Падение в черную дыру: опубликована симуляция, основанная на новейших научных данных
Когда удастся проехать автостопом по галактике — неизвестно, но вот первый «тревел-блог» уже опубликован. Специалисты NASA создали 3D-визуализацию, благодаря которой любой зритель может «нырнуть» в черную дыру. Материалы опубликованы на сайте агентства.
«Люди часто спрашивают об этом, и моделирование этих трудно вообразимых процессов [приближение к черной дыре и погружение в нее] помогает мне связать математику, теорию относительности с реальными последствиями в реальной Вселенной», — говорит автор визуализации Джереми Шниттман, астрофизик из Центра космических полетов имени Годдарда NASA.
Однако для того, чтобы смоделировать путешествие с обзором на 360°, обычному компьютеру понадобилось бы более 10 лет. Поэтому Шниттман использовал суперкомпьютер Discover в Центре климатического моделирования NASA, который справился за пять дней. Он сгенерировал около 10 терабайт данных — что эквивалентно примерно половине всей текстовой информации в Библиотеке Конгресса США, которая является второй по величине в мире.
При этом Шниттман и помогавшие ему коллеги создали несколько видеороликов. Одна часть служит как бы «путеводителем по достопримечательностям» и поясняет происходящее, в том числе с точки зрения общей теории относительности Эйнштейна. Другая — ролики с возможностью кругового обзора, которые позволяют осмотреть все, происходящее вокруг.
Кроме того, проработаны два «маршрута экскурсии».
«Я смоделировал два разных сценария: один, когда камера — дублер отважного астронавта — просто не попадает в горизонт событий (так называют границу зоны, из которой из-за чудовищного притяжения черной дыры не может выйти даже свет — прим. Ред.) и выстреливает обратно, а другой — когда она пересекает линию невозврата», — уточнил Шниттман.
Как в центре нашей галактики
Выбранная для моделирования черная дыра — сверхмассивная, с массой в 4,3 миллиона раз больше, чем у нашего Солнца. Ее горизонт событий, — который представляет собой не линию, а скорее округлую условную «пленку» над зоной невозврата, — растянулся на 25 миллионов километров, это примерно 17% расстояния от Земли до Солнца.
Выбор пал на такой объект не только потому, что подобный гигант находится в центре нашей галактики Млечный Путь. Учитывается еще и специфика воздействия: маленькие черные дыры, массой до 30 солнечных, скорее разорвут приближающийся объект, чем поглотят целиком.
Это происходит, так как гравитация воздействует на ближнюю и дальнюю к дыре стороны по-разному, и падающие объекты растягиваются, как лапша, — этот процесс астрофизики называют спагеттификацией. У маленьких черных дыр сила растягивания, которую называют приливной, оказывается над горизонтом событий, и объекты разрушаются еще на подлете. А вот у сверхмассивных черных дыр — за этой границей, а значит, теоретически, человек может преодолеть ее без потерь, но вот вернуться назад уже не сможет.
Если бы камера действительно пересекла горизонт событий, она бы разрушилась в результате спагеттификации менее чем за 13 секунд. Но ее частицы и пространство-время, в котором они бы двигались, все равно продолжили бы путь к центру черной дыры — одномерной точке, называемой сингулярностью, где законы физики, какими мы их знаем, перестают действовать.
Искажения пространства-времени
Черную дыру в симуляции окружает плоское, вращающееся облако горячего светящегося газа, называемое аккреционным диском. Такие зафиксированы вокруг реальных черных дыр. На видео аккреционный диск служит визуальным ориентиром во время падения. То же самое происходит и со светящимися структурами, называемыми фотонными кольцами, которые формируются ближе к черной дыре из света, который совершил оборот вокруг нее один или несколько раз.
По мере того, как камера приближается к черной дыре, достигая скорости, все более близкой к скорости света, сияние 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.
Путешествие начинается с расстояния 640 миллионов километров. И по мере приближения, зритель видит, как искажаются диск черной дыры, фотонные кольца и ночное небо. Они даже образуют множественные изображения, поскольку их свет пересекает все более искривленное пространство-время.
В реальном времени камере потребовалось бы около 3 часов, чтобы подлететь и совершить почти два полных витка вокруг черной дыры на скорости, близкой к скорости света, а затем дойти до горизонта событий. Однако в реальной ситуации сторонний наблюдатель не смог бы этого увидеть: поскольку пространство-время становится все более искаженным, изображение камеры замедляется, а затем кажется, что она и вовсе замирает.
При этом если бы путешествие совершал человек и не проник за горизонт событий, а ускользнул обратно в безопасную зону, искривления сказались бы другим образом.
«Если бы астронавт управлял космическим кораблем в этом 6-часовом путешествии туда и обратно, в то время как его коллеги на основном звездолете 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», — поясняется в сообщении.
А если бы черная дыра вращалась быстрее, чем смоделировано в симуляции, то разница в возрасте достигла бы нескольких лет.
