Общая относительность и квантовая космология [Подано 12 февраля 2015 г. (версия 1), последняя редакция 16 февраля 2015 г. (эта версия, v2)]
Заголовок: Гравитационное линзирование от вращающихся чёрных дыр в астрофизике и в фильме «Интерстеллар»
Аннотация: «Интерстеллар» — первый голливудский фильм, в котором попытались изобразить чёрную дыру так, как её увидел бы человек, находящийся рядом. Для этого была разработана программа под названием DNGR (Double Negative Gravitational Renderer, гравитационный рендерер студии Double Negative), чтобы решать уравнения распространения пучков лучей (световых пучков) в искривлённом пространстве-времени вращающейся (Керровой) чёрной дыры и получать быстро меняющиеся изображения в качестве IMAX. Методы работы с пучками лучей были ключевыми для достижения плавности изображения в качестве IMAX без мерцания. У этой статьи четыре цели: (i) Описать DNGR для физиков и специалистов по компьютерной графике. (ii) Представить уравнения, которые используются, когда камера находится в произвольном движении в произвольной точке рядом с Керровой чёрной дырой, для отображения источников света на изображения камеры с помощью эллиптических пучков лучей. (iii) Описать новые выводы, полученные с помощью DNGR, о гравитационном линзировании, когда камера находится рядом с вращающейся чёрной дырой, а не далеко, как почти во всех предыдущих исследованиях. (iv) Описать, как с помощью DNGR были созданы изображения чёрной дыры Гаргантюа и её аккреционного диска в фильме «Интерстеллар». В разделе статьи, посвящённом аккреционному диску, нет новых астрофизических выводов, но новичкам в теме дисков он может показаться полезным с точки зрения обучения, а любителям кино — интересным из-за обсуждения «Интерстеллара».
История подачи
От кого: Кип С. Торн
[v1] Чт, 12 фев 2015 20:56:05 UTC (1,503 КБ)
[v2] Пн, 16 фев 2015 04:19:05 UTC (1,470 КБ)
Гравитационное линзирование от вращающихся чёрных дыр
Студия Double Negative (DNEG) публикует научные статьи о вращающихся чёрных дырах. Гравитационный рендерер DNEG (DNGR, Double Negative Gravitational Renderer) — это компьютерная программа, которая использовалась для создания знаковых изображений чёрных дыр и кротовых нор в фильме «Интерстеллар». Он стал результатом годового сотрудничества профессора Кипа Торна и главного научного сотрудника студии Double Negative Оливера Джеймса, которые возглавляли небольшую команду разработчиков. DNGR использует уравнения общей относительности, чтобы отслеживать лучи света, которые искривляются и деформируются под действием огромной гравитации чёрной дыры. Лучи могут на какое-то время попадать в ловушку, несколько раз облетая дыру, прежде чем достичь камеры. Поперечные сечения этих лучей в этом процессе растягиваются и сжимаются, усиливая свет в небольших областях, что создаёт мерцающие узоры в звёздном свете; а тонкие аккреционные диски деформируются в радужные огненные полосы, которые тянутся над и под чёрной дырой. Беспрецедентная детализация, которую позволяет получить DNGR, привела к тому, что его стали использовать как инструмент для астрофизических исследований, что дало новые выводы о гравитационном линзировании.
Опубликовано в журнале IoP Classical and Quantum Gravity
Джеймс О., фон Тунцельманн Э., Франклин П. и Торн К. С. 2015 Class. Quantum Grav. 32 065001
В фильме «Интерстеллар» чёрная дыра Гаргантюа изображена с высокой научной точностью. Её структура включает горизонт событий — границу, за которой ничто не может выйти, эргосферу — область вокруг горизонта, где пространство-время вращается вместе с дырой, и сингулярность — точку бесконечной плотности в центре. Визуальные эффекты были созданы с помощью симуляции, в которой учитывались все эти элементы. Сотрудничество между учёным и художниками позволило создать изображение, которое не только выглядело реалистично, но и соответствовало законам физики.
Все эти видео посвящены чёрной дыре с параметром вращения 0,999 от максимального и камере на расстоянии 6,03 GM/c² или 2,6 GM/c², где M — масса чёрной дыры, а G и c — гравитационная постоянная Ньютона и скорость света. Наблюдатель движется по круговой геодезической орбите.
Видео: Вид на звёздное небо под действием гравитационного линзирования. Камера находится на расстоянии r=2,6 GM/c²
Видео: Вид на звёздное небо под действием гравитационного линзирования. Камера находится на расстоянии r=6,03 GM/c²
Видео: Вид на звёздное небо под действием гравитационного линзирования. Камера находится на расстоянии r=6,03 GM/c². Первичная и вторичная критические кривые наложены фиолетовым, траектория звезды при полярном угле 0,608π наложена красным.
Видео: Для камеры на расстоянии rc = 6,03 GM/c²: Анимация, показывающая соответствие между точками на первичной критической кривой в небе камеры и первичной каустической кривой на небесной сфере.
Видео: Для камеры на расстоянии rc = 6,03 GM/c²: Анимация, показывающая соответствие между точками на вторичной критической кривой в небе камеры и вторичной каустической кривой на небесной сфере.
Видео: Для камеры на расстоянии rc = 2,6 GM/c²: Анимация, показывающая соответствие между точками на первичной критической кривой в небе камеры и первичной каустической кривой на небесной сфере.
Видео: Для камеры на расстоянии rc = 2,6 GM/c²: Анимация, показывающая соответствие между точками на вторичной критической кривой в небе камеры и вторичной каустической кривой на небесной сфере.
Видео: Для камеры на расстоянии rc = 2,6 GM/c²: Анимация, показывающая соответствие между точками на третичной критической кривой в небе камеры и третичной каустической кривой на небесной сфере.
Команда разработки DNGR:
Оливер Джеймс, Сильван Дикманн, Саймон Пабст, Дамьен Мапу, Пол-Джордж Робертс, Шон
Супервайзер визуальных эффектов: Пол Франклин
CG-супервайзер: Эжени фон Тунцельманн