидаем, что наши расчеты станут парадигмой всех будущих расчетов», - говорит Рецолла. Его команда является частью европейского проекта сотрудничества, цель которого состоит в разработке цифрового кода моделирования ExaHyPE для гравитационных волн, который будет способен использовать мощности будущих суперкомпьютеров Exascale. Правда, пока что «в железе» их не существует, но уже сейчас во всем мире ученые изучают возможность использования машин.

Эти суперкомпьютеры представляют собой следующий этап развития сегодняшних суперкомпьютеров Petascale, и должны обеспечивать возможность осуществлять в секунду столько действий, сколько на Земле существует насекомых. А это представляет собой число с 18 нулями. Предполагается, что такие суперкомпьютеры будут иметь объем памяти, сравнимый с человеческой. Пока весь мир ждет, пока будет построен первый суперкомпьютер Exascale, разработчики кода ExaHyPE уже испытывают свое программное обеспечение в крупнейших суперкомпьютерных центрах Германии. Самые большие их них – это вычислительный центр Лейбница LRZ в Мюнхене и Высокомощный вычислительный центр HLRS в Штуттгарте. Имеющие там компьютеры уже сейчас имеют более 100 тысяч процессоров, но уже очень скоро они будут существенно расширены.

Новые математические алгоритмы не только позволяют исследовать и моделировать компактные астрофизические объекту, как черные дыры и нейтронные звезды, но и такие явления, как цунами и землетрясения. И это становится возможным благодаря основополагающим уравнениям. Исследовать и другие возможности применения алгоритма ExaHyPE, которые позволят математически описывать твердые вещества, жидкости и газы в рамках теорий электромагнетизма и гравитации, это и есть цель исследовательского проекта Horizon 2020, который поддерживается Европейской Комиссией в рамках исследовательских и инновационных программ ЕС.

«Самый увлекательный аспект проекта ExaHyPE – это уникальная комбинация теоретической физики, прикладной математики и информатики. И только путем сопряжения этих различных дисциплин мы сможем максимально использовать потенциал суперкомпьютеров, чтобы понять комплексность вселенной», - говорит профессор Михаель Думбзер, руководитель группы прикладной математики в Триенте.