Гравитационное линзирование вращающихся черных дыр в астрофизике и в фильме «Интерстеллар»
Гравитационное линзирование вращающихся черных дыр в астрофизике и в фильме «Интерстеллар». Аннотация: «Интерстеллар» стал первым голливудским фильмом, попытавшимся изобразить черную дыру так, как её увидел бы находящийся рядом наблюдатель. Для этого наша команда в Double Negative Visual Effects, в сотрудничестве с физиком Кипом Торном, разработала программу под названием Double Negative Gravitational Renderer (DNGR) для решения уравнений распространения пучков лучей (световых пучков) через искривленное пространство-время вращающейся (Керровской) черной дыры и для создания изображений 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 генерации изображений, используемых физиками (которые обычно опираются на отдельные лучи света, а не на пучки лучей), и также отличаются от методов, ранее применявшихся в сообществе CGI кинематографа. Эта статья преследует четыре цели: (i) описать DNGR для физиков и специалистов по CGI, которые могут найти некоторые из наших нестандартных методов 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 от нее, 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 её 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) имитации бликов объектива камеры и (г) решений, принятых создателями фильма относительно этих влияний и вращения Гаргантюа, с целью создания изображений, понятных массовой аудитории. В разделе о аккреционном диске этой статьи нет новых астрофизических открытий, но новички в этой области могут найти её полезным для обучения, а любители кино могут заинтересоваться обсуждением «Интерстеллара».
Разработка DNGR была профинансирована 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.
Гравитационное линзирование вращающихся черных дыр
DNEG публикует научные статьи о вращающихся черных дырах. Double Negative Gravitational Renderer (DNGR) — это компьютерный код, использованный для создания иконических изображений черных дыр и червоточин для фильма «Интерстеллар». Это результат годовой совместной работы профессора Кипа Торна и главного ученого Double Negative Оливера Джеймса, возглавлявшего небольшую команду разработчиков. DNGR использует уравнения общей теории относительности для отслеживания пучков света, искривленных и деформированных огромной гравитацией черной дыры. Пучки могут временно застревать, облетая дыру много раз, прежде чем достичь камеры. Поперечные сечения этих пучков растягиваются и сжимаются в процессе, усиливая свет в небольших областях, что приводит к блестящим узорам в звездном свете; и тонкие аккреционные диски искажаются в радугу огня, протянувшиеся над и под черной дырой. Безпрецедентная детализация, открытая DNGR, привела к его использованию в качестве инструмента для астрофизических исследований, давая нам новые идеи о гравитационном линзировании.
Команда разработки DNGR: Оливер Джеймс, Сильван Диккман, Саймон Пабст, Дамьен Мопю, Поль-Жорж Робертс, Шейн Кристофер. Надзор визуальных эффектов: Пол Франклин. Надзор компьютерной графики: Эжен фон Тунцельман.