Новое моделирование НАСА переносит нас за горизонт событий черной дыры

НАСА представило новые захватывающие видеоролики, моделирующие, что может произойти, если приблизиться (а) или погрузиться (б) в сверхмассивную черную дыру за горизонтом событий. Созданные с помощью суперкомпьютера Discover в Центре климатического моделирования, симуляции позволяют увидеть невиданные ранее странные эффекты общей относительности, а 360-градусные форматы обеспечивают полное погружение. В видеороликах, подготовленных НАСА, показано моделирование путешествия к невращающейся […]

НАСА представило новые захватывающие видеоролики, моделирующие, что может произойти, если приблизиться (а) или погрузиться (б) в сверхмассивную черную дыру за горизонтом событий. Созданные с помощью суперкомпьютера Discover в Центре климатического моделирования, симуляции позволяют увидеть невиданные ранее странные эффекты общей относительности, а 360-градусные форматы обеспечивают полное погружение.

В видеороликах, подготовленных НАСА, показано моделирование путешествия к невращающейся сверхмассивной черной дыре с массой, в 4,3 миллиона раз превышающей массу Солнца, что эквивалентно массе черной дыры в центре Млечного Пути, Стрельца А*. «Если бы у вас был выбор, вы бы предпочли упасть в сверхмассивную черную дыру«, — объясняет Джереми Шниттман, астрофизик из Центра космических полетов НАСА имени Годдарда и режиссер видеороликов, в блоге НАСА.

Черные дыры с массой, примерно в 30 раз превышающей массу Солнца, имеют гораздо меньший горизонт событий и, следовательно, более интенсивные приливные силы. Эти приливные силы разрушат объекты еще до того, как они достигнут горизонта событий.

Горизонт событий черной дыры в моделировании простирается примерно на 25 миллионов километров, или почти на 17% расстояния от Земли до Солнца. Хорошо виден ее аккреционный диск и тонкие фотонные кольца, которые ее окружают. Фотонные кольца образуются вблизи черной дыры, непосредственно перед горизонтом событий — из света, который проходит вокруг нее один или несколько раз.

Видео начинается, когда гипотетическая камера находится на расстоянии 640 миллионов километров от черной дыры. Чтобы лучше понять странные эффекты относительности, Шниттман придумал два сценария: в одном камера едва успевает покинуть горизонт событий, а в другом — пересекает точку невозврата, достигая центра черной дыры.

«Люди часто задаются этим вопросом, и моделирование этих трудновообразимых процессов помогает мне связать математику относительности с реальными последствиями во Вселенной«, — объясняет он. Видеоролики доступны в нескольких форматах: пояснительном (показывающем, как искажается пространство-время, как течет время и т.д.), 360-градусном и в виде карт.

«Спагеттизация» за 12,8 секунды

Для создания симуляций Шниттман использовал суперкомпьютер НАСА Discover. Система обработала 10 терабайт данных, что эквивалентно половине текстового контента Библиотеки Конгресса США. Создание и редактирование видеороликов заняло около 5 дней, при этом было использовано всего 0,3% мощности 129 000 процессоров Discover. Для сравнения, чтобы обработать такой же объем данных на современном ноутбуке, потребуется более десяти лет.

В первом сценарии, когда камера пересекает горизонт событий черной дыры, она начинает приближаться к черной дыре со скоростью, приближающейся к скорости света. По мере приближения к аккреционному диску свет от него и от фоновых звезд увеличивается.

Камере потребуется около 3 часов, чтобы достичь горизонта событий, совершив почти два полных оборота (по 30 минут) вокруг черной дыры. Однако с точки зрения наблюдателя, находящегося на большом расстоянии от черной дыры, будет казаться, что она так и не достигла цели. Это происходит потому, что пространство-время искажается по мере приближения к горизонту событий, и создается впечатление, что объект замедляется, а затем замирает, прежде чем полностью пересечь его.

С точки зрения камеры, аккреционный диск, кольца фотонов и ночное небо на заднем плане искажаются по мере продвижения к внутренним частям черной дыры. Когда свет проходит через искаженное пространство-время, изображения дублируются, создавая впечатление, что мы находимся в пространстве, заполненном зеркалами.

Как только мы оказываемся у горизонта событий, пространство-время само течет со скоростью света к внутренностям черной дыры. Камера пересекает его, чтобы устремиться к сингулярности — одномерной точке в центре черной дыры, в которой законы физики больше не действуют.

«Как только камера пересекает горизонт, ее разрушение в результате спагеттирования занимает всего 12,8 секунды«, — говорит Шниттман. Это происходит потому, что гравитационное притяжение, оказываемое на ближайший к черной дыре конец объекта, гораздо сильнее, чем на противоположный конец. Затем он растягивается в тонкие полоски материи, отсюда и название «спагеттизация». Отсюда до сингулярности всего 128 000 километров за мгновение (порядка микросекунды).

Видео первого сценария, представленного Шниттманом, в котором гипотетическая камера пересекает горизонт событий черной дыры:

Во втором сценарии, когда камера едва избегает горизонта событий, происходит то же самое явление искажения пространства-времени. В ближайшей точке к горизонту событий она достигнет максимальной скорости, равной 60 % скорости света. Структуры в направлении ее движения становятся легче и дублируются по мере увеличения ее скорости. Однако совершив две орбиты вокруг черной дыры, оно благополучно возвращается на гипотетический материнский корабль.

Если бы космонавт совершил такое же путешествие (6 часов в оба конца) на месте камеры, он вернулся бы на 36 минут моложе своих коллег, которые держались подальше от черной дыры. Это объясняется тем, что вблизи сильного источника гравитации и при движении со скоростью, близкой к скорости света, время идет медленнее. Если бы черная дыра вращалась с большой скоростью, то временная задержка была бы еще больше. Космонавт, подошедший достаточно близко (к горизонту событий), вернулся бы на несколько лет моложе, как в фильме «Интерстеллар».

Видео второго сценария, представленного Шниттманом, в котором гипотетическая камера едва избегает горизонта событий черной дыры: