Нова візуалізація чорної діри NASA занурює глядачів у горизонт подій

Нові візуалізації чорної діри NASA моделюють драматичні наслідки перетину горизонту подій, підкреслюючи серйозні спотворення простору-часу та можливу спагеттифікацію поблизу сингулярності. Ви коли-небудь замислювалися, що відбувається, коли ви потрапляєте в чорну діру? Тепер, завдяки новій захоплюючій візуалізації, створеній на суперкомп’ютері NASA, глядачі можуть зануритися в горизонт подій, точку неповернення чорної діри.

Наука за візуалізацією

«Люди часто запитують про це, і моделювання цих процесів, які важко уявити, допомагає мені пов’язати математику відносності з реальними наслідками в реальному Всесвіті», – сказав Джеремі Шніттман, астрофізик з Центру космічних польотів імені Годдарда NASA в Грінбелті, штат Меріленд, який створив візуалізації. «Тож я змоделювала два різні сценарії: один, коли камера — заміна сміливого астронавта — просто пропускає горизонт подій і повертається назад, а інший — коли вона перетинає межу, вирішуючи свою долю».

Візуалізації доступні в різних формах. Відео пояснювачі виступають як путівники, висвітлюючи дивні ефекти загальної теорії відносності Ейнштейна. Версії, відтворені як 360-градусні відео, дозволяють глядачам дивитися навколо під час подорожі, тоді як інші відтворюються як плоскі карти всього неба.

Технічні деталі проекту

Щоб створити візуалізацію, Шніттман об’єднався з колегою вченим Годдарда Брайаном Пауелом і використав суперкомп’ютер Discover у Центрі моделювання клімату НАСА. Проєкт згенерував близько 10 терабайт даних — що еквівалентно приблизно половині передбачуваного текстового вмісту в Бібліотеці Конгресу — і зайняв близько 5 днів роботи лише на 0,3% із 129 000 процесорів Discover. Для типового ноутбука це займе більше десяти років.

Характеристики симульованої чорної діри

Місцем призначення є надмасивна чорна діра, маса якої в 4,3 мільйона разів перевищує масу нашого Сонця, що еквівалентно монстру, розташованому в центрі нашої галактики Чумацький Шлях.

«Якщо у вас є вибір, ви хочете впасти в надмасивну чорну діру», — пояснив Шнітман. «Чорні діри із зоряною масою, які містять близько 30 сонячних мас, мають набагато менші горизонти подій і сильніші приливні сили, які можуть розривати наближаючі об’єкти, перш ніж вони досягнуть горизонту».

Це відбувається тому, що сила тяжіння на кінці об’єкта, розташованого ближче до чорної діри, набагато сильніша, ніж на іншому кінці. Об’єкти, що падають, розтягуються, як локшина, процес, який астрофізики називають спагеттифікацією.

Візуальні та фізичні ефекти поблизу чорної діри

Горизонт подій змодельованої чорної діри охоплює приблизно 16 мільйонів миль (25 мільйонів кілометрів), або приблизно 17% відстані від Землі до Сонця. Плоска закручена хмара гарячого сяючого газу, яка називається акреційним диском, оточує його та служить візуальним орієнтиром під час падіння. Так само сяють структури, які називаються фотонними кільцями, які утворюються ближче до чорної діри від світла, яке оберталося навколо неї один або кілька разів. Завершує сцену фон зоряного неба, який видно із Землі.

Коли камера наближається до чорної діри, досягаючи швидкості, що дедалі ближче до швидкості самого світла, світіння акреційного диска та фонових зірок посилюється майже так само, як звук зустрічного гоночного автомобіля, що наростає по висоті. Їх світло виглядає яскравішим і білішим, якщо дивитися в напрямку руху.

Подорож до горизонту подій

Фільми починаються з того, що камера розташована на відстані майже 400 мільйонів миль (640 мільйонів кілометрів), а чорна діра швидко заповнює поле зору. По дорозі диск чорної діри, фотонні кільця та нічне небо дедалі більше спотворюються — і навіть утворюють кілька зображень, коли їхнє світло перетинає все більш викривлений простір-час.

У реальному часі камері потрібно близько 3 годин, щоб опуститися до горизонту подій, здійснюючи майже два повних 30-хвилинних оберти на цьому шляху. Але будь-хто, хто спостерігає здалеку, ніколи не досягне цього. Оскільки простір-час стає дедалі спотворенішим ближче до горизонту, зображення камери сповільнюється, а потім, здається, завмирає. Ось чому астрономи спочатку називали чорні діри «замороженими зірками».

Доля всередині горизонту подій

На горизонті подій навіть сам простір-час тече всередину зі швидкістю світла, космічної межі швидкості. Опинившись у ній, і камера, і простір-час, у якому вона рухається, поспішають до центру чорної діри — одновимірної точки, що називається сингулярністю, де закони фізики, як ми їх знаємо, перестають діяти.

«Коли камера перетинає горизонт, її знищення спагетифікацією відбувається всього за 12,8 секунди», — сказав Шнітман. Звідти до сингулярності всього 79 500 миль (128 000 кілометрів). Цей останній етап подорожі завершився миттєво.

Теоретичні наслідки уповільнення часу

В альтернативному сценарії камера обертається близько до горизонту подій, але ніколи не перетинає горизонт і втікає в безпечне місце. Якби астронавт літав на космічному кораблі під час цієї 6-годинної подорожі туди й назад, а її колеги на материнському кораблі залишалися далеко від чорної діри, вона повернулася б на 36 хвилин молодшою ​​за своїх колег. Це тому, що час протікає повільніше поблизу сильного джерела гравітації та під час руху зі швидкістю, близькою до світла.

«Ця ситуація може бути ще більш екстремальною», — зазначив Шнітман. «Якби чорна діра швидко оберталася, як та, яку показали у фільмі «Інтерстеллар» 2014 року, вона повернулася б на багато років молодшою ​​за своїх напарників».