Визуализация черной дыры выводит зрителей за грань возможного
Вы когда-нибудь задумывались, что происходит, когда вы падаете в черную дыру? Теперь, благодаря новой иммерсивной визуализации, созданной на суперкомпьютере NASA, зрители могут погрузиться в горизонт событий, точку невозврата, из которой находится черная дыра. "Люди часто спрашивают об этом, и моделирование этих трудновообразимых 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. "Итак, я смоделировал два разных сценария: один, в котором камера — дублер отважного астронавта - просто не попадает за горизонт событий и вылетает обратно, и другой, в котором она пересекает границу, решая свою судьбу".
Визуализации доступны в нескольких вариантах. Пояснительные видеоролики служат в качестве путеводителей по достопримечательностям, рассказывая о причудливых эффектах общей теории относительности Эйнштейна. Версии, представленные в виде видеороликов с обзором на 360 градусов, позволяют зрителям осматривать все вокруг во время путешествия, в то время как другие воспроизводятся в виде плоских карт неба. Для создания визуализаций Шнитман объединился с коллегой-ученым Годдарда Брайаном Пауэллом и использовал суперкомпьютер Discover в Центре моделирования климата НАСА. Проект собрал около 10 терабайт данных, что эквивалентно примерно половине предполагаемого объема текстового контента Библиотеки Конгресса, и занял около 5 дней, работая всего на 0,3% из 129 000 процессоров Discover. На то же самое у обычного ноутбука ушло бы более десяти лет. Пункт назначения - сверхмассивная черная дыра, масса которой в 4,3 миллиона раз превышает массу нашего Солнца, что эквивалентно чудовищу, расположенному в центре нашей галактики Млечный Путь.
"Если у вас есть выбор, вы хотите упасть в сверхмассивную черную дыру", - объяснил Шнитман. "Черные дыры звездной массы, которые содержат около 30 масс Солнца, обладают гораздо меньшими горизонтами событий и более сильными приливными силами, которые могут разорвать приближающиеся объекты на части еще до того, как они достигнут горизонта". Это происходит потому, что гравитационное притяжение на том конце объекта, который находится ближе к черной дыре, намного сильнее, чем на другом конце. Падающие объекты растягиваются, как лапша, - этот процесс астрофизики называют спагеттификацией. Горизонт событий смоделированной черной дыры простирается примерно на 16 миллионов миль (25 миллионов километров), или примерно на 17% расстояния от Земли до Солнца. Плоское, клубящееся облако горячего, светящегося газа, называемое аккреционным диском, окружает ее и служит визуальным ориентиром во время падения. Так же, как и светящиеся структуры, называемые фотонными кольцами, которые формируются ближе к черной дыре из света, который облетел вокруг нее один или несколько раз. Завершает сцену фон звездного неба, видимый с Земли.
По мере приближения камеры к черной дыре, скорость которой становится все ближе к скорости света, свечение аккреционного диска и звезд на заднем плане усиливается почти так же, как звук приближающегося гоночного автомобиля. Их свет кажется ярче и белее, если смотреть в направлении движения. Съемки начинаются с камеры, расположенной на расстоянии почти 400 миллионов миль (640 миллионов километров) от нас, и черная дыра быстро заполняет поле зрения. По пути диск черной дыры, фотонные кольца и ночное небо становятся все более искаженными — и даже образуют множество изображений, поскольку их свет проходит через 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, это никогда не достигнет цели. Поскольку ближе к горизонту пространство-время становится все более искаженным, изображение на камере замедляется, а затем, кажется, застывает совсем рядом с ним. Вот почему астрономы первоначально называли черные дыры "замороженными звездами".
На горизонте событий даже само пространство-время движется вовнутрь со скоростью света, что является космическим пределом скорости. Оказавшись внутри нее, и камера, и пространство-время, в котором она движется, устремляются к центру черной дыры — одномерной точке, называемой сингулярностью, где перестают действовать известные нам законы физики. "Как только камера пересекает горизонт, до ее разрушения в результате спагеттификации остается всего 12,8 секунды", - сказал Шнитман. Отсюда до сингулярности всего 79 500 миль (128 000 километров). Этот заключительный этап путешествия заканчивается в мгновение ока. В альтернативном сценарии камера движется по орбите близко к горизонту событий, но никогда не пересекает его и не скрывается в безопасном месте. Если бы астронавт совершила этот 6-часовой полет туда и обратно на космическом корабле, в то время как ее коллеги на корабле-носителе оставались вдали от черной дыры, она вернулась бы на 36 минут моложе своих коллег. Это связано с тем, что вблизи источника сильной гравитации и при движении со скоростью, близкой к скорости света, время течет медленнее. "Эта ситуация может быть еще более экстремальной", - отметил Шнитман. "Если бы черная дыра быстро вращалась, как показано в фильме 2014 года "Интерстеллар", она вернулась бы на много лет моложе своих товарищей по кораблю".
