CDI-Type II: Collaborative Research: Computing Supermassive Black Hole Mergers in Astrophysics

CDI-Type II:合作研究:计算天体物理学中的超大质量黑洞合并

基本信息

  • 批准号:
    1028111
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 100.01万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2010
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2010-10-01 至 2016-09-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Super-massive black hole mergers are believed to happen with significant frequency, but direct detection through gravitational wave observations remains only a hope for the future. An alternate path toward finding them lies through photon observations of their effects on nearby gas, but little is known for certain about what sorts of light might be produced. To solve this problem, this project is a systematic theoretical study of the electromagnetic output from these events, from the precursor stage of binary black holes, through the event itself, and including the post-merger relaxation phase. Because the quantity and character of the light radiated depends in a fundamental way on how much mass is brought to a given distance from the black holes, coordination between the initial evolution of the system, when the binary separation is large and Newtonian dynamics applies, and the merger itself, when general relativity controls the system, is an essential part of the plan. By enabling conventional telescopic observation of these systems, the aim is to create an entirely new subfield - the astronomy of black hole mergers.These science goals can be reached only by the construction of a highly-sophisticated computational system. High-performance computation is essential because tracking the dynamics of these events involves simultaneously solving the equations of radiation transport and magneto-hydrodynamics (MHD) in a general relativistic spacetime, as well as the highly nonlinear Einstein Field Equations. Data communication requirements are also extremely challenging because even defining the dynamical spacetime of a black hole merger can require as much as several petabytes. This effort is therefore strongly multidisciplinary because of the multiple kinds of expertise needed: numerical relativity, MHD simulation, data compression, 3-d visualization, and observational astronomy.This project will have significant additional impact, ranging from training graduate students and post-doctoral fellows in a brand-new interdisciplinary field (fluid motion in dynamical spacetime) to a variety of public outreach efforts. The junior researchers will need to learn advanced computational techniques, including parallel computing, the use of very large data sets, and scientific visualization. Public education efforts will include conventional presentations, the use of simulation animations in multi-media educational programs, and integration of simulation animations into music and dance. The necessary computational developments, such as the planned aggressive data compression procedure, will be of great value to scientists in other fields exploring ever larger dynamical systems.
超大质量黑洞合并被认为是以显着的频率发生的,但通过引力波观测直接检测仍然只是未来的希望。 找到它们的另一条途径是通过光子观察它们对附近气体的影响,但对可能产生的光种类知之甚少。为了解决这个问题,本项目是对这些事件的电磁输出进行系统的理论研究,从二元黑洞的前兆阶段,通过事件本身,包括合并后的弛豫阶段。 由于辐射光的数量和性质从根本上取决于有多少质量被带到离黑洞给定的距离,当二元分离很大并且牛顿动力学适用时,系统的初始演化与合并本身之间的协调,当广义相对论控制系统时,是计划的重要组成部分。 通过实现对这些系统的常规望远镜观测,目标是创建一个全新的子领域-黑洞合并天文学。这些科学目标只有通过构建高度复杂的计算系统才能实现。 高性能计算是必不可少的,因为跟踪这些事件的动态涉及到同时求解辐射输运方程和磁流体力学(MHD)在广义相对论时空,以及高度非线性爱因斯坦场方程。 数据通信要求也极具挑战性,因为即使定义黑洞合并的动态时空也可能需要多达几个PB。 由于需要多种专业知识,因此该项目具有很强的多学科性:数值相对论、MHD模拟、数据压缩、三维可视化和观测天文学。该项目将产生重大的额外影响,从在一个全新的跨学科领域(动力时空中的流体运动)培训研究生和博士后研究员到各种公共宣传工作。 初级研究人员将需要学习先进的计算技术,包括并行计算,使用非常大的数据集和科学可视化。 公众教育工作将包括传统的介绍,在多媒体教育节目中使用模拟动画,以及将模拟动画融入音乐和舞蹈。 必要的计算发展,如计划中的积极的数据压缩程序,将是非常有价值的科学家在其他领域探索更大的动力系统。

项目成果

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