Новая визуализация черной дыры выводит зрителей за грань возможного

Автор: NASA's Goddard Space Flight Center/J. Schnittman and B. Powell

«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 в Гринбелте, штат Мэриленд, который создал визуализации. «Поэтому я смоделировал два разных сценария: один, где камера — дублер отважного астронавта — просто не попадает в горизонт событий, и другой, когда она пересекает границу, решая свою судьбу».

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

Для создания визуализаций Шнитман объединился с коллегой-ученым Годдарда Брайаном Пауэллом и использовал суперкомпьютер Discover в Центре климатического моделирования НАСА. Проект сгенерировал около 10 терабайт данных. На обычном ноутбуке та же задача заняла бы более десяти лет.

«Если у вас есть выбор, вы лучше упасть в сверхмассивную черную дыру», — объяснил Шниттман. «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 повышается тональность звука приближающегося гоночного автомобиля. Их свет кажется ярче и белее, если смотреть в направлении движения.

Видео 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 искажающееся пространство-время.

В реальном времени камере требуется около 3 часов, чтобы дойти до горизонта событий, совершив по пути почти два полных 30-минутных витка. Но для тех, кто наблюдает издалека, камера никогда не добьется цели. Поскольку пространство-время становится все более искаженным ближе к горизонту, изображение камеры замедляется, а затем кажется, что оно замирает, едва успев 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 пересечет горизонт, ее разрушение в результате спагеттификации произойдет всего через 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 ее коллеги на базовом корабле оставались далеко от черной дыры, она 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 Шниттман. «Если бы черная дыра быстро вращалась, как та, что показана в фильме «Интерстеллар» 2014 года, она вернулась бы на много лет моложе своих товарищей по кораблю».

Источник: NASA