Quando os buracos negros cruzam os caminhos
Os buracos negros não podem ser totalmente descritos pela relatividade geral, mas os físicos esperam entender o funcionamento interno desses objetos estranhos aplicando uma teoria chamada gravidade quântica em loop. (Crédito da imagem: Felipe Esquivel Reed)
Kai Staats, cineasta e escritor de ciências, foi o cofundador da Terra Soft Solutions, ex-desenvolvedor de sistemas HPC de arquitetura Yellow Dog Linux e POWER. Ele agora está trabalhando em seu M.S. Doutor em Matemática Aplicada pela Universidade da Cidade do Cabo, África do Sul. Staats contribuiu com este artigo para Vozes de especialistas do guesswhozoo.com: Op-Ed e Insights.
Em 2007, quando Sony, Microsoft e Nintendo estavam competindo para entregar a caixa de jogo para desktop mais poderosa do mercado, o astrofísico Gaurav Khanna, da Universidade de Massachusetts, Dartmouth, estava correndo para o Walmart local para comprar não apenas um, mas dezesseis PlayStation3s da Sony (PS3). Ele não é um jogador ávido - o que ele conquistou com os PS3s foi bem diferente do que a Sony Corporate pretendia.
Em 2009, Khanna aproveitou o poder dos microprocessadores IBM Cell em um cluster de 16 PS3s para desenvolver uma espécie de supercomputador. Agora, quase meia dúzia de anos depois, o Sony PS3 foi usurpado pelo PS4, competição feroz de outros sistemas e jogadores ávidos que preferem potências de supercomputação resfriadas a água e construídas em casa. [Consoles Playstation 3 enfrentam as vibrações do buraco negro]
Enquanto outros trocaram seus PS3s na bolsa de jogos local, no esforço final DIY, Khanna adquiriu 200 PS3s adicionais - com mais 200 a caminho - e construiu um supercomputador dentro de um semirreboque refrigerado no campus da Universidade de Massachusetts, Dartmouth.
O astrofísico Gaurav Khanna da UMass Dartmouth conecta os sistemas de jogos Sony PlayStation3 em um único sistema, um supercomputador que ele e seus colegas usam para estudar buracos negros.(Crédito da imagem: Gaurav Khanna, UMass Dartmouth)
Porque?
Essas caixas pretas minúsculas e brilhantes estão criando buracos negros massivos. Praticamente, é claro, mas o que Khanna está simulando está mudando a compreensão contemporânea de como os buracos negros interagem com estrelas, outros buracos negros e até mesmo como um buraco negro pode fazer um passeio por sua galáxia local, como um balão que esvazia rapidamente girando em círculos até que grite através da sala.
Com os colaboradores Richard Price, físico da Universidade do Texas em Brownsville, e Scott Hughes, astrofísico do MIT, Khanna realizou um estudo cuidadoso do comportamento dos buracos negros nos últimos anos usando um modelo computacional avançado.
Embora a capacidade de um buraco negro de se ejetar de sua galáxia hospedeira tenha sido teorizada há algum tempo, uma nova propriedade do mecanismo de 'chute' pode levar o buraco negro a um ponto morto a alguma distância de onde começou. Este bizarro 'anti-chute' foi descoberto através de intensos modelos matemáticos e simulações empregadas por Khanna e seus colegas, conforme publicado em uma série de artigos de pesquisa que apareceram em Revisão física.
Dois buracos negros passando à noite
É assim que funciona: quando um buraco negro se captura ou se funde com outro buraco negro ou uma estrela, uma forte explosão de radiação gravitacional é emitida. Essas ondas gravitacionais são as mesmas ondulações no espaço-tempo que o LIGO espera detectar diretamente nos próximos anos. ['LIGO, A Passion for Understanding' (Cobertura Completa)]
Quando as ondas gravitacionais surgem de um sistema de buraco negro binário - dois buracos negros ou um buraco negro e uma estrela vizinha ligada entre si em uma órbita decadente - elas têm um impacto físico interessante. Fiel à lei da conservação do momento, as ondas gravitacionais não apenas carregam a energia para fora do sistema, fazendo com que as órbitas compartilhadas diminuam ou entrem em espiral, mas também carregam o momento. Conforme as ondas gravitacionais são emitidas, o buraco negro binário ou sistema de buraco negro / estrela capturada experimenta um 'chute , ' ou recuo para trás, muito parecido com o sentido ao disparar um rifle. A velocidade de recuo pode chegar a vários milhares de quilômetros por segundo (km / s) e pode realmente ejetar um buraco negro de sua galáxia hospedeira.
Os PlayStation3s da Sony processam os segredos do universo em Umass Dartmouth.(Crédito da imagem: Gaurav Khanna, UMass Dartmouth)
O que é ainda mais estranho, sob condições especiais no estágio muito avançado da fusão do buraco negro, pode haver uma quantidade precisamente igual de anti-chute que cancela completamente a velocidade total (velocidade e direção) do chute original. Isso resulta em um sistema binário de buraco negro começando em um local, oscilando um pouco, decolando em alta velocidade para a fase de emissão forte e breve - apenas para ser interrompido abruptamente devido ao anti-chute de estágio final. O sistema binário total pode ser deslocado por grandes distâncias durante esse processo de fusão, kick e anti-kick.
Por que os buracos negros chutam?
A explicação intuitiva para esse comportamento é a seguinte: Os horizontes de eventos do buraco negro - regiões do espaço onde até mesmo a luz fica presa devido à forte atração da gravidade - têm uma propriedade de 'bloqueio' bastante intrigante, ou seja, quando um grande buraco negro giratório está capturando um objeto menor, nos estágios finais do processo de captura, o objeto menor deve se mover em sincronia com o horizonte de eventos.
A unidade de contêiner onde o professor Gaurav Khanna da UMass Dartmouth armazena sua coleção de mais de 200 PlayStation3s da Sony, todos conectados como uma única unidade de processador massiva.(Crédito da imagem: Gaurav Khanna, UMass Dartmouth)
Agora, isso introduz diferenças profundas entre o processo de captura de um objeto que compartilha o movimento na mesma direção do horizonte (pro-grade) ou na direção oposta (retro-grade). Em particular, se o movimento for retroativo, o objeto deve girar completamente para que ele de fato se fixe no movimento do horizonte.
E é precisamente essa reviravolta dramática no movimento do estágio final do objeto que é responsável pela diferença se um buraco negro tem ou não um anti-kick nos estágios finais do processo de captura.
Clusters de supercomputação adicionam impulso
A ligação de Khanna de centenas de computadores acessíveis (commodity off-the-shelf, ou COTS, sistemas) em um único sistema é uma abordagem comum para resolver problemas complexos de pesquisa computacional em quase todas as áreas da ciência e engenharia. A ideia de usar hardware de jogos de consumo, como o PS3, para construir supercomputadores poderosos de baixo custo foi lançada por Khanna em 2007, quando ele construiu um pequeno cluster de oito PS3 e foi capaz de realizar simulações de buraco negro de nível de pesquisa sistemas.
Instituições de pesquisa em todo o mundo têm apreciado e implementado essa abordagem por vários anos. O Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL) em Roma, N.Y. o implementou em grande escala em 2010, usando 1.716 PS3s, demonstrando um custo-benefício dez vezes maior de tal sistema em relação aos supercomputadores tradicionais. Sob os auspícios de um Acordo Cooperativo de Pesquisa e Desenvolvimento do Departamento de Defesa (CRADA), o AFRL concedeu uma parte significativa de seu cluster ao grupo de pesquisa de Khanna: quatro racks de PS3s - o que significa 176 unidades com equipamento de rede, cabos e software associados.
Um desafio para o grupo de Khanna foi desenvolver um ambiente adequado para as máquinas (potência adequada e capacidade de refrigeração) a um custo muito baixo e também o mais rápido possível. Por sugestão deste autor, com base em minha experiência em trabalhar com clusters exclusivos, Khanna comprou um contêiner de transporte refrigerado, ou 'reefer', de tamanho e capacidade de resfriamento adequados. Ele então o estacionou convenientemente no campus com energia e rede extraídas de um prédio próximo. Todo o processo foi concluído do início ao fim em questão de meses, e o cluster está em plena operação de produção desde o inverno de 2014.
Se você é um especialista no assunto - pesquisador, líder empresarial, autor ou inovador - e gostaria de contribuir com um artigo de opinião, envie-nos um email aqui .(Crédito da imagem: guesswhozoo.com)
Agora, o supercomputador PS3 está sendo usado por Khanna para realizar cálculos grandes e complexos não apenas no contexto da astrofísica de buracos negros, mas também para explorar vulnerabilidades na segurança cibernética. O desempenho deste cluster é comparável a quase 3.000 núcleos de processador de um laptop ou desktop típico, a um custo significativo e economia de energia.
“Estimamos que o custo-benefício do cluster PS3 seja dez vezes maior que o do uso de peças de supercomputador padrão”, disse Khanna. 'Seguindo em frente, esperamos que o sistema seja capaz de lançar luz sobre as propriedades detalhadas das ondas gravitacionais emitidas pelos binários dos buracos negros e também ajudar a explorar aspectos astrofísicos adicionais de tais sistemas.'
Em última análise, o sistema HPC avançado encontrará uso além dos buracos negros. O Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser ( LIGO ) trabalhará com Khanna e seus colaboradores para melhorar os modelos de fontes de emissão de ondas gravitacionais, uma parte crítica das operações do LIGO.
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