NASA показало завораживающий «танец» двойной системы из черных дыр

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). Первый создал модель, а второй помог с ее обсчетом на суперкомпьютере Discover Центра климатических симуляций NASA. Чтобы выполнить все необходимые вычисления потребовался почти целый день и более двух с половиной тысяч процессорных ядер (2% от общего числа — 129000). Подобная визуализация заняла бы десять лет работы обычного мощного ПК.

Завораживающая картинка — результат расчета путей фотонов, излучаемых аккреционными дисками черных дыр, которые проходядят через искривленное пространство-время. Суммарная масса этих астрономических объектов составляет 300 миллионов наших Солнц. Черная дыра с оранжевым аккреционным диском вдвое массивнее второй, у которой он голубой.

Что интересно, цвета выбраны не просто для наглядности. Они, пусть и гипертрофированно, отражают реальную разницу в температуре вещества, падающего на черную дыру. Чем меньше ее масса, а следовательно и радиус горизонта событий, тем быстрее двигается притягиваемая колоссальной гравитацией материя и сильнее разогревается. Большая часть света, излучаемого аккреционными дисками этих черных дыр, лежит в ультрафиолетовом диапазоне.

На видео можно заметить сразу несколько эффектов, предсказанных Теорией относительности. Самый очевидный — гравитационное линзирование. Это оптическое явление, выражающееся так называемыми кольцами или арками Эйнштейна, выглядит как множественные концентрические дугообразные или круговые искажения и переотражения объектов. Возникают они когда свет проходит неподалеку от массивного тела. Его гравитация настолько искажает пространство-время, что фотоны меняют траекторию, будто в линзе.

Благодаря гравитационному линзированию земные наблюдатели могут увидеть объекты удаленные настолько, что иным путем свет от них никогда не достиг бы нашей планеты. Но есть и обратная сторона медали — в большинстве случаев, массивные объекты вроде черных дыр находятся в пространстве не по одиночке, и интересные ученым небесные тела оказываются не прямо за ними, а под разными углами относительно Земли. Из-за этого на деле в небе видны далеко не такие аккуратные кольца и дуги, как в простейших симуляциях — снимки далеких галактик полны искажений и многократных переотражений звезд.

Чтобы отличить реальные объекты от оптических эффектов и нужны визуализации, подобные сделанной Шиттманом с Пауэллом. Они помогают разобраться, как будет искажаться свет при разном расположении массивных объектов. И, естественно, точнее интерпретировать научные данные, полученные телескопами со всего света.

Еще один любопытный оптический эффект, заметный в ролике — релятивистская аберрация: черные дыры кажутся меньше, когда они ближе к наблюдателю. Наконец, при взгляде «сбоку», то есть находясь в плоскости вращения черных дыр при взгляде на них, один край аккреционного диска выглядит ярче другого. Это объясняется Доплеровским усилением (другое название — релятивистское излучение), которое приводит к тому, что движущийся к наблюдателю источник излучения выглядит ярче, чем отдаляющийся от него.

В общем, видео не просто красивое, но и полное интересных деталей. Внимательный зритель может заметить еще несколько любопытных элементов, демонстрирующих всю красоту окружающего мира. К счастью, нам не нужно самим приближаться к всепожирающим черным дырам, чтобы ею насладиться.