Введение
Подобласть научных вычислений, предназначенная для решения уравнений общей теории относительности. Численная относительность – это одно из направлений общей теории относительности, использующее численные методы и алгоритмы для решения и анализа задач. Для этого часто применяются суперкомпьютеры для изучения чёрных дыр, гравитационных волн, нейтронных звёзд и многих других явлений, описываемых теорией относительности Эйнштейна. В настоящее время активно развивающимся направлением в численной относительности является моделирование релятивистских двойных систем и генерируемых ими гравитационных волн.
Numerical relativity is one of the branches of general relativity that uses numerical methods and algorithms to solve and analyze problems. To this end, supercomputers are often employed to study black holes, gravitational waves, neutron stars and many other phenomena described by Einstein's theory of general relativity. A currently active field of research in numerical relativity is the simulation of relativistic binaries and their associated gravitational waves.
Обзор
Основная цель численной теории относительности – изучение пространств-времен, точная форма которых неизвестна. Пространства-времена, найденные таким образом, могут быть полностью динамическими, стационарными или статическими и могут содержать поля материи или вакуум. В случае стационарных и статических решений численные методы также могут использоваться для изучения стабильности равновесных пространств-времен. В случае динамических пространств-времен задача может быть разделена на задачу начальных условий и эволюцию, каждый из которых требует различных методов. Числовая теория относительности применяется во многих областях, таких как космологические модели, критические явления, возмущенные черные дыры и нейтронные звезды, а также слияние черных дыр и нейтронных звезд, например. В любом из этих случаев уравнения Эйнштейна могут быть сформулированы несколькими способами, позволяющими изучать динамику. Хотя методы Коши получили наибольшее внимание, также использовались методы, основанные на характеристическом исчислении и исчислении Редже. Все эти методы начинаются с моментального снимка гравитационных полей на некоторой гиперповерхности – начальных данных – и развивают эти данные на соседние гиперповерхности. Как и во всех задачах численного анализа, особое внимание уделяется стабильности и сходимости численных решений. В связи с этим большое внимание уделяется условиям калибровки, координатам и различным формулировкам уравнений Эйнштейна, а также их влиянию на возможность получения точных численных решений. Исследования в области численной теории относительности отличаются от работы над классическими теориями поля, поскольку многие методы, применяемые в этих областях, неприменимы в теории относительности. Однако многие аспекты разделяются с крупномасштабными задачами в других вычислительных науках, таких как вычислительная гидродинамика, электромагнетизм и механика твердого тела. Специалисты по численной теории относительности часто работают с прикладными математиками и используют результаты численного анализа, научных вычислений, теории дифференциальных уравнений и геометрии, среди других математических областей специализации.
Основы теории
Альберт Эйнштейн опубликовал свою теорию общей относительности в 1915 году. В ней, как и в его более ранней теории специальной относительности, пространство и время описываются как единое пространство-время, подчиняющееся тому, что теперь известно как уравнения поля Эйнштейна. Эти уравнения представляют собой набор связанных нелинейных уравнений в частных производных (PDE). Спустя более 100 лет после первой публикации теории, известно относительно немного точных решений уравнений поля, и большинство из них – космологические решения, использующие специальную симметрию для уменьшения сложности уравнений. Область численной относительности возникла из стремления построить и изучить более общие решения уравнений поля, приближенно решая уравнения Эйнштейна численными методами. Необходимым условием для таких попыток стало разделение пространства-времени на отдельные пространственные и временные компоненты. Это было впервые опубликовано Ричардом Арновитом, Стэнли Дезер и Чарльзом В. Миснером в конце 1950-х годов в том, что стало известно как формализм ADM. Хотя по техническим причинам точные уравнения, сформулированные в оригинальной работе ADM, редко используются в численных симуляциях, большинство практических подходов к численной теории относительности используют "3+1 разложение" пространства-времени на трехмерное пространство и одномерное время, тесно связанное с формулировкой ADM, поскольку процедура ADM переформулирует уравнения поля Эйнштейна в задачу начальных условий с ограничениями, которую можно решить с помощью вычислительных методов. В то время, когда ADM опубликовал свою первоначальную работу, компьютерные технологии не позволяли численно решать их уравнения для задач какого-либо существенного размера. Первой задокументированной попыткой численного решения уравнений поля Эйнштейна, по-видимому, была работа Хана и Линдквиста в 1964 году, за которой вскоре последовали работы Смарра и Эппли. Эти ранние попытки были сосредоточены на эволюции данных Миснера в осевой симметрии (также известной как "2+1 измерения"). Примерно в то же время Цви Пиран написал первый код, который моделировал систему с гравитационным излучением, используя цилиндрическую симметрию. В этой работе Пиран заложил основу для многих концепций, используемых сегодня при эволюции уравнений ADM, таких как "свободная эволюция" и "эволюция с ограничениями", которые решают фундаментальную проблему обработки уравнений ограничений, возникающих в формализме ADM. Использование симметрии уменьшило вычислительные и требования к памяти, связанные с задачей, что позволило исследователям получить результаты на доступных в то время суперкомпьютерах.
Первые результаты
Первые реалистичные расчёты вращающегося коллапса были выполнены в начале 1980-х годов Ричардом Старком и Цви Пираном, в которых впервые были рассчитаны формы гравитационных волн, возникающие при образовании вращающейся чёрной дыры. В течение почти 20 лет после первых результатов было опубликовано относительно немного других работ в области численной теории относительности, вероятно, из-за недостатка достаточно мощных компьютеров для решения этой задачи. В конце 1990-х годов Альянс "Большой вызов: бинарные чёрные дыры" успешно смоделировал лобовое столкновение двух чёрных дыр. В качестве последующего этапа группа вычислила горизонт событий для данного пространства-времени. Этот результат всё ещё требовал наложения и использования осевой симметрии в расчётах. Некоторые из первых задокументированных попыток решить уравнения Эйнштейна в трёх измерениях были сосредоточены на одиночной чёрной дыре Шварцшильда, которая описывается статическим и сферически симметричным решением уравнений Эйнштейна. Это предоставляет отличный тестовый пример для численной теории относительности, поскольку существует аналитическое решение, позволяющее сравнивать численные результаты с точным решением, поскольку решение статично и содержит одну из наиболее сложных с вычислительной точки зрения особенностей теории относительности – физическую сингулярность. Одной из первых групп, попытавшихся смоделировать это решение, была группа Anninos и др. в 1995 году. В своей статье они отмечают, что "прогресс в трёхмерной численной теории относительности был частично затруднён недостатком компьютеров с достаточным объёмом памяти и вычислительной мощностью для проведения хорошо разрешённых расчётов трёхмерного пространства-времени".
"Progress in three dimensional numerical relativity has been impeded in part by lack of computers with sufficient memory and computational power to perform well resolved calculations of 3D spacetimes."
Срок созревания поля
В последующие годы компьютеры не только стали более мощными, но и различные исследовательские группы разработали альтернативные методы повышения эффективности вычислений. В частности, для моделирования черных дыр были разработаны два подхода, позволяющих избежать проблем, связанных с наличием физических сингулярностей в решениях уравнений: (1) вырезание (excision) и (2) метод "пункции" (puncture method). Кроме того, группа Lazarus разработала методы использования результатов начального этапа короткой симуляции, решающей нелинейные уравнения ADM, для получения начальных данных для более стабильного кода, основанного на линеаризованных уравнениях, полученных из теории возмущений. В более широком смысле, методы адаптивной проработки сетки, уже применявшиеся в вычислительной гидродинамике, были внедрены в область численной относительности.
Вырез
В методе высечения, впервые предложенном в конце 1990-х годов, часть пространства-времени внутри горизонта событий, окружающего сингулярность чёрной дыры, просто не прослеживается во времени. Теоретически, это не должно влиять на решение уравнений за пределами горизонта событий благодаря принципу причинности и свойствам горизонта событий (то есть, ничто физическое внутри чёрной дыры не может оказывать влияние на физику за пределами горизонта). Таким образом, если просто не решать уравнения внутри горизонта, всё равно можно получить корректные решения снаружи. Внутренняя область "высекается" путём задания входящих граничных условий на границе, окружающей сингулярность, но находящейся внутри горизонта. Хотя реализация метода высечения оказалась весьма успешной, у него есть две незначительные проблемы. Первая заключается в необходимости осторожного выбора условий координат. В то время как физические эффекты не могут распространяться изнутри наружу, координатные эффекты могут. Например, если условия координат эллиптические, изменения координат внутри могут мгновенно распространяться наружу через горизонт. Это означает, что для распространения координатных эффектов требуются условия координат гиперболического типа с характеристическими скоростями, меньшими скорости света (например, использование гармонических координат). Вторая проблема состоит в том, что при движении чёрных дыр необходимо постоянно корректировать положение области высечения, чтобы она двигалась вместе с чёрной дырой. Техника высечения разрабатывалась в течение нескольких лет, включая разработку новых условий калибровки, повышающих стабильность, и исследования, демонстрирующие способность областей высечения перемещаться по вычислительной сетке. Первая стабильная, долгосрочная эволюция орбиты и слияния двух чёрных дыр с использованием этой техники была опубликована в 2005 году.
Прокол
При методе прокола решение раскладывается на аналитическую часть, содержащую сингулярность черной дыры, и численно построенную часть, которая свободна от сингулярностей. Это обобщение рецепта Брилла-Линдквиста для начальных данных о покоящихся черных дырах и может быть обобщено до рецепта Боуэна-Йорка для вращающихся и движущихся начальных данных о черных дырах. До 2005 года все опубликованные применения метода прокола требовали, чтобы координатное положение всех проколов оставалось фиксированным на протяжении всего процесса моделирования. Разумеется, черные дыры, находящиеся вблизи друг от друга, будут стремиться двигаться под действием гравитации, поэтому фиксация координатного положения прокола приводила к тому, что сами системы координат становились "растянутыми" или "искривленными", что обычно вызывало численную нестабильность на каком-то этапе моделирования.
Прорыв 2005 года (annus mirabilis численной теории относительности)
В 2005 году группа исследователей впервые продемонстрировала возможность перемещать сингулярности (или "проколы") сквозь систему координат, тем самым устранив некоторые из прежних проблем метода. Это позволило проводить точное долгосрочное моделирование эволюции черных дыр. Выбирая подходящие координатные условия и делая упрощенные аналитические предположения о полях вблизи сингулярности (поскольку никакие физические эффекты не могут выйти за горизонт событий черной дыры, точность этих приближений не имеет значения), удалось получить численные решения задачи о движении двух черных дыр вокруг друг друга, а также точно вычислить гравитационное излучение (рябь в пространстве-времени), испускаемое ими. 2005 год назвали "annus mirabilis" численной общей теории относительности, в ознаменование столетия "annus mirabilis" специальной теории относительности (1905).
Проект Лазаря
Проект Lazarus (1998–2005) был разработан как метод, последовавший за Grand Challenge, для получения астрофизических результатов из непродолжительных полных численных симуляций двойных черных дыр. Он объединил методы приближения, используемые до (пост-ньютоновские траектории) и после (возмущения одиночных черных дыр) проведения полных численных симуляций, направленных на решение уравнений поля общей теории относительности. Все предыдущие попытки численного интегрирования уравнений Гильберта — Эйнштейна, описывающих гравитационное поле вокруг двойных черных дыр, на суперкомпьютерах приводили к сбоям в работе программного обеспечения до завершения даже одного оборота. Подход Lazarus, тем временем, позволил получить наиболее глубокое понимание проблемы двойных черных дыр и предоставил многочисленные и относительно точные результаты, такие как энергия и угловой момент, излучаемые в финальной стадии слияния, линейный импульс, излучаемый системами с неравными массами черных дыр, а также конечная масса и спин образовавшейся черной дыры. Метод также вычислил детальные гравитационные волны, возникающие в процессе слияния, и предсказал, что столкновение черных дыр является самым энергетически мощным единичным событием во Вселенной, высвобождающим за долю секунды в виде гравитационного излучения больше энергии, чем вся галактика за время своего существования.
Усовершенствование адаптивных сеток
Адаптивное уточнение сетки (AMR) как численный метод имеет корни, уходящие далеко за пределы его первого применения в области численной относительности. Уточнение сетки впервые появляется в литературе по численной относительности в 1980-х годах в работах Чоптуика, посвященных исследованию критического коллапса скалярных полей. Изначальная работа была выполнена в одном измерении, но впоследствии была расширена до двух измерений. В двух измерениях AMR также применялось для изучения неоднородных космологий и черных дыр Шварцшильда. В настоящее время этот метод стал стандартным инструментом в численной относительности и используется для изучения слияния черных дыр и других компактных объектов, а также для исследования распространения гравитационного излучения, возникающего при таких астрономических событиях.
Последние события
За последние несколько лет были опубликованы сотни научных работ, которые привели к широкому спектру результатов в области математической относительности, гравитационных волн и астрофизики, касающихся проблемы вращающихся черных дыр. Этот метод был расширен на астрофизические двойные системы, включающие нейтронные звезды и черные дыры, а также на системы из нескольких черных дыр. Одним из самых удивительных предсказаний является то, что слияние двух черных дыр может придать образовавшейся черной дыре скорость до 4000 км/с, достаточную для покидания любой известной галактики. Моделирование также предсказывает колоссальный выброс гравитационной энергии в процессе слияния, достигающий до 8% от общей массы покоя.