Quand les trous noirs se croisent

Théorie des trous noirs et Loop Quantum Gravity

Les trous noirs ne peuvent pas être entièrement décrits par la relativité générale, mais les physiciens espèrent comprendre le fonctionnement interne de ces objets étranges en appliquant une théorie appelée gravitation quantique en boucle. (Crédit image: Felipe Esquivel Reed)

Kai Staats, cinéaste et écrivain scientifique, était le co-fondateur de Terra Soft Solutions, ancien développeur de Yellow Dog Linux et des systèmes HPC d'architecture POWER. Il travaille maintenant sur son M.S. en mathématiques appliquées à l'Université de Cape Town, Afrique du Sud. Staats a contribué cet article àLes voix d'experts de demokratija.eu : Op-Ed & Insights .



En 2007, alors que Sony, Microsoft et Nintendo se précipitaient pour fournir la boîte de jeu de bureau la plus puissante du marché, l'astrophysicien Gaurav Khanna de l'Université du Massachusetts, à Dartmouth, se précipitait vers le Walmart local pour acheter non pas une, mais seize PlayStation3 Sony. (PS3). Un joueur passionné, il n'est pas - ce qu'il a accompli avec ces PS3 était assez différent de ce que l'entreprise Sony avait peut-être prévu.

En 2009, Khanna a exploité la puissance des microprocesseurs IBM Cell dans un cluster de 16 PS3 pour développer une sorte de superordinateur. Aujourd'hui, près d'une demi-douzaine d'années plus tard, la PS3 de Sony a été usurpée par la PS4, une concurrence féroce d'autres systèmes et des joueurs avides qui préfèrent les supercalculateurs refroidis à l'eau, construits à la maison. [Les consoles Playstation 3 s'attaquent aux vibrations du trou noir]

Alors que d'autres ont échangé leurs PS3 à la bourse de jeux locale, dans l'effort ultime de bricolage, Khanna a acquis 200 PS3 supplémentaires - avec 200 de plusen route -et construit un superordinateur à l'intérieur d'une semi-remorque réfrigérée sur le campus de l'Université du Massachusetts, à Dartmouth.

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L'astrophysicien Gaurav Khanna de UMass Dartmouth connecte les systèmes de jeu Sony PlayStation3 en un seul système, un superordinateur que lui et ses collègues utilisent pour étudier les trous noirs.(Crédit image : Gaurav Khanna, UMass Dartmouth)

Pourquoi?

Ces minuscules boîtes noires brillantes créent des trous noirs massifs. Virtuellement, bien sûr, mais ce que Khanna simule change la compréhension contemporaine de la façon dont les trous noirs interagissent avec les étoiles, d'autres trous noirs, et même comment un trou noir peut faire le tour de sa galaxie locale, comme un ballon qui se dégonfle rapidement. cercles jusqu'à ce qu'il crie à travers la pièce.

Avec ses collaborateurs Richard Price, physicien à l'Université du Texas à Brownsville, et Scott Hughes, astrophysicien au MIT, Khanna a réalisé une étude minutieuse du comportement des trous noirs au cours des dernières années à l'aide d'un modèle informatique avancé.

Alors que la capacité d'un trou noir à s'éjecter de sa galaxie hôte est théorisée depuis un certain temps, une nouvelle propriété du mécanisme de « coup de pied » peut amener le trou noir à un point mort à une certaine distance de son point de départ. Cet étrange « anti-coup de pied » a été découvert grâce à des modèles et des simulations mathématiques intenses que Khanna et ses collègues ont utilisés, tels que publiés dans une série d'articles de recherche parus dansExamen physique.

Deux trous noirs passant dans la nuit

Voici comment cela fonctionne : lorsqu'un trou noir capture ou fusionne avec un autre trou noir ou une étoile, une forte explosion de rayonnement gravitationnel est émise. Ces ondes gravitationnelles sont les mêmes ondulations dans l'espace-temps que LIGO espère détecter directement dans les prochaines années. [ 'LIGO, une passion pour la compréhension' (Couverture complète) ]

Lorsque les ondes gravitationnelles proviennent d'un système binaire de trous noirs - deux trous noirs ou un trou noir et une étoile voisine liés l'un à l'autre en orbite en décomposition - elles ont un impact physique intéressant. Fidèles à la loi de conservation de la quantité de mouvement, les ondes gravitationnelles ne transportent pas seulement l'énergie du système, provoquant la désintégration des orbites partagées ou « en spirale », elles emportent également la quantité de mouvement. Au fur et à mesure que les ondes gravitationnelles sont émises, le système binaire trou noir ou trou noir/étoile capturée subit un 'coup de pied'., 'ou recul vers l'arrière, un peu comme celui ressenti lors du tir d'un fusil. La vitesse de recul peut atteindre plusieurs milliers de kilomètres par seconde (km/s) et peut en fait éjecter un trou noir de sa galaxie hôte.

Les PlayStation3 de Sony traitent les secrets de l

Les PlayStation3 de Sony traitent les secrets de l'univers à Umass Dartmouth.(Crédit image : Gaurav Khanna, UMass Dartmouth)

Ce qui est encore plus étrange, dans des conditions spéciales au stade très avancé de la fusion du trou noir, il peut y avoir une quantité exactement égale d'anti-coup de pied qui annule complètement la pleine vitesse (vitesse et direction) du coup de pied d'origine. Cela se traduit par un système binaire de trous noirs commençant à un endroit, vacillant un peu, décollant à grande vitesse pour la brève et forte phase d'émission - pour s'arrêter brusquement en raison de l'anti-coup de pied de dernière minute. Le système binaire total peut être déplacé sur de grandes distances au cours d'un tel processus de fusion, de coup de pied et d'anti-coup de pied.

Pourquoi les trous noirs donnent-ils un coup de pied ?

L'explication intuitive de ce comportement est la suivante : les horizons d'événements des trous noirs - régions de l'espace dans lesquelles même la lumière est piégée en raison de la forte attraction de la gravité - ont une propriété de « verrouillage » plutôt intrigante, c'est-à-dire lorsqu'un grand trou noir en rotation capture un objet plus petit, aux derniers stades du processus de capture, l'objet plus petit doit se déplacer en synchronisation avec l'horizon des événements.

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L'unité de conteneur où le professeur d'UMass Dartmouth, Gaurav Khanna, stocke sa collection de plus de 200 PlayStation3 Sony, tous reliés ensemble en une seule unité de processeur massive.(Crédit image : Gaurav Khanna, UMass Dartmouth)

Maintenant, cela introduit de profondes différences entre le processus de capture d'un objet partageant un mouvement dans la même direction que l'horizon (pro-grade), ou la direction opposée (rétro-grade). En particulier, si le mouvement est rétrograde, l'objet doit se retourner complètement pour qu'il se bloque effectivement sur le mouvement de l'horizon.

Et c'est précisément ce revirement spectaculaire dans le mouvement tardif de l'objet qui est responsable de la différence entre le fait qu'un trou noir ait ou non un anti-coup de pied dans les dernières étapes du processus de capture.

Les clusters de supercalcul ajoutent du punch

La liaison par Khanna de centaines d'ordinateurs abordables (systèmes standard ou COTS) en un seul système est une approche courante pour résoudre des problèmes de recherche informatique complexes dans presque tous les domaines de la science et de l'ingénierie. L'idée d'utiliser du matériel de jeu grand public, tel que la PS3, pour construire des superordinateurs puissants et à faible coût a été lancée par Khanna en 2007 lorsqu'il a construit un petit cluster de huit PS3 et a pu effectuer des simulations de trou noir de qualité recherche. systèmes.

Les institutions de recherche du monde entier apprécient et mettent en œuvre cette approche depuis plusieurs années. L'Air Force Research Lab (AFRL) à Rome, N.Y. l'a mis en œuvre à grande échelle en 2010, en utilisant 1 716 PS3, démontrant la rentabilité dix fois supérieure d'un tel système par rapport aux superordinateurs traditionnels. Sous les auspices d'un accord de recherche et de développement coopératif du ministère de la Défense (CRADA), l'AFRL a accordé une partie importante de son cluster au groupe de recherche de Khanna : quatre racks de PS3 - soit 176 unités avec équipement réseau, câbles et logiciels associés.

Un défi pour le groupe de Khanna était de développer un environnement approprié pour les machines (puissance et capacité de refroidissement appropriées) à très faible coût, et aussi rapidement que possible. À la suggestion de cet auteur, en s'appuyant sur mon expérience de travail avec des grappes uniques, Khanna a acheté un conteneur d'expédition réfrigéré, ou « reefer », d'une taille et d'une capacité de refroidissement adéquates. Il l'a ensuite commodément garé sur le campus avec l'électricité et le réseau tirés d'un bâtiment voisin. L'ensemble du processus a été achevé du début à la fin en quelques mois, et le cluster est en pleine opération de production depuis l'hiver 2014.

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Si vous êtes un expert en la matière - chercheur, chef d'entreprise, auteur ou innovateur - et que vous souhaitez contribuer à un article d'opinion, écrivez-nous ici .(Crédit image : demokratija.eu)

Désormais, le supercalculateur PS3 est actuellement utilisé par Khanna pour effectuer des calculs volumineux et complexes non seulement dans le contexte de l'astrophysique des trous noirs, mais également pour explorer les vulnérabilités de la cybersécurité. Les performances de ce cluster sont comparables à près de 3000 cœurs de processeur d'un ordinateur portable ou d'un ordinateur de bureau typique, à un coût et à des économies d'énergie significatifs.

'Nous avons estimé que la rentabilité du cluster PS3 était dix fois supérieure à l'utilisation de pièces de superordinateur standard', a déclaré Khanna. 'À l'avenir, nous espérons que le système sera en mesure de faire la lumière sur les propriétés détaillées des ondes gravitationnelles émises par les binaires des trous noirs, et aidera également à explorer d'autres aspects astrophysiques de ces systèmes.'

En fin de compte, le système HPC avancé trouvera une utilisation au-delà des trous noirs. L'observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser ( LIGO ) travaillera avec Khanna et ses collaborateurs pour améliorer les modèles de sources d'émission d'ondes gravitationnelles, une partie essentielle des opérations LIGO.

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