一项新研究通过计算第五后闵可夫斯基（5PM）阶，达到了前所未有的精度，成功模拟了黑洞和中子星碰撞等极端宇宙事件，这对于解读当前和未来天文台的引力波数据至关重要。研究揭示了卡拉比-丘三重周期的惊人出现——这些复杂的几何结构源自弦理论和代数几何——在辐射能量和反冲的计算中，暗示了抽象数学与天体物理现象之间的深刻联系。利用超过30万个核心小时的高性能计算，一个国际团队展示了先进计算方法在解决黑洞相互作用所 governing 的复杂方程中的强大能力，为更精确的引力波模板和对星系形成的见解铺平了道路。
一项刊登于《自然》杂志的开创性研究确立了模拟宇宙中最极端事件的新基准：黑洞和中子星的碰撞。该研究由柏林洪堡大学的扬·普莱夫卡教授和伦敦玛丽女王大学的古斯塔夫·莫古尔博士（前任洪堡大学和马克斯·普朗克引力物理研究所（阿尔伯特·爱因斯坦研究所））领导，与一个国际物理学家团队合作，提供了对理解引力波至关重要的计算精度。
使用受量子场论启发的尖端技术，团队计算了如散射角、辐射能量和反冲等可观测量的第五后闵可夫斯基（5PM）阶。研究的一个突破性方面是卡拉比-丘三重周期的出现——这些源于弦理论和代数几何的几何结构，现如今在辐射能量和反冲的描述中变得相关。曾被视为纯粹数学的这些结构，现在找到了描述现实天体物理现象的意义。
随着引力波天文台如LIGO进入一种新的灵敏度阶段以及下一代探测器如LISA的出现，这项研究满足了对极高精度理论模型的日益增长的需求。
莫古尔博士解释了其重要性：“虽然我们研究的两个黑洞通过引力互相作用和散射的物理过程在概念上是简单的，但所需的数学和计算精度水平是巨大的。”
来自柏林洪堡大学的博士生本杰明·索尔补充说：“卡拉比-丘几何的出现深化了我们对数学与物理之间相互作用的理解。这些见解将通过改善我们用来解读观测数据的模板，塑造引力波天文学的未来。”
这种精度对于捕捉椭圆束缚系统的信号特别重要，在这些系统中，轨道更类似于高速散射事件的情况，传统的关于慢动黑洞的假设不再适用。
引力波是由加速的巨大物体引起的时空涟漪，自2015年首次探测以来，引力波革命了天体物理学。以精确建模这些波的能力增强了我们对宇宙现象的理解，包括黑洞散射后的“击打”或反冲——这一过程对星系形成和演化具有深远的影响。
或许最为引人入胜的是，卡拉比-丘结构在此背景下的发现，将天体物理学的宏观领域与量子力学的复杂数学相连接。“这可能从根本上改变物理学家对这些函数的研究方式，”来自马克斯·普朗克引力物理研究所和柏林洪堡大学的团队成员乌赫·雅各布森博士说道。“通过证明它们的物理相关性，我们可以集中注意特定的实例，以阐明自然中的真实过程。”
该项目利用了柏林祖塞研究所超过30万个核心小时的高性能计算，以解决指导黑洞相互作用的方程，展示了计算物理在现代科学中的不可或缺的角色。“这些计算资源的迅速可用是项目成功的关键，”领导计算工作博士生马蒂亚斯·德里斯补充道。
普莱夫卡教授强调了工作合作的性质：“这一突破凸显了跨学科努力如何克服曾被视为无法克服的挑战。从数学理论到实际计算，这项研究体现了推动人类知识边界所需的协同作用。”
这一突破不仅推动了引力波物理学的进展，还弥合了抽象数学与可观察宇宙之间的差距，为未来的发现铺平了道路。该合作正在进一步扩大其努力，探索更高阶的计算，并在未来的引力波形模型中利用新结果。除了理论物理，研究中使用的计算工具，如KIRA，在碰撞物理等领域也具有应用。
这一成就是 extensive 的国际合作和先进数学与计算方法的结果。该研究的基础是在普莱夫卡教授在柏林洪堡大学的团队中奠定的，世界线量子场理论的形式是在与古斯塔夫·莫古尔博士的合作中开创的。随着时间的推移，合作扩大到了包括世界领先的专家，如从CERN转到柏林洪堡大学的约翰·乌索维奇博士，他是KIRA软件的开发者，以及数理物理学家克里斯托夫·内加博士（慕尼黑工业大学）和阿尔布雷希特·克莱姆教授（波恩大学），他们是卡拉比-丘流形领域的领先专家。
该项目获得了普莱夫卡教授的ERC高级资助GraWFTy，RTG 2575 重新思考量子场理论，以及德国研究协会的新研究单位FOR 5582的关键资金，普莱夫卡和克莱姆是主要研究员。它还得到了莫古尔博士的皇家学会大学研究奖学金“来自世界线量子场理论的引力波”的支持。
