Гравитационное линзирование вращающихся черных дыр в астрофизике и в фильме «Интерстеллар»
Абстракт: «Интерстеллар» стал первым голливудским фильмом, попытавшимся изобразить черную дыру так, как она видна вблизи. Для этого наша команда в Double Negative Visual Effects, в сотрудничестве с физиком Кипом Торном, разработала программу под названием Double Negative Gravitational Renderer (DNGR), чтобы решить уравнения распространения пучков лучей через искривленное пространство-время вращающейся (Керровской) черной дыры и создать изображения высокого качества IMAX с быстрыми изменениями. Наши методы работы с пучками лучей были важны для достижения гладкости изображения IMAX без мерцания; они отличаются от методов, используемых физиками для генерации изображений (которые обычно полагаются на отдельные лучи света, а не на пучки), и также отличаются от методов, ранее применявшихся в киноиндустрии.
Эта статья преследует четыре цели: (i) описать DNGR для физиков и специалистов по компьютерной графике, которые могут найти некоторые наши нестандартные методы интересными и полезными; (ii) представить уравнения, которые мы используем, когда камера находится в произвольном движении в произвольной точке вблизи Керровской черной дыры, для отображения источников света на изображения камеры через эллиптические пучки лучей; (iii) описать новые идеи, полученные с помощью DNGR, о гравитационном линзировании, когда камера находится вблизи вращающейся черной дыры, а не далеко, как в большинстве предыдущих исследований; мы сосредоточились на формах, размерах и влиянии каустик и критических кривых, создании и уничтожении изображений звезд, узорах множественных изображений и влиянии почти захваченных лучей света, и обнаружили результаты, аналогичные более привычному случаю камеры, находящейся далеко от дыры; (iv) описать, как были сгенерированы изображения черной дыры Гаргантюа и ее аккреционного диска в фильме «Интерстеллар» с помощью DNGR, включая, в частности, влияние (а) изменений цвета из-за доплеровского и гравитационного сдвига частоты, (б) изменений интенсивности из-за сдвига частоты, (в) симулированного блика объектива камеры и (г) решений, принятых создателями фильма относительно этих влияний и вращения Гаргантюа, с целью создания изображений, понятных массовой аудитории. В разделе об аккреционном диске нет новых астрофизических открытий, но новички в этой области могут найти его полезным для обучения, а любители кино могут заинтересоваться обсуждением «Интерстеллара».
Мы благодарим К. Нолана, А. Риазуэло, Ж.-П. Люминэ, Р. Бленфорда, А. Бона, Ф. Эбера, У. Троу, А. Бродерика и Д. Псалтиса за очень полезные советы во время разработки DNGR и/или во время исследований с ним, представленных здесь. За вклад в DNGR и его применение мы благодарим членов команды Double Negative R&D С. Диккмана, С. Пабста, С. Кристофера, П.-Ж. Робертса и Д. Мопу; а также художников Double Negative Ф. Занглу, С. Рота, З. Лорда, И. ди Луиджи, Ф. Фана, Н. Нью, Т. Майлза и П. Хаулетта. Создание DNGR было профинансировано Warner Bros. Entertainment Inc. для создания визуальных эффектов для фильма «Интерстеллар». Мы благодарим Warner Bros. за разрешение на дополнительное использование этого кода для научных исследований, и в частности, исследований, представленных в этой статье.
Создание черной дыры «Интерстеллара»: гравитационный рендерер
Опубликовано август 2015 г.
Абстракт: «Интерстеллар» стал первым художественным фильмом, попытавшимся изобразить черную дыру так, как она видна вблизи. Тесное сотрудничество между научным консультантом производства и командой визуальных эффектов привело к разработке нового рендерера, DNGR (Double Negative Gravitational Renderer), который использует новые методы для рендеринга в искривленном пространстве-времени. После завершения фильма код был адаптирован для научных исследований, что привело к новым идеям о гравитационном линзировании.
DNEG получил награду на технических наградах CVMP 2023
Команда, стоящая за гравитационным рендерером «Интерстеллара», получила награду за сотрудничество. На 20-й Европейской конференции ACM SIGGRAPH по производству визуальных медиа (CVMP) наша команда, стоящая за инструментом Double Negative Gravitational Renderer (DNGR), получила награду за сотрудничество, признавая совместные усилия над специальным проектом между промышленностью и академией! Разработанный для создания иконических изображений черных дыр и червоточин в «Интерстелларе», проект, завершенный в 2015 году, был сотрудничеством между профессором Калифорнийского технологического института Кипом Торном и главным ученым DNEG Оливером Джеймсом, возглавлявшим нашу команду разработки: Саймон Пабст, Сильван Диккман, Поль-Жорж Робертс и Дамьен Мопу. За интенсивные семь месяцев они сжали гору уравнений в код, чтобы создать наиболее точное изображение черной дыры и червоточины, когда-либо виденное! Непревзойденные детали DNRG привели к публикации двух научных статей и стали инструментом для исследований в астрофизике, давая нам новые идеи о гравитационном линзировании.
О работе над проектом Оливер Джеймс сказал: «Работа с профессором Торном позволила нам идти на амбициозные риски в этом проекте, зная, что у нас есть мировой эксперт, поддерживающий нашу команду. Тщательность в физике позволила инструменту, который мы создали, превзойти свою первоначальную цель в кино, и он с тех пор используется в образовании, просвещении и даже научных исследованиях.»
Профессор Торн добавил: «Требования создания изображений IMAX-качества объектов вблизи черной дыры заставили моих коллег из DNEG и меня разработать и усовершенствовать новый подход к созданию таких изображений – подход, воплощенный в Gravitational Renderer DNEG. Этот замечательный код не только произвел потрясающие изображения горячего газа, вращающегося вокруг черной дыры Гаргантюа в фильме «Интерстеллар», но и стал рабочим инструментом для изучения странных аспектов астрофизического гравитационного линзирования звезд черными дырами.»
Помимо «Интерстеллара» 2014 года, DNGR также использовался в разработке внешнего вида для первого сезона «Фонда», шоу Брайана Кокса «Universal Live», а также в образовательных видео для планетария Тихо Браге в Копенгагене и центра для посетителей обсерватории Маунт-Стромло в Канберре. Поздравляем команду с этой наградой!