Что означает это изображение черной дыры в фильме «Интерстеллар»?

Во- первых, обратите внимание, что это вымышленный фильм, а изображение — это впечатление художника , а не детальная симуляция. Публика, кажется, думает, что фильм является своего рода вымышленным документальным фильмом, на который она никогда не претендовала. Тем не менее, изображение качественно передает часть того, что происходит вблизи черной дыры.

Диагональный диск — это аккреционный диск — здесь материя закручивается внутрь из-за гравитации, трения и электромагнитных сил. Он светится, потому что очень горячий.

Круглое кольцо является результатом гравитации, преломляющей свет, излучаемый с дальней стороны аккреционного диска, в направлении нашей прямой видимости. Аналогичный эффект возникает, когда источник света находится намного дальше за черной дырой, как показано на этом изображении из Викимедиа :

Что касается горизонтов событий, то нет, вы бы видели только внешний горизонт по определению. (Горизонт событий — это не что иное, как поверхность, очерчивающая области пространства-времени, которые могут сообщаться друг с другом.) Поскольку рассматриваемое изображение сделано в первую очередь для художественных целей, я бы не стал слишком вникать в детали, которые вы видеть.

Яркие части вокруг черной дыры — это аккреционный диск , который в действительности представляет собой просто плоский диск в экваториальной плоскости, похожий на кольца Сатурна, но визуально искаженный гравитационным линзированием . Вы можете увидеть страницу здесь , которая дает некоторый код для создания изображений с использованием трассировки световых лучей в искривленном пространстве-времени, который предлагает более схематическую диаграмму визуального появления диска вокруг черной дыры (с рисунком шахматной доски на нем для ясности ):

В этом Q&A с Кипом Торном он рассказывает о том, как они создавали изображения, указывая на то, что они использовали более сложную технику, чем трассировка лучей:

Много лет назад я видел изображение аккреционного диска с гравитационным линзированием, которое сделал Жан-Пьер Люмине во Франции. Я как бы забыл об этом, но когда я впервые увидел аккреционный диск с гравитационной линзой, который вы действительно видите в фильме, это было смесью изумления с одной стороны и осознания того, что «Да, я помню, что видел что-то подобное много лет назад». ». И немного трепета и восторга от того, что эта команда из Double Negative только что взяла уравнения, которые я им дал — они не просто используют трассировку лучей, они распространяют пучки лучей или световые лучи — они использовали уравнения распространения светового луча, заложили вниз по их собственному аккреционному диску, основанному на художественных моделях, основанных на материалах астрофизиков, и вернуться ко мне с полномасштабным изображением, которое вы видите в фильме.

Однако они не смоделировали все оптические эффекты, которые можно было бы увидеть — упомянутый выше физик Жан-Пьер Люмине комментирует в посте на Facebook , что межзвездное изображение не включает «сильные доплеровские и гравитационные спектральные сдвиги, вызванные вращение диска с релятивистской скоростью», и что после комментариев по этому поводу он получил сообщение от Кипа Торна, в котором говорилось, что «доплеровский сдвиг был исключен из изображений, потому что (как вы давно показали) он делает диск сильно асимметричным. , и гораздо труднее понять массовой аудитории». Торн также комментирует это в приведенных выше вопросах и ответах:

Я обсуждаю [все компромиссы], о которых мне известно, в книге. Одним из примеров является аккреционный диск вокруг «Гаргантюа», черной дыры, где, если добавить доплеровский сдвиг, одна сторона диска движется к вам, а другая — от вас, что меняет цвета с синего с одной стороны на красный с другой, это, наверное, нормально, хорошо, но он меняет яркость так, что одна сторона намного ярче, а другая намного тусклее, чем другая, и к тому времени, когда вы это сделаете, широкая аудитория будет совершенно сбиты с толку тем, на что они смотрят. Поэтому было принято сознательное решение исключить доплеровское смещение и получить аккреционный диск правильной формы, но не с правильной перекосом.

Люмине также ссылается на свою оригинальную статью 1979 года о внешнем виде черной дыры с тонким аккреционным диском, а также дает это изображение , «вычисленное JAMarck в 1990-х годах», которое действительно учитывает доплеровский сдвиг, как вы можете видеть, это немного менее кинематографично:

У Люмине также есть блог, в котором он написал серию постов об Interstellar, в том числе этот, в котором он рассказал о своей работе над внешним видом черной дыры (другие посты в этой серии можно найти, вернувшись к шестой части ). ).

Я также нашел это видео , связанное и объясненное в этом посте на Reddit , показывающее схематическое изображение того, как будет выглядеть полет мимо черной дыры с аккреционным диском на релятивистских скоростях. Цветовая схема искусственная, разные цвета обозначают разную интенсивность света.

Отредактировано, чтобы добавить: статья, описывающая физику и компьютерное моделирование черной дыры Interstellar, в соавторстве с Кипом Торном, была только что размещена на arxiv.org здесь:

Гравитационное линзирование вращающимися черными дырами в астрофизике и в фильме «Интерстеллар»

А еще есть на червоточине, если кому интересно.

Это подробно объясняется в книге Торна «Наука о межзвездном пространстве». Было две научные статьи, основанные на моделировании: одна по физике и одна по компьютерной визуализации.

Два круга вызваны гравитационным линзированием очень быстро вращающейся черной дыры. Радиус этой черной дыры составляет 150 миллионов километров при массе в 100 миллионов Солнц.

Горизонтальный круг, вероятно, является аккреционным диском черной дыры.

Вертикальный круг может изображать эффект гравитационного линзирования (хотя я не уверен, что это изображение точное).