Новая визуализация черной дыры отправляет зрителей за горизонт событий

Вы когда-нибудь задумывались о том, что будет происходить, если что-то или кто-то попадет в черную дыру? Теперь, благодаря новой иммерсивной визуализации, созданной на суперкомпьютере НАСА, зрители могут погрузиться за горизонт событий, в точку невозврата черной дыры.

«Люди часто спрашивают об этом, и моделирование этих трудно вообразимых процессов помогает мне связать математику теории относительности с реальными последствиями в реальной Вселенной», — сказал Джереми Шниттман, астрофизик из Центра космических полетов имени Годдарда, НАСА, который создал визуализации. «Поэтому я смоделировал два разных сценария: один, когда камера — дублер отважного астронавта — просто не попадает в горизонт событий и улетает обратно, а другой — когда она пересекает горизонт, решая свою судьбу».

Визуализации доступны в нескольких формах. Объясняющие видеоролики служат путеводителями, освещая причудливые эффекты общей теории относительности Эйнштейна. Версии, представленные в виде 360-градусных видеороликов, позволяют зрителям осматриваться вокруг во время полета, а другие воспроизводятся в виде плоских карт всего неба.

Для создания визуализаций Джереми Шнитман объединился с коллегой-ученым Годдарда Брайаном Пауэллом и использовал суперкомпьютер Discover в Центре климатического моделирования НАСА. Проект сгенерировал около 10 терабайт данных и занял около 5 дней, работая всего на 0,3% из 129 000 процессоров Discover. На обычном ноутбуке та же задача заняла бы более десяти лет.

Пунктом назначения является сверхмассивная черная дыра, масса которой в 4,3 миллиона раз превышает массу нашего Солнца, что эквивалентно черной дыре, расположенной в центре нашей галактики Млечный Путь.

В этой визуализации полета к сверхмассивной черной дыре метки подчеркивают многие удивительные особенности, вызванные эффектами общей теории относительности на этом пути. Созданная на суперкомпьютере НАСА симуляция отслеживает камеру по мере ее приближения, вращения по орбите, а затем пересечения горизонта событий — точку невозврата — черной дыры, очень похожей на ту, что находится в центре нашей галактики. © NASA’s Goddard Space Flight Center/J. Schnittman and B. Powell

«Если у вас есть выбор, вы можете упасть в сверхмассивную черную дыру», — объяснил Шнитман. «Черные дыры звездной массы, содержащие до 30 солнечных масс, обладают гораздо меньшими горизонтами событий и более сильными приливными силами, которые могут разрывать приближающиеся объекты до того, как они достигнут горизонта».

Это происходит потому, что гравитационное притяжение на конце объекта, расположенного ближе к черной дыре, намного сильнее, чем на другом конце. Падающие объекты растягиваются, как лапша. Этот процесс астрофизики называют спагеттификацией.

Горизонт событий моделируемой черной дыры охватывает около 25 миллионов километров, или около 17% расстояния от Земли до Солнца. Плоское, вращающееся облако горячего светящегося газа, называемое аккреционным диском, окружает его и служит визуальным ориентиром во время падения.

То же самое происходит со светящимися структурами, называемыми фотонными кольцами, которые формируются ближе к черной дыре из света, который облетел ее один или несколько раз. Фон звездного неба, видимый с Земли, завершает сцену.

По мере того, как камера приближается к черной дыре, достигая скорости, все более близкой к скорости самого света, свечение аккреционного диска и звезд на заднем плане усиливается почти так же, как усиливается звук приближающегося гоночного автомобиля. Их свет кажется ярче и белее, если смотреть в направлении движения.

Посмотрите альтернативную визуализацию, которая отслеживает камеру, когда она приближается, падает, недолго вращается по орбите и покидает сверхмассивную черную дыру. Эта захватывающая 360-градусная версия позволяет зрителям осмотреться во время полета. © NASA’s Goddard Space Flight Center/J. Schnittman and B. Powell

Ролики начинаются с того, что камера расположена на расстоянии почти 640 миллионов километров, и черная дыра быстро заполняет поле зрения. По пути диск черной дыры, фотонные кольца и ночное небо все больше искажаются — и даже образуют множественные изображения, поскольку их свет пересекает все более искривленное пространство-время.

В режиме реального времени камере требуется около 3 часов, чтобы достичь горизонта событий, совершая по пути почти два полных 30-минутных витка. Но для тех, кто наблюдает издалека, она никогда не достигнет цели. Поскольку пространство-время становится все более искаженным ближе к горизонту, изображение камеры замедляется, а затем кажется, что оно замирает, едва камера успевает приблизиться к нему. Вот почему астрономы первоначально называли черные дыры «замороженными звездами».

На горизонте событий даже само пространство-время течет внутрь со скоростью света, пределом космической скорости. Оказавшись внутри нее, и камера, и пространство-время, в котором она движется, устремляются к центру черной дыры — одномерной точке, называемой сингулярностью, где законы физики, какими мы их знаем, перестают действовать.

«Как только камера пересекает горизонт, ее разрушение в результате спагеттификации происходит всего за 12,8 секунды», — сказал Шниттман. Отсюда до сингулярности всего 128 000 километров. Последний этап путешествия завершился в мгновение ока.

В альтернативном сценарии камера движется по орбите близко к горизонту событий, но никогда не пересекает его и ускользает в безопасное место.

Если бы астронавт управлял космическим кораблем в этом 6-часовом путешествии туда и обратно, в то время как его коллеги на базовом корабле оставались далеко от черной дыры, он вернулась бы на 36 минут моложе своих коллег. Это потому, что время течет медленнее вблизи сильного источника гравитации и при движении со скоростью, близкой к скорости света.

«Эта ситуация может быть еще более экстремальной», — отметил Джереми Шнитман. «Если бы черная дыра быстро вращалась, как та, что показана в фильме «Интерстеллар» 2014 года, астронавт вернулся бы на много лет моложе своих товарищей по кораблю».