Визуализация НАСА исследует танец двойных черных дыр

Пара черных дыр в миллионы раз больше массы Солнца, вращаясь по орбите, совершают гипнотическое па-де-де в новой визуализации НАСА. В фильме показано, как черные дыры искажают и перенаправляют свет, исходящий от водоворота горячего газа, называемого аккреционным диском, который окружает каждую из них.

Если смотреть со стороны плоскости орбиты, каждый аккреционный диск приобретает характерный двугорбый вид. Но когда одна проходит впереди другой, гравитация черной дыры на переднем плане превращает ее партнера в быстро меняющуюся последовательность дуг. Эти искажения проявляются, когда свет от обоих дисков перемещается по запутанной ткани пространства и времени рядом с черными дырами.

Узнайте, как гравитация двух вращающихся сверхмассивных черных дыр искажает наше представление. В этой визуализации диски яркого, горячего, взбалтывающего газа окружают обе черные дыры, показанные красным и синим цветом, чтобы лучше отслеживать источник света. Красный диск вращается вокруг большей черной дыры, которая весит в 200 миллионов раз больше массы нашего Солнца, а ее меньший синий компаньон весит вдвое меньше. При увеличении масштаба каждой черной дыры можно увидеть несколько искаженных изображений ее партнера.

«Мы видим две сверхмассивные черные дыры, большую с массой 200 миллионов солнечных масс и меньшего по размеру спутника, весящего вдвое меньше, – сказал Джереми Шниттман, астрофизик из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, который создал визуализацию. – Это такие бинарные системы черных дыр, в которых, как мы думаем, оба члена могут поддерживать аккреционные диски в течение миллионов лет».

Аккреционные диски имеют разные цвета, красный и синий, чтобы упростить отслеживание источников света, но выбор также отражает реальность. Более горячий газ излучает свет ближе к синему концу спектра, а материал, вращающийся вокруг более мелких черных дыр, испытывает более сильные гравитационные эффекты, вызывающие более высокие температуры. Для этих масс оба аккреционных диска фактически излучали бы большую часть своего света в УФ-диапазоне, при этом синий диск достигал бы немного более высокой температуры.

Подобные визуализации помогают ученым представить себе увлекательные последствия зеркала экстремальной гравитации. Новое видео дублирует более раннее, снятое Шнитманом, показывающее уединенную черную дыру под разными углами.

При взгляде почти сбоку аккреционные диски с одной стороны выглядят заметно ярче. Гравитационное искажение изменяет пути света, исходящего от разных частей дисков, создавая искаженное изображение. Быстрое движение газа возле черной дыры изменяет светимость диска за счет явления, называемого доплеровским усилением – эффект теории относительности Эйнштейна, который делает сторону, вращающуюся к наблюдателю, ярче, и затемняет сторону, вращающуюся в обратном направлении.

Визуализация также показывает более тонкий феномен, называемый релятивистской аберрацией. Черные дыры кажутся меньше по мере приближения к зрителю и больше по мере удаления.

Эти эффекты исчезают при просмотре системы сверху, но появляются новые функции. Обе черные дыры создают маленькие изображения своих партнеров, которые вращаются вокруг них на каждой орбите. Если присмотреться, становится ясно, что эти изображения на самом деле являются видами с ребра. Для их создания свет от черных дыр должен быть перенаправлен на 90 градусов, что означает, что мы наблюдаем черные дыры с двух разных точек зрения – лицом и ребром – одновременно.

Детальный вид вторичного изображения большой черной дыры, образованной ее меньшим компаньоном.
При взгляде на систему спереди выделяется искаженное изображение (вставка) меньшей черной дыры ее большего компаньона. Чтобы добраться до камеры, меньшая черная дыра должна отклонить свет от своего красного спутника на 90 градусов. Аккреционный диск на этом вторичном изображении выглядит как линия, что означает, что мы видим красный спутник сбоку, одновременно наблюдая его сверху. Вторичное изображение синего диска также формируется за пределами яркого светового кольца, ближайшего к большей черной дыре.
Источник: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА / Джереми Шнитман и Брайан П. Пауэлл

«Поразительным аспектом этой новой визуализации является самоподобный характер изображений, созданных с помощью гравитационного линзирования, – пояснил Шниттман. – Увеличение масштаба каждой черной дыры позволяет увидеть несколько искаженных изображений ее партнера».

Шнитман создал визуализацию, вычислив путь, проходимый световыми лучами от аккреционных дисков, когда они пробирались через искривленное пространство-время вокруг черных дыр. На современном настольном компьютере вычисления, необходимые для создания кадров фильма, заняли бы около десяти лет. Поэтому Шниттман объединился со специалистом по данным Годдарда Брайаном П. Пауэллом, чтобы использовать суперкомпьютер Discover в Центре моделирования климата НАСА. При использовании всего 2% из 129 тысяч процессоров Discover эти вычисления заняли около суток.

Астрономы ожидают, что в недалеком будущем они смогут обнаруживать гравитационные волны – рябь в пространстве-времени – возникающие, когда две сверхмассивные черные дыры в системе, очень похожей на ту, которую изобразил Шниттман, объединяются и сливаются по спирали.

Читайте, как сеть радиотелескопов запечатлела сверхмассивную черную дыру

Читайте обзоры:

-->