Fale grawitacyjne, rozchodzące się jak fale na jeziorze, powstają za każdym razem gdy masa doznaje przyspieszenia. Ponieważ wielkość fal jest wprost proporcjonalna do ilości przyspieszanej masy, o wiele łatwiej jest rejestrować fale pochodzące z przemieszczania się ogromnych mas, np. łączenia się ze sobą czarnych dziur czy gwiazd neutronowych. Instytut Alberta Einsteina (Albert Einstein Institute – AEI) w Poczdamie w Niemczech, uzyskał potężne narzędzie pomocne w próbie modelowania, zrozumienia i wykrycia fal grawitacyjnych: superkomputer nazwany na cześć rzymskiej bogini mądrości – Minerwy.

Nowy superkomputer „Minerva” w Instytucie Alberta Einsteina w Poczdamie.

Badanie fal grawitacyjnych wymaga znacznie większej mocy obliczeniowej niż mają przeciętne komputery osobiste. Aby wykonać tak długie i złożone obliczenia wymagające numerycznego rozwiązania równań pola stworzonych przez Einsteina, konieczne są potężne superkomputery.

„Symulacja pierwszej fali grawitacyjnej zarejestrowanej przez LIGO trwała przez trzy tygodnie na naszym poprzednim superkomputerze Datura” wyjaśnia dyrektor AEI, prof. Alessandra Buonanno. „Minerva jest znacząco szybsza, w związku z czym będziemy mogli jeszcze prędzej reagować na nowe wykrycia fal i opracowywać więcej danych.”

Minerva składa się z 594 jednostek obliczeniowych, z których każda zawiera dwa ośmiordzeniowe procesory Intel Xeon i 64 GB pamięci DDR4 RAM. Daje to w sumie 9 504 rdzeni rdzeni w jej równoległym systemie plików. Taka specyfikacja pokazuje, że Minerva jest ponad 6 razy potężniejsza od swojego poprzednika, gdy chodzi o rozwiązywanie skomplikowanych równań i modeli związanych z wykrywaniem i charakteryzacji fal grawitacyjnych.

Promieniowanie grawitacyjne można porównać do promieniowania elektromagnetycznego  na wiele sposobów. Podobnie jak cząstki emitują fotony o różnych długościach fali, które astronomowie mogą obserwować na ziemi, ruch materii może wywołać promieniowanie grawitacyjne, które jest wykrywalne tu na Ziemi. Jeśli jednak porównamy długości tych fal, okaże się, że fale grawitacyjne są dużo dłuższe od świetlnych, a  podobne są raczej do fal dźwiękowych. Nie można w związku z tym na podstawie fal grawitacyjnych stworzyć „tradycyjnego” obrazu, można jednakże dowiedzieć się dużo o stanie układu, który je wytworzył. Taki system tworzą zazwyczaj dwa bardzo masywne i zwarte obiekty, takie jak czarne dziury albo gwiazdy neutronowe, które coraz szybciej opadają na siebie po spiralnym torze. Podczas tego procesu przybliżania się do siebie, część energii układu jest wypromieniowywana w postaci fal grawitacyjnych, aż do momentu zderzenia się dwóch ciał.

Wizja artystyczna przedstawiająca zderzenie dwóch gwiazd neutronowych.

Wykrywanie fal grawitacyjnych nie należy do łatwych zadań, mimo że zostały one przewidziane już przez Einsteina. Problemów jest wiele, jak z każdym nowym odkryciem. Głównie jest to związane z bardzo słabymi sygnałami, które próbujemy mierzyć, przez co mogą one zlać się z szumami pochodzącymi z otoczenia. Dzięki uprzedniemu modelowaniu form jakie może przybierać sygnał pochodzący z najróżniejszych systemów podwójnych w zależności od mas poszczególnych obiektów i ich spinów, naukowcy są w stanie lepiej znajdować rzeczywiste fale ukryte w tych szumach. Zwiększona moc obliczeniowa, zapewniona przez Minervę, przełoży się bezpośrednio na szybsze i dokładniejsze przeszukiwanie danych w poszukiwaniu fal grawitacyjnych.

Minerva zaczęła działać w bardzo ważnym czasie, kiedy oba detektory fal grawitacyjnych (Advanced LIGO w Stanach Zjednoczonych i GEO600 w Niemczech) weszły w kolejną fazę działania i dzięki temu mają mieć dużo większą czułość niż dotychczas. Powinno to pozwolić na rejestrowanie fal z odległości o 20% większej niż poprzednio, zwiększając szybkość wykrywania zjawiska o około 70%.

Nowe obserwacje fal grawitacyjnych nie tylko pomogą astronomom lepiej zrozumieć systemy i wydarzenia, które je tworzą, ale będą również oferować coraz bardziej precyzyjne testy ogólnej teorii względności Einsteina.

Autor

Tobiasz Wojnar
Tobiasz Wojnar

Student Informatyki na Politechnice Wrocławskiej. Członek Klubu Astronomicznego Almukantarat oraz prezes koła naukowego PWr Aerospace