When Black Holes Cross Paths

Kai Staats, filmmaker en wetenschapsschrijver, was de mede-oprichter van Terra Soft Solutions, voormalig ontwikkelaar van Yellow Dog Linux en POWER-architectuur HPC-systemen. Hij werkt nu aan zijn M.S. in Applied Mathematics aan de Universiteit van Kaapstad, Zuid-Afrika. Staats heeft dit artikel bijgedragen aan Professionele voices van ProfoundSpace.org: Op-Ed & Insights.

In 2007, toen Sony, Microsoft en Nintendo aan het racen waren om de krachtigste desktopgame-box op de markt te leveren, racete astrofysicus Gaurav Khanna van de Universiteit van Massachusetts, Dartmouth, naar de lokale Walmart om niet één, maar zestien Sony PlayStation3s te kopen (PS3). Een fervent gamer die hij niet is - wat hij met die PS3's heeft bereikt, was heel anders dan wat Sony het bedrijf ooit had bedoeld.

In 2009 maakte Khanna gebruik van de kracht van de IBM Cell-microprocessors in een cluster van 16 PS3's om een ​​soort supercomputer te ontwikkelen. Nu, bijna zes jaar later, is de Sony PS3 overgenomen door de PS4, felle concurrentie van andere systemen en fanatieke gamers die de voorkeur geven aan watergekoelde, zelfgebouwde supercomputerende krachtpatsers. [Playstation 3-consoles tillen trillingen in zwart gat aan]

Terwijl anderen hun PS3's hebben ingeruild voor de lokale game-uitwisseling, in de ultieme doe-het-zelf-poging, heeft Khanna 200 extra PS3's gekocht - met nog eens 200 extra onderweg - en bouwde een supercomputer in een gekoelde oplegger op de campus aan de Universiteit van Massachusetts, Dartmouth.

Waarom?

Die kleine, glimmende zwarte dozen creëren enorme zwarte gaten. Vrijwel natuurlijk, maar wat Khanna simuleert, verandert het hedendaagse begrip van hoe zwarte gaten interageren met sterren, andere zwarte gaten, en zelfs hoe een zwart gat een rondleiding door de lokale melkweg kan maken, als een snel leeglopende ballon die rond zwiepte in cirkels totdat het door de kamer schreeuwt.

Met medewerkers Richard Price, een natuurkundige aan de Universiteit van Texas in Brownsville, en Scott Hughes, een astrofysicus bij MIT, voerde Khanna de afgelopen jaren een zorgvuldige studie uit van het gedrag van zwarte gaten met behulp van een geavanceerd computermodel.

Terwijl de capaciteit voor een zwart gat om zichzelf uit zijn gastheerstelsel te verwijderen al enige tijd wordt getheoretiseerd, kan een nieuwe eigenschap van het "trap" -mechanisme het zwarte gat op enige afstand van waar het begon, tot stilstand brengen. Deze bizarre "anti-kick" werd ontdekt door middel van intense, wiskundige modellen en simulaties die Khanna en zijn collega's in dienst hadden, zoals gepubliceerd in een reeks onderzoekspapers die zijn verschenen in Fysieke beoordeling.

Twee zwarte gaten passeren in de nacht

Zo werkt het: wanneer een zwart gat vangt of samensmelt met een ander zwart gat of een ster, wordt een sterke uitbarsting van gravitationele straling uitgezonden. Deze zwaartekrachtgolven zijn dezelfde rimpelingen in ruimte-tijd die LIGO hoopt direct te detecteren in de komende jaren. ['LIGO, A Passion for Understanding' (Complete dekking)]

Wanneer zwaartekrachtsgolven ontstaan ​​uit een binair zwart gatensysteem - twee zwarte gaten of een zwart gat en een naburige ster die aan elkaar zijn gebonden in een rottende baan - hebben ze een interessante fysieke impact. Trouw aan de wet van instandhouding van momentum, dragen zwaartekrachtsgolven niet alleen energie weg van het systeem, waardoor de gedeelde banen vervallen of "in-spiraal" zijn, ze dragen ook het momentum weg. Terwijl de zwaartekrachtsgolven worden uitgezonden, ervaart het binaire zwarte gat of zwarte gat / veroverde sterrenstelsel een "schop," of achterwaartse terugslag, heel erg zoals dat voelde bij het schieten van een geweer. De terugslagsnelheid kan enkele duizenden kilometers per seconde (km / s) bedragen en kan feitelijk een zwart gat uit zijn gastheelsysteem verwijderen.

Wat nog vreemder is, onder speciale omstandigheden in de zeer late fase van de black-hole-fusie, kan er een precies gelijke hoeveelheid anti-kick zijn die de volledige snelheid (snelheid en richting) van de originele kick volledig annuleert. Dit resulteert in een binair systeem met een zwart gat dat op één locatie begint, dat een beetje wiebelt en op hoge snelheid opstijgt voor de korte, sterke emissiefase - en dat door de anti-kick in een laat stadium abrupt tot stilstand wordt gebracht. Het totale binaire systeem kan tijdens een dergelijk fusie-, trap- en antikickproces grote afstanden worden verplaatst.

Waarom schoppen zwarte gaten?

De intuïtieve verklaring voor dat gedrag gaat als volgt: Blackhorse-evenementhorizonnen - gebieden van ruimte waarin zelfs licht gevangen raakt door de sterke aantrekkingskracht van de zwaartekracht - hebben een nogal intrigerende "vergrendelende" eigenschap, dat wil zeggen wanneer een groot draaiend zwart gat een kleiner object, in de late stadia van het opnameproces moet het kleinere object in vergrendelde pas bewegen met de gebeurtenishoek horizon.

Dit introduceert nu diepgaande verschillen tussen het proces van het vastleggen van een beweging voor objectdeling in dezelfde richting als de horizon (pro-grade) of de tegenovergestelde richting (retro-grade). In het bijzonder, als de beweging retrograde is, moet het voorwerp volledig ronddraaien zodat het inderdaad vergrendelt aan de beweging van de horizon.

En het is precies deze dramatische ommekeer in de laat-stadiumbeweging van het object die verantwoordelijk is voor het verschil of een zwart gat in de late stadia van het vangproces al dan niet een anti-kick heeft.

Supercomputingclusters voegen kick toe

Khanna's koppeling van honderden betaalbare computers (standaard uit de handel of COTS, systemen) - tot een enkel systeem is een gemeenschappelijke aanpak voor het oplossen van complexe computeronderzoeksproblemen op bijna alle gebieden van wetenschap en techniek. Het idee om consumenten gaming-hardware te gebruiken, zoals de PS3, om goedkope supercomputers te bouwen, werd in 2007 door Khanna gepionierd toen hij een klein acht-PS3 cluster bouwde en onderzoekssculaties van zwart gat kon uitvoeren systemen.

Onderzoeksinstellingen over de hele wereld hebben deze aanpak al enkele jaren op prijs gesteld en geïmplementeerd.Het Air Force Research Lab (AFRL) in Rome, N.Y. heeft het in 2010 op grote schaal geïmplementeerd met behulp van 1.716 PS3's, wat een tienvoudige hogere kosteneffectiviteit van een dergelijk systeem ten opzichte van traditionele supercomputers aantoont. Onder de auspiciën van een afdeling van de Coöperatieve Onderzoeks- en Ontwikkelingsovereenkomst van het Ministerie van Defensie (CRADA), heeft de AFRL een aanzienlijk deel van hun cluster aan Khanna's onderzoeksgroep verleend: vier racks met PS3's - wat overeenkomt met 176 eenheden met bijbehorende netwerkapparatuur, kabels en software.

Een uitdaging voor Khanna's groep was om een ​​geschikte omgeving voor de machines te ontwikkelen (juiste stroom- en koelcapaciteit) tegen zeer lage kosten, en ook zo snel mogelijk. Op aanraden van deze auteur kocht Khanna, voortbouwend op mijn ervaring met het werken met unieke clusters, een gekoelde transportcontainer of "reefer" met voldoende capaciteit en koelcapaciteit. Hij parkeerde het toen handig op de campus met stroom en netwerk uit een nabijgelegen gebouw. Het hele proces is in enkele maanden van begin tot eind voltooid en het cluster is sinds de winter van 2014 volledig in bedrijf.

Nu wordt de PS3-supercomputer momenteel door Khanna gebruikt om grote en complexe berekeningen uit te voeren, niet alleen in de context van astrofysica met een zwart gat, maar ook om kwetsbaarheden in cybersecurity te onderzoeken. De prestaties van dit cluster zijn vergelijkbaar met bijna 3000 processor-kernen van een normale laptop of desktop, met aanzienlijke kosten- en energiebesparingen.

"We hebben geschat dat de kosteneffectiviteit van het PS3-cluster een factor tien is ten opzichte van standaard supercomputeronderdelen," zei Khanna. "Vooruitlopend hopen we dat het systeem in staat zal zijn om verder licht te werpen op de gedetailleerde eigenschappen van zwaartekrachtsgolven die worden uitgezonden door binaire bestanden met zwart gat, en ook om aanvullende astrofysische aspecten van dergelijke systemen te onderzoeken."

Uiteindelijk zal het geavanceerde HPC-systeem gebruik vinden voorbij zwarte gaten. De Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) zal met Khanna en zijn medewerkers samenwerken om zwaartekrachtgolfemissiebronmodellen te verbeteren, een cruciaal onderdeel van LIGO-operaties.