Zdjęcia MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO LIBRARY / Getty Images
Astrofizyki stworzyli symulację pokazującą, co widzi obserwator, spadającego na czarną dziurę Strzelec A* w centrum drogi Mlecznej
Wprowadzając na ekrany film “Międzygwiezdne”, twórcy zrobili spektakularny przebieg: ogłosili, że klatki filmu, w którym pokazana jest czarna dziura, oparte na dokładnych teoretycznych obliczeniach. Te obliczenia rzekomo uprzejmie wykonał dla reżysera Christophera Nolana sam Kip Thorne, laureat nagrody Nobla i chyba najbardziej renomowanych na świecie specjalista релятивистской fizyki po odejściu Stevena Hawkinga.
Na pewno w tym stwierdzeniu było trochę prawdy: Stos Торну nie trudno było zrobić dla reżysera przekonywująco szkic. Jednak każdy, kto zna релятивистской fizyki, rozumie, że o dokładnym obliczeniu mowa iść nie mogłam: taka kalkulacja zażądał, by nie przelotny uwagi laurea nobla, a dość czasochłonne pracy z wykorzystaniem znacznych mocy obliczeniowych. Teraz jednak w końcu taka kalkulacja jest wykonany, o czym informuje opublikowana niedawno praca fizyków z Holandii. Tytuł pracy mówi sama za siebie — “Obserwacja супермассивной czarnej dziury w wirtualnej rzeczywistości”. Wykonywanie symulacji można zobaczyć na komercyjnie dostępnych BP-konsole. Видеосимуляция jest dostępna na Youtube.
Przedmiotem modelowania stała się nie streszczenie czarna dziura z sci-fi fabuły, a konkretny obiekt astronomiczny — Strzelec A*, супермассивная czarna dziura znajdująca się w centrum naszej galaktyki. Jako źródła danych wykorzystywane te fakty, które znane są już o tym obiekcie. Aby przejść od osób fizycznych wzorów do widocznej na zdjęciu, potrzebna była seria skomplikowanych obliczeń. Na początek trzeba było obliczyć drodze promieni świetlnych wokół czarnej dziury, aby zrozumieć, jak zmieni się sam obraz Wszechświata, gdy obserwator znajduje się w pobliżu horyzontu zdarzeń.
Na pierwszej ilustracji w zawieszeniu przedstawiona panorama obserwatora w normalnym неискривленном przestrzeni. Na zielono i na czerwono zaznaczyłem to, co jest przed nami obserwatora, na żółto i na niebiesko — tylna część (to, co możemy zobaczyć, miej możemy panoramiczny przegląd w 360о lub hełm VR na głowie).
A oto jak jest zniekształcony to pole widzenia, gdy jesteś w pobliżu (około trzech promieni horyzontu) od czarnej dziury, a przenieść się do niej w polu jej grawitacji. Widać, że przednia część panoramy zwęża się, ale można, nie odwracając głowy, zobaczyć to, co w rzeczywistości znajduje się z tyłu.
Należy pamiętać, że jeśli obserwator nie wpada w dziurę, a sprzeciwia się jej grawitacji, obraz będzie zupełnie inny: “cień” czarnej dziury (ciemna plama w środku) będzie znacznie więcej, a pole widzenia odkształca się inaczej, a jego przednia część, wręcz przeciwnie, rozciąga się na krawędzi.
Obliczania trajektorii promieni świetlnych, naukowcy przeszli do tworzenia obrazu rzeczywistego obiektu. Oni zorientowali się, jak mogłaby wyglądać dla obserwatora czarna dziura w procesie akrecji (tj. ingestion) substancji. Ale najbardziej interesująca część tego doświadczenia — odtworzenie wzrokowych wrażeń obserwatora, który sam porusza się w polu grawitacji czarnej dziury.
Na klatkach 5100-5800 obserwator zbliża się do czarnej dziury, a na początku można wyraźnie zobaczyć część jej “cieniu” — ciemny punkt, z którego nie wychodzą promienie światła. Następnie chmury gorącego gazu zamykają ten obiekt.
Rama 6150 pasuje do twojego maksymalnego zbliżenia się do czarnej dziury w jej twardym akrecji. W tym momencie obserwator nie widzi praktycznie nic z powodu bardzo wysokiej gęstości optycznej dysku.
Z woli twórców symulacji przygody obserwatora kończy się szczęśliwie: z okolic czarnej dziury go znosi jet, pochodzące od jednego z biegunów obiektu (rama 7200). Stąd już widać cień czarnej dziury jak ciemny dysk, otoczony spadającej na niego rozgrzanej materii. Jet niesie cię coraz dalej od obiektu, a na końcu można już zobaczyć wokół czarnej dziury gwiaździste niebo (7900-8599), tylko trochę zniekształcony polem grawitacyjnym.
Jeden z wyników pracy — bardzo dokładne przewidywanie, jak mógłby wyglądać obiekt Strzelec A*, gdyby udało się zaobserwować go w szczegółach za pomocą narzędzi astronomicznych. Należy zauważyć, że podobnych obserwacji pojawia się coraz więcej, i w ostatnich z nich okolicy супермассивной czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej udało się wziąć pod uwagę bardzo szczegółowo. Porównaj obserwacyjnych danych z obliczeń pozwoli wyjaśnić granicy przydatności teoretycznych opisów i postępu w zrozumieniu fundamentalnych praw fizyki. Mówi jeden z autorów pracy, profesor Эйно tak jest, panie feldmarszałku: “wszyscy mamy w głowie obraz, jak przypuszczalnie wyglądać czarne dziury, ale nauka posunęła się do przodu, i teraz możemy zrobić o wiele bardziej dokładne прикидки. Okazuje się, że te czarne dziury nie jest bardzo podobne do tego, do czego jesteśmy przyzwyczajeni”.
Autorzy, jednak wskazują na jeszcze jeden ważny podsumowanie ich pracy. “Wykonane przez nas wizualizacje mają ogromny potencjał: użyliśmy ich, aby zapoznać dzieci ze zjawiskiem czarnych dziur, i te naprawdę coś z tego nauczyłeś. Wirtualna rzeczywistość — wspaniałe narzędzie, aby przedstawić nasze prace szerokiej publiczności, nawet jeśli chodzi o takie skomplikowane fizycznych obiektów, jak czarne dziury” — powiedział inny uczestnik badań, dr Йорди Давелар (źródło cytatu).