NASA выпустила ролик, демонстрирующий вид системы из двух черных дыр. Подобные захватывающие видео создаются не только для образовательных целей, но и помогают ученым лучше понимать астрономические явления, которые они наблюдают.
Симуляцию подготовили и опубликовали на сайте Студии научных визуализаций NASA сотрудники Центра космических полетов имени Годдарда ( GSFC) Джереми Шиттман (Jeremy Schnittman) и Брайан Пауэлл (Brian P. Powell). Сначала один специалист разработал модель, а второй оказал содействие в ее вычислениях на суперкомпьютере Discover Центра климатических симуляций NASA. Для завершения всех требуемых расчетов потребовалось почти сутки и более двух с половиной тысяч процессорных ядер (что составляет 2% от общего числа – 129000). Создание подобной визуализации заняло бы десять лет работы обычного, но мощного персонального компьютера.
Потрясающий вид – это визуализация траекторий фотонов, испускаемых аккреционными дисками черных дыр. Эти частицы света проходят сквозь искривленное пространство-время. Общая масса этих астрономических объектов равна массе 300 миллионов Солнц. Черная дыра с оранжевым аккреционным диском в два раза массивнее второй, у которой диск голубого цвета.
Цвета выбраны неслучайно, они служат не только для наглядности. Они, хоть и в преувеличенном виде, демонстрируют фактическую разницу температур вещества, которое падает в черную дыру. Чем меньше масса черной дыры, а, как следствие, и радиус горизонта событий, тем быстрее движется материя, притягиваемая ее мощной гравитацией, и тем сильнее она нагревается. Значительная часть света, излучаемого аккреционными дисками этих черных дыр, находится в ультрафиолетовой области спектра.
На представленном видео можно наблюдать сразу несколько эффектов, которые предсказывает Теория относительности. Наиболее заметным является гравитационное линзирование. Это оптическое явление, проявляющееся в так называемых кольцах или арках Эйнштейна, выглядит как множественные концентрические дугообразные или круговые искажения и переотражения объектов. Они возникают, когда свет проходит вблизи массивного тела. Его гравитация настолько сильно искажает пространство-время, что фотоны меняют направление, подобно тому, как свет преломляется в линзе.
Используя эффект гравитационного линзирования, ученые на Земле способны наблюдать объекты, находящиеся на таком огромном расстоянии, что свет от них иначе никогда не достиг бы нашей планеты. Однако, у этого явления есть и недостаток: массивные объекты, например, черные дыры, редко встречаются в изоляции, и интересные ученым небесные тела часто располагаются не непосредственно за ними, а под различными углами по отношению к Земле. В результате, в небе не всегда можно увидеть четкие кольца и дуги, как это показывают упрощенные модели — снимки далеких галактик характеризуются искажениями и множественными отражениями звездного света.
Для различения настоящих объектов и оптических иллюзий необходимы визуализации, такие как работа Шиттмана и Пауэлла. Они позволяют понять, как свет будет искажаться из-за различного расположения массивных объектов. И, естественно, точнее интерпретировать научные данные, собранные телескопами по всему миру.
Еще один интересный оптический эффект, наблюдаемый в ролике — релятивистская аберрация: черные дыры кажутся меньше по мере приближения к наблюдателю. Кроме того, при взгляде на них «сбоку», то есть при нахождении в плоскости их вращения, один край аккреционного диска выглядит более ярким, чем другой. Это обусловлено Доплеровским сдвигом (который также называют релятивистским излучением), из-за которого движущийся к наблюдателю источник света кажется более ярким, чем удаляющийся от него.
Видео не только визуально привлекательно, но и насыщено интересными деталями. Зритель, проявляющий внимательность, сможет отметить ещё несколько любопытных элементов, которые подчеркивают красоту окружающего мира. К счастью, нам не обязательно самостоятельно приближаться к черным дырам, чтобы оценить их величие.