Vizualizace Schwarzschildovy černé díry

23.7.2016

Aneb jak vypadá realistický pohled na černou díru?

 

Obrázky získány metodou sledování paprsku (raytracing) v geometrii Schwarzschildova prostoročasu popisující nerotující sféricky symetrickou černou díru.

Zatím není zahrnut Dopplerův jev (důležitý hlavně při zobrazení akrečního disku) a také jev rozptylu paprsků, který ztmavuje obraz v okolí stínu černé díry (černá oblast uprostřed).

Videa by (teoreticky) mohla brzy následovat (v řádu měsíců). Dodatek: viz Černoděrový Youtube kanál (přímý odkaz)

A zde již pár ukázek konkrétních renderů:

Černá díra v mlhovině Carina

Jako hvězdné pozadí je použit obrázek z Hubblova teleskopu z volně dostupné Hubblesite Gallery – v nejvyšším rozlišení 29566x14321 pixelů (tj. přes 400 Gpx).

Černá oblast uprostřed je tzv. stín černé díry (není to to samé jako horizont událostí). Okolo stínu je vlivem zakřivování světelných paprsků vidět celá hvězdná obloha.

Einsteinův prstenec

Pokud se kamera, černá díra a hvězda dostanou do zákrytu, dojde k ohybu světelných paprsků tak, že světlo hvězdy je vidět kolem černé díry jako prstenec.

Černá díra v Mléčné dráze

Jako textura pro hvězdné pozadí je zde zvolena Mléčná dráha (přirozeně ze zemského povrchu). Volně je k dispozici pouze v rozlišení 6000x3000 pixelů, což je bohužel málo, jak je vidět na jisté rozmazanosti výsledného renderu.

Akreční disk

Akreční disk je tvořen hmotou obíhající v jedné rovině kolem černé díry. Na obrázku vidíme dva prstence. Fyzicky je kolem černé díry samozřejmě jen jeden disk hmoty. Zakřivování světelných paprsků okolo černé díry ovšem způsobí, že je disk vidět víckrát (ve skutečnosti je obrazů nekonečně mnoho, ale dobře viditelné jsou pouze první dva).

Větší obraz představuje primární obraz akrečního disku, kdy jsou paprsky světla jen mírně deformovány (obzvláště v jeho horní části, kde je vlastně zobrazen disk za černou dírou). Vnitřní disk, který je tzv. obrazem druhého řádu – zobrazuje ten samý disk, vlivem zakřivení paprsků je vidět mnohem blíže stínu černé díry. Velmi zlehka je patrný i obraz třetího řádu.

Jelikož hmota v akrečním disku se pohybuje relativistickými rychlostmi, do vzhledu disku výrazně promlouvá Dopplerův jev a princip retardovaného času, přičemž ani jedno zatím není implementováno. ;)

Akreční disk à la Interstellar

Stejný akreční disk jako výše akorát je kamera blíže rovině disku. Prstenec kolem stínu černé díry je vlastně část akrečního disku nacházející se za černou dírou.

Jak to celé funguje?

O techničtějších detailech se lze prozatím dočíst v této prezentaci z Doktorandských dnů 2015

Credits

Credit pro obrázek mlhoviny Carina: NASA, ESA, N. Smith (University of California, Berkeley), and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA), NOAO, NSF

Credit pro obrázek Mléčné dráhy: ESO/S. Brunier