На визуализации обозначены основные элементы: тень чёрной дыры; фотонное кольцо; аккреационный диск; задняя часть диска, которая из-за гравитационного искажения видна сверху и снизу, и допплеровское свечение (газ на аккреационном диске светится ярче при движении по направлению к наблюдателю). Иллюстрация: Центр космических полетов Годдарда НАСА / Jeremy Schnittman
Центр космических полетов Годдарда опубликовал максимально детализированные статические изображения и анимацию, как будут выглядеть окрестности чёрной дыры для внешнего наблюдателя (видео 4K).
Научная визуализация имитирует рождение чёрной дыры, когда падающий диффузный материал собирается в тонкую, горячую структуру — аккреционный диск. Экстремальная гравитация черной дыры искажает свет, испускаемый различными областями диска, деформируя её внешний вид.
На поверхности диска постоянно формируются и рассеиваются яркие узлы по мере того, как магнитные поля закручиваются через газовую смесь. Ближе всего к чёрной дыре газ вращается со скоростью, близкой к скорости света, в то время как внешние части вращаются немного медленнее. Это различие растягивает и разрезает яркие узлы, производя светлые и тёмные полосы в диске.
Видео: Центр космических полетов Годдарда НАСА / Jeremy Schnittman
Если посмотреть сбоку, турбулентный газовый диск, вращающийся вокруг чёрной дыры, приобретает сумасшедший двугорбый вид. Экстремальное гравитационное поле чёрной дыры перенаправляет и искажает свет, идущий из разных частей диска — и конкретная картинка, которую мы видим, зависит от нашего угла обзора. Наибольшее искажение возникает при взгляде на систему сбоку.
При таком угле зрения диск выглядит ярче слева, чем справа. Светящийся газ на левой стороне диска движется к нам так быстро, что яркость увеличивается из-за эффектов теории относительности Эйнштейна. На правой стороне происходит противоположное: там удаляющийся газ становится немного более тусклым. Эта асимметрия исчезает, когда мы смотрим на диск точно сверху или снизу, потому что с этой точки зрения ничто не движется вдоль нашей линии зрения.
Увеличенное изображение центрального региона чёрной дыры. Видео: Центр космических полетов Годдарда НАСА / Jeremy Schnittman
Ещё более увеличенное изображение центрального региона чёрной дыры с фокусом на фотонное кольцо. Видео: Центр космических полетов Годдарда НАСА / Jeremy Schnittman
Ближе всего к чёрной дыре гравитационное искривление света становится настолько экстремальным, что мы можем видеть нижнюю сторону диска как яркое кольцо света. Так называемое «фотонное кольцо» состоит из множества колец, которые постепенно становятся все слабее и тоньше из-за того, что свет обходит чёрную дыру два, три или даже больше раз, прежде чем достичь наших глаз.
Поскольку чёрная дыра, смоделированная в этой визуализации, является сферической, фотонное кольцо выглядит почти круглым и одинаково с любого угла обзора. Внутри фотонного кольца находится тень черной дыры, площадь которой примерно вдвое больше горизонта событий.
«Моделирование и такие видеоролики действительно помогают нам визуализировать то, что имел в виду Эйнштейн, когда сказал, что гравитация деформирует ткань пространства и времени, — говорит Джереми Шнитман (Jeremy Schnittman), который создал эти великолепные изображения с помощью специального программного обеспечения в Центре космических полетов им. Годдарда НАСА. — До недавнего времени эти визуализации ограничивались нашим воображением и компьютерными программами. Я никогда не думал, что можно будет увидеть настоящую чёрную дыру».
В последних словах Джереми Шнитман имеет в виду историческое событие, которое произошло 10 апреля 2019 года. В этот день команда телескопа Event Horizon опубликовала первое в истории изображение тени чёрной дыры, созданное на основе радионаблюдений в центре галактики M87.
Изображение Event Horizon Telescope Collaboration
У сверхмассивной чёрной дыры в галактике М87 диаметр 40 миллиардов километров, её тень в 2,5 раза больше (100 миллиардов километров), а вокруг вращается аккреционный диск поглощаемого газа ещё в несколько раз шире.
Заметим, что научная визуализация НАСА очень близка к изображению чёрной дыры из фильма «Интерстеллар» (2014), созданному на базе уравнений физика Кипа Торна.
Кадр из фильма «Интерстеллар» (2014)
В то же время оно как будто немного отличается от изображения чёрной дыры в картине «Высшее общество», которое смоделировали по уравнениям астрофизика Орельена Барро.
Кадр из фильма «Высшее общество» (2018)
UPD. НАСА опубликовало видео и брошюру по безопасности для космических путешественников о встрече с чёрной дырой. Материалы ориентированы на юных зрителей. В частности, брошюра предупреждает об опасности сближения с этим космическим объектом из-за «радиации, замедления времени и спагеттификации (растягивания в гигантскую лапшу). Позже в более серьёзной научной дискуссии на Reddit астроном-исследователь НАСА Варужан Горджян (Varoujan Gorjian) заверил, что у Солнечной системы очень мала вероятность встретиться с дрейфующей чёрной дырой, так что их не следует рассматривать как реальную угрозу: «Пространство очень большое, и вероятность того, что чёрная дыра пройдет совсем рядом с нами, крайне маловероятна, тем более что сами чёрные дыры — редкие объекты», — сказал он.
Petrenko2001
Нада уточнить, что свет возле черной дыры это поглащение звезды, а то можно подумать, что все такие черные дыры) Вообще обожаю тему космоса, черные дыры как воронки в пространстве и времени, когда спускаю у ванной воду, то наблюдаю такой же ефект.
TimsTims
Лихо вы сравнили эффект черной дыры и воронки в ванной). От чего же физики так долго возятся с этими чёрными дырами в космосе? Гораздо проще чёрные дыры изучать лёжа в горячей ванной, спуская воду :)))
RadicalDreamer
Справедливости ради, на ютубе тоже есть
Shkaff
Совсем уж справедливости ради, аналогия не такая уж топорная. В принципе, уравнения, описывающие черную дыру и воронку в воде одни и те же. Поэтому это целое направление в экспериментах — симуляции черных дыр. Вот, например, с водой, а вот с атомами.
kauri_39
Что интересно, в воронку в симуляции затягивается вода, а в чёрные дыры — пространство, с содержащейся в нём материей?
Shkaff
Нет, в ЧД пространство не «затягивается». Более того, вообще говорить о «движении» пространства бессмысленно.
kauri_39
Это если под пространством понимать пустоту, но в симуляциях ЧД аналоги окружающего их пространства очень даже движутся — вода в воронку, и даже переохлаждённые атомы рубидия в их ловушку, как было в опыте израильского физика Штейнхауэра.
Пространство — это среда, физический объект. Потому что только он, а не пустота, может влиять на поведение находящихся в нём других объектов с другими физическими свойствами — на движение материальных тел. И, соответственно, тела влияют на свойства окружающей их среды. В частности, на её плотность, снижают её. Чем вызывают движение среды в сторону её меньшей плотности — к телам. Что проявляется как гравитация и описывается в ОТО искривлением метрики.
Говорить об этом имеет смысл до тех пор, пока не будет понята природа гравитации, создана её квантовая теория и решена проблема космологической постоянной.
Shkaff
Так и изучают, см выше. Проблема в том, что, даже наблюдая ровно те же эффекты в ванной, мы не можем быть уверены, что в ЧД будет ровно так же. Хотя уравнения те же (насколько нам известно), это не дает никакой предсказательной силы.
sim2q
QtRoS
Интересно, буквально на днях попадался ролик, в котором были разобраны некоторые моменты из "Интерстеллар", и касаемо черной дыры там была заметка про цвет диска, будто бы он должен смещаться к красному с одной стороны и к синему с другой, но для простоты восприятия этот эффект убрали. А в этой визуализации такого нет.
LifeKILLED
В какой-то мере потемнение справа на симуляции НАСА можно отнести к этому эффекту.
Возможно, на симуляции не видимый спектр, а диапазон радиоизлучения (как на снимке, сделанном в этом году).
Keynessian
А где джеты?
LifeKILLED
Ну тут видимо изучалось одно конкретное явление. Вообще у ЧД уйма замудрённых свойств таких как специфические магнитные поля, виртуальные фотоны, смещение спектра (упомянутого в сообщении выше). В результате вращения ЧД ореол диска немного искажается и сбоку становится видно небольшой "пузырёк" (тоже линзирование, можно найти картинки с ним). Не представляю как вообще возможно было бы всё это симулировать :) Ну а в данном конкретном видео очевидно — сферическая черная дыра в вакууме.
Andronas
Быть может джет формируется достаточно далеко от поверхности ЧД и эти симуляции просто не заточены на его моделирование?
Цитата из ПМ Астрофизики впервые рассмотрели, как из чёрной дыры рождается джет
Международная команда исследователей из восьми стран с помощью космического телескопа «РадиоАстрон» получила изображения джета, зарождающегося в окрестности центральной чёрной дыры галактики «Персей A», с ультравысоким угловым разрешением. Астрономам удалось получить детальное изображение основания джета в 10 раз ближе к границе чёрной дыры, чем это было возможно с наземными инструментами. Впервые получилось выявить новые детали области формирования струи.
…
Благодаря возможностям «РадиоАстрона» авторы работы обнаружили, что ширина джета в самом основании составляет порядка тысячи радиусов Шварцшильда (этот радиус определяет размер горизонта событий чёрной дыры).
Keynessian
Ни фига себе! O_O
Это, что получается, что за таким мощным джетом самой дыры может быть и не видно?