В статье, опубликованной сегодня, 13 февраля, в журнале IOP Publishing Classical and Quantum Gravity, команда описывает инновационный компьютерный код, который использовался для создания культовых изображений червоточины, черной дыры и различных небесных объектов, а также объясняет, как этот код привел их к новым научным открытиям.
Используя свой код, команда Interstellar, состоящая из лондонской компании по визуальным эффектам Double Negative и физика-теоретика из Калифорнийского технологического института Кипа Торна, обнаружила, что когда камера приближается к быстро вращающейся черной дыре, своеобразные поверхности в космосе, известные как каустики, создают больше более дюжины изображений отдельных звезд и тонкой яркой плоскости галактики, в которой обитает черная дыра.
Они обнаружили, что изображения сосредоточены вдоль одного края тени черной дыры.
Эти множественные изображения вызваны тем, что черная дыра втягивает пространство в вихревое движение и многократно растягивает каустику вокруг себя. Впервые эффекты каустики были рассчитаны для камеры рядом с черной дырой, и полученные изображения дают некоторое представление о том, что бы человек увидел, если бы он вращался вокруг дыры.
Открытия стали возможны благодаря компьютерному коду команды, который, как описано в документе, отображал пути миллионов световых лучей и их эволюционирующие поперечные сечения, когда они проходили через искривленное пространство-время черной дыры.
Компьютерный код использовался для создания изображений кротовой норы и черной дыры Гаргантюа и ее светящегося аккреционного диска с беспрецедентной гладкостью и четкостью.
На нем были показаны части аккреционного диска, качающиеся вверх и вниз под тенью Гаргантюа, а также перед экватором тени, создавая изображение расщепленной тени, которое стало культовым для фильма.
Это странное искажение светящегося диска было вызвано гравитационным линзированием — процессом, при котором световые лучи из разных частей диска или от далеких звезд изгибаются и искажаются черной дырой, прежде чем они попадут на смоделированную камеру фильма.
Это линзирование происходит потому, что черная дыра создает чрезвычайно сильное гравитационное поле, буквально изгибая ткань пространства-времени вокруг себя, как шар для боулинга, лежащий на растянутой простыне.
В начале своей работы над фильмом, когда черная дыра была окружена богатым полем из далеких звезд и туманностей вместо аккреционного диска, команда обнаружила, что стандартный подход использования всего одного светового луча для одного пикселя в компьютерном коде — в этом случае для изображения IMAX всего 23 миллиона пикселей — это привело к мерцанию, когда звезды и туманности перемещались по экрану.
Соавтор исследования и главный научный сотрудник Double Negative, Оливер Джеймс, сказал: «Чтобы избавиться от мерцания и создать реалистично плавные изображения для фильма, мы изменили наш код таким образом, как никогда раньше. Вместо того, чтобы отслеживать пути отдельных световых лучей с помощью уравнений Эйнштейна — по одному на пиксель, — мы отслеживали искаженные пути и формы световых лучей."
Соавтор исследования Кип Торн сказал: «Этот новый подход к созданию изображений будет иметь большую ценность для таких астрофизиков, как я. Нам тоже нужны гладкие изображения."
Оливер Джеймс продолжил: «Когда наш код, названный DNGR для Double Negative Gravitational Renderer, стал зрелым и создал изображения, которые вы видите в фильме« Интерстеллар », мы поняли, что у нас есть инструмент, который можно легко адаптировать для научных исследований."
В своей статье команда сообщает, как они использовали DNGR для проведения ряда исследовательских симуляций, изучающих влияние каустики — своеобразных, изогнутых поверхностей в космосе — на изображения далеких звездных полей, видимых камерой возле быстро вращающегося объекта. черная дыра.
«Луч света, испускаемый из любой точки на каустической поверхности, фокусируется черной дырой в яркий световой пучок в данной точке», — продолжил Джеймс. "Все каустики, кроме одной, много раз обвивают небо, когда камера приближается к черной дыре.
Это обволакивание неба вызвано вращением черной дыры, втягивающей пространство в вихревое движение вокруг себя, как воздух в вихревом торнадо, и многократным растягиванием каустики вокруг черной дыры."
Когда каждая каустика проходит мимо звезды, она либо создает два новых изображения звезды, видимых камерой, либо уничтожает два старых изображения звезды.
Когда камера вращается вокруг черной дыры, видеоклипы из моделирования DNGR показали, что каустики постоянно создают и уничтожают огромное количество звездных изображений.
Команда определила до 13 одновременных изображений одной и той же звезды и целых 13 изображений тонкой яркой плоскости галактики, в которой живет черная дыра.
Эти множественные изображения были видны только тогда, когда черная дыра быстро вращалась, и только около той стороны черной дыры, где вращающееся пространство дыры двигалось к камере, что, как они предположили, было связано с тем, что космический вихрь « отбрасывал » изображения наружу из край тени дыры.
На противоположной стороне тени, где пространство вращается от камеры, команда пришла к выводу, что было также несколько изображений каждой звезды, но вихрь пространства сжал их внутрь, так близко к тени черной дыры, что они не могли быть видно в симуляциях.