За гранью возможного
Новые визуализации падения в сверхмассивную черную дыру и пролета рядом с ней
06.05.2024, Francis Reddy, NASA’s Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.
Вы когда-нибудь задумывались, что происходит, когда вы падаете в черную дыру? Теперь, благодаря новой визуализации с эффектом присутствия, созданной на суперкомпьютере NASA, зрители могут погрузиться за горизонт событий, в точку невозврата в черной дыре.
Видео погружения с обзором в 360°
«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 NASA в Гринбелте, штат Мэриленд, который создал визуализации. - Поэтому я смоделировал два разных сценария: один, когда камера - дублер отважного астронавта - просто не попадает в горизонт событий и выстреливается обратно, а другой — когда она пересекает границу, решая свою судьбу».
Визуализации доступны в нескольких формах. Объясняющие видеоролики освещают причудливые эффекты общей теории относительности Эйнштейна. Версии, представленные в виде обзорных 360-градусных видеороликов, позволяют зрителям осматриваться вокруг во время полета, а другие воспроизводятся в виде плоских картинок всего неба.
Для создания визуализаций Шнитман объединился с коллегой-ученым из Годдарда Брайаном Пауэллом и использовал суперкомпьютер Discover в Центре климатического моделирования NASA. Проект сгенерировал около 10 терабайт данных - что эквивалентно примерно половине предполагаемого текстового контента в Библиотеке Конгресса США - и занял около 5 дней работы, используя всего 0,3% мощности 129 000 процессоров Discover. На обычном ноутбуке эта 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 монстру, расположенному в центре нашей галактики Млечный Путь.
«Если у вас есть выбор, то вы захотите 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.
Диаметр горизонта событий моделируемой черной дыры составляет около 16 миллионов миль (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, видимого с Земли, завершает сцену.
Объяснение полета
По мере того, как камера приближается к черной дыре, достигая скорости, все более близкой к скорости 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.
Видеоролики начинаются на расстоянии почти 400 миллионов миль (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 реальном времени падающей 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, это никогда не произойдет. Поскольку пространство-время становится все более искаженным ближе к горизонту событий, 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 пересекает горизонт, ее разрушение в результате спагеттификации происходит всего за 12,8 секунды», - сказал Шниттман. Отсюда до сингулярности всего 79 500 миль (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, он вернулся 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, он вернулся бы на много лет моложе своих товарищей».
Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti.space)
Оригинал: New NASA Black Hole Visualization Takes Viewers Beyond the Brink