Jaké je hvězdné nebe nad černou dírou?  
Softwarový simulátor relativistické optiky LSDCode+ vás zve na virtuální procházku do okolí černoděrového horizontu.

Einsteinově obecné relativitě je už sto let. Mezi její nejvýznamnější důsledky patří černé díry, exotické oblasti prostoročasu, které obklopuje horizont událostí. Současná fyzika předpovídá černé díry jako nevyhnutelný výsledek gravitačního kolapsu velmi hmotných hvězd. Teorie relativity také předpovídá ohyb světelných paprsků v gravitačním poli, které je Einsteinem interpretováno jako zakřivení prostoročasu. Velmi krotký ohyb světla hvězd v slabém gravitačním poli Slunce se během úplného slunečního zatmění v roce 1919 stal vůbec prvním testem Einsteinovy relativity. Dnes můžeme pozorovat ohyb světla vzdálenými galaxiemi, které fungují jako gravitační čočky, s nimiž můžeme nahlížet do jinak nedostupných propastí hlubokého vesmíru.

 

 

Einsteinovu obecnou relativitu máme dnes velmi dobře otestovánu ve slabém gravitačním poli. Einsteinův modelu zakřiveného prostoročasu, ale doopravdy prověří jenom děje v těch nejsilnějších gravitačních polích černých děr i neutronových hvězd. Horizonty událostí černých děr nemůžeme přímo pozorovat. Bouřlivé fyzikální procesy v blízkosti černých děr ale považujeme za zdroj energie ohromujícího záření kvazarů, aktivních galaktických jader i silně rentgenově zářících binárních hvězdných systémů, nazývaných mikrokvazary. Hmota proudící do černých děr všech velikostí vytváří kolem nich intenzivně zářící akreční disky. Právě analýza jejich záření nám dovoluje nahlédnout do prostředí skutečně silné gravitace. Počítačové simulace vzhledu horkých akrečních disků kolem černých děr ukazují, že ohyb světla v silném gravitačním poli radikálně mění optické zobrazování akrečních disků. Zakřivený prostoročas v blízkosti horizontu událostí totiž funguje jako extrémní gravitační čočka s překvapivými vlastnostmi.

 

 

Obr 2:  Pohled do vesmíru ve slabé gravitaci. Kredit: P. Bakala.
Obr 2: Pohled do vesmíru ve slabé gravitaci. Kredit: P. Bakala.

Pro modelování velmi rychlé, až milisekundové proměnnosti rentgenového záření binárních hvězdných systémů s černou dírou nebo neutronovou hvězdou, jsme ve Výzkumném centru počítačové fyziky a zpracování observačních dat Slezské univerzity v Opavě vyvinuli softwarový simulátor relativistické optiky LSDCode+. S jeho pomocí se virtuální pozorovatel nacházející se v blízkosti černoděrového horizontu, může dívat na hvězdy, galaxie a další objekty ve velmi vzdáleném vesmíru. V takovém případě se výkonné paralelní počítače spolu s nástroji matematického modelování mohou stát virtuálním kosmickým korábem, mířícím vysoce nadsvětelnou rychlostí do jinak nedostupných míst. Atraktivita počítačových animací oblohy v silně zakřiveném prostoročase neunikla v poslední době ani pozornosti hollywoodské kinematografie. Ve výpravné science-fiction Interstellar je použita velmi seriózně zpracovaná vizualizace vzhledu oblohy a zářícího akrečního disku v okolí supermasivní černé díry. Extrémní gravitační čočky černých děr však nabízejí podstatně širší paletu neobvyklých optických efektů.

 

 

Vesmír na Obr. 2, prozatím nezkreslený černoděrovou gravitační čočkou, je virtuální scénou na blíže neurčeném místě v intergalaktickém prostoru, do které jsme umístili pozorovatele i černou díru. Zatímco pozorovatel hledí směrem k centru blízké galaxie M31 v Andromedě, na odvrácené straně oblohy je možné pozorovat obří červenou planetu s prstenci. Konfigurace simulátoru LSDCode+ předpokládá, že černá díra je umístěna mezi galaxií v Andromedě a pozorovatelem přímo ve směru jeho pohledu. Snímky oblohy jsou softwarovým simulátorem vytvářeny z pohledu pozorovatele obíhajícího černou díru, jako její satelit na stabilní kruhové oběžné dráze. Takový pozorovatel nebude pociťovat vliv extrémního gravitačního zrychlení, a pokud bude černá díra dostatečně velká, nejlépe supermasivní o hmotnosti několik miliard Sluncí, tak příslušné slapové efekty nemusejí být smrtící. Rychlosti pohybu na nízkých oběžných drahách nad horizonty událostí se už poměrně blíží rychlosti světla, takže se na vzhledu oblohy pro pozorovatele podepíše nejen obecně relativistický ohyb paprsků gravitační čočkou černé díry, ale také optické efekty popisované speciální teorií relativity.

 

 

Nerotující černé díry

 

Obr 3: Výhled od nerotující černé díry. Kredit: P. Bakala.
Obr 3: Výhled od nerotující černé díry. Kredit: P. Bakala.

První ze simulací (Obr. 3) ukazuje vzhled oblohy z pohledu pozorovatele obíhajícího na nejnižší možné stabilní kruhové oběžné dráze kolem nerotující černé díry. Asi nejnápadnějším rozdílem oproti nám známé optice jsou mnohočetné zakřivené světelné paprsky spojující konkrétní zdroj záření s pozorovatelem. Jejich projevem jsou vícenásobné relativistické obrazy všech zářících objektů na obloze. Výsledkem neobvyklé geometrie šíření světla v zakřiveném prostoročase je, že pozorovatel na své obloze uvidí řadu oddělených a úplných obrazů vzdáleného vesmíru, koncentricky uspořádaných kolem tmavé oblasti na obloze, stínu samotné černé díry.

 

 

Kuriózní vlastností černoděrové optiky je i to, že díky extrémnímu ohybu světla vidíme dokonce „za roh“, a na obloze proto můžeme pozorovat i deformované obrazy všech hvězd, galaxií a dalších kosmických objektů, které by v plochém prostoročase byly černou dírou zastíněny. Silné gravitační pole zpomaluje chod času, a posouvá proto spektrum světla přicházejícího ze vzdáleného vesmíru směrem k vyšším frekvencím. Vzdálené vesmírné objekty tudíž na obloze modrají. Jejich barvy jsou ovlivňovány i speciálně relativistickou variantou Dopplerova jevu, a proto ve směru pohybu na oběžné dráze obloha modrá ještě více, v opačném směru naopak znatelně červená. Díky speciálně relativistickému odchýlení světelných paprsků je také obraz vzdáleného vesmíru ve směru orbitálního pohybu zřetelně stlačen, naopak ve směru opačném je roztahován. Výsledkem efektu aberace je i viditelné zploštění stínu černé díry.

 

 

Rotující černé díry

 

Obr 4:  Výhled pozorovatele od rotující černé díry, vzdáleného od horizontu událostí o pětinásobek jeho poloměru. Kredit: P. Bakala.
Obr 4: Výhled pozorovatele od rotující černé díry, vzdáleného od horizontu událostí o pětinásobek jeho poloměru. Kredit: P. Bakala.

Když objekt se silnou gravitací rotuje, tak ve svém okolí míchá prostoročasem, stejně jako když lžičkou mícháme kávu v šálku. Hmotné objekty i elektromagnetické záření jsou v rotujícím černoděrovém gravitačním poli sice stále přitahovány k horizontu událostí, ale zároveň i strhávány ve směru rotace. Tento v newtonovské mechanice neznámý efekt, který obecná relativita předpovídá v blízkosti jakékoli rotující hmoty, nazýváme strhávání souřadných systémů (frame-dragging). Ten světelné paprsky na rotující černou díru doslova navíjí, a jejich tvary se proto stávají dosti bizarními. Příslušně se komplikuje i počítačové modelování optických efektů a narůstají nároky na výpočetní výkon. Pracovní stanice se dvěmi dvanáctijádrovými procesory Intel XEON, taktovanými na 2 KHz, a s 32GB RAM, potřebuje pro výpočet jednoho snímku nebe v poli extrémně rychle rotující černé díry až 3 hodiny. Doba výpočtu znatelně narůstá se zmenšující se vzdáleností pozorovatele od horizontu událostí.

 

 

Obr 5:  Výhled pozorovatele ponořeného do ergosféry extrémně rychle rotující černé díry. Kredit: P. Bakala.
Obr 5: Výhled pozorovatele ponořeného do ergosféry extrémně rychle rotující černé díry. Kredit: P. Bakala.

 

V situaci pro Obr. 4 černá díra rotuje vysokou rychlostí proti směru hodinových a pozorovatel je vzdálen od horizontu o pětinásobek jeho poloměru. Přes všechny optické efekty převládá na obloze pozorovatele, který se nachází nad fotosférou rotující černé díry, přímý obraz vzdáleného vesmíru. Čím hlouběji se však pozorovatel bude nořit do gravitačního pole, tím dramatičtěji bude na jeho obloze narůstat role bizarně zkreslených relativistických obrazů.

Obr 6:  Výhled pozorovatele, který je téměř u horizontu událostí extrémně rychle rotující černé díry. Kredit: P. Bakala.
Obr 6: Výhled pozorovatele, který je téměř u horizontu událostí extrémně rychle rotující černé díry. Kredit: P. Bakala.

Obloha pozorovatelů ponořených do ergosféry extrémně rychle rotující černé díry připomíná původní nezkreslenou oblohu jen vzdáleně. (Obr.5). A když se oběžná dráha pozorovatele u extrémně rychle rotující černé díry dostane velmi těsně k horizontu událostí a relativistické zobrazování získá skutečně exotické podobu.(Obr.6)

 

 

Pro pozorovatele na tak nízké oběžné dráze již stín černé díry zabírá téměř polovinu nebe a dotyčný pozorovatel se už téměř dotýká horizontu událostí. Proto by následující simulací nejspíše měla být vizualizace oblohy z pohledu pozorovatele padajícího pod horizont a putujícího dále do nitra černé díry. Takový virtuální kosmický výlet, včetně návratu do okolního vesmíru velmi hypotetickou červí dírou, by měla umožnit připravovaná nová verze relativistického simulátoru LSDCode+.

 

Redakčně zkráceno a upraveno. Podobný článek vyšel v časopisu Vesmír 2015/12.

Datum: 14.12.2015
Tisk článku

Válka o černé díry - Susskind Leonard
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 498 Kč
cena: 438 Kč
Válka o černé díry
Susskind Leonard
Související články:

Vábení stínů černých děr     Autor: Pavel Bakala (12.11.2015)
Supermasivní černé díry mají limit velikosti: 50 miliard Sluncí     Autor: Stanislav Mihulka (13.12.2015)



Diskuze:

Vzhled oblohy blízko horizontu ČD

Petr Čoupek,2015-12-17 20:40:38

Lákavé téma, jak vypadá obloha poblíž horizontu událostí je diskutovaná také např. v knize Thorne Kip S. - Černé díry a zborcený čas.
Tam je to ale popsáno odlišně: černý prostor postupně zaplňuje většinu obzoru nad úroveň horizontu, takže pozorovatel si připadá jako ve veliké černé míse. Nakonec celou oblohu vidí jen v malém prostoru nad hlavou (nad zenitem), zmenšenou co do velikosti, ale s jasností původní oblohy. Nic takového na přiložených simulacích nevidím. Můžete mi prosím vysvětlit tento rozpor? Děkuji.

Odpovědět


Re: Vzhled oblohy blízko horizontu ČD

Pavel Bakala,2015-12-18 12:35:24

Thorne popisuje nejjednodušší možný případ, nerotující (Schwarzschildovu) černou díru a statického pozorovatele, tj. pozorovatele, který díky např. velmi silnému raketovému motoru setrvává v klidu. Pozorovatelovo nebe je takovém případě zkreslováno pouze statickým sférickým symetrickým gravitačním pole bez dalších efektů. Naše černá díra ovšem rotuje, což už samo sobě velmi výrazně mění geometrii prostoročasu. Další komplikací je, že poblíž horizontu, v tzv. ergosféře, už sebesilnější raketový motor nedokáže vzdorovat strhávání prostoročasu rotací černé díry a proto v ergosféře statičtí pozorovatelé z principiálních důvodů nemohou existovat. Takže jsme zvolili fyzikálně smysluplnější pozorovatele na stabilní kruhové oběžné dráze kolem černé díry. Díky extrémně silnému gravitačnímu poli mohou ovšem orbitální rychlosti v blízkosti horizontu událostí dosáhnout významného zlomku rychlosti světla a na vzhledu oblohy se nutně podepíší i speciálně relativistické optické efekty. Vzhled oblohy na obrázcích v článku je tak mezihrou optické distorze způsobené rotujícím gravitačním polem a speciálně relativistických optických efektů způsobených vysokou orbitální rychlostí.

Pokud by jste chtěl znát nějaké další detaily, stáhněte si powerpointovou prezentaci na : http://nora.fpf.slu.cz/setc_data/Gol_2014-06-09_1_5iba79t9twi.pptx

Odpovědět

Zajímavé

Vít Výmola,2015-12-15 12:31:08

Je to hodně zajímavé, ale obávám se, že u projekčních 2D obrázků trochu selhává lidská představivost a orientace. Chtělo by to nějakou 3D vizualizaci.

(technicko-šotková: Ten Xeon má pravěpodobně takt 2 GHz, nikoliv 2 KHz)

Odpovědět


Re: Zajímavé

Martin Plec,2015-12-15 12:52:02

Je to moc zajímavé. Mojí představivosti 2D projekce dostačuje.

Nedávno jsem někde četl o nějakém novém filmu nebo počítačové hře, kde si autoři dali záležet, aby zobrazení relativistických deformací u černé díry bylo fyzikálně co nejpřesnější. Název si nepamatuji.

Odpovědět


Re: Re: Zajímavé

Vít Výmola,2015-12-15 13:15:10

A nebyl to v článku zmiňovaný Interstellar?

Odpovědět


Re: Re: Re: Zajímavé

Martin Plec,2015-12-15 13:50:41

Asi ano. V článku jsem to přehlédnul.

Odpovědět


Re: Zajímavé

Pavel Bakala,2015-12-16 12:55:09

S Xeonem samozřejmě máte pravdu. 3D vizualizaci či spíše VR simulaci celé oblohy v silné gravitaci připravujeme (už je na spadnutí), měla by fungovat s použitím enginu UNITY a podporovat tak rozličný VR hardware (VR brýle, 3D projektory apod). Finálním cílem je připravit simulace optických efektů v poli černých děr pro digitální planetária.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni