Новая визуализация НАСА исследует изгиб света двойных черных дыр

На ней показано, как черные дыры искажают и перенаправляют свет, исходящий от водоворота горячего газа, аккреционного диска, который окружает каждую из них.

Если смотреть со стороны плоскости орбиты, каждый аккреционный диск приобретает характерный двугорбый вид. Но когда одна проходит перед другой, гравитация черной дыры на переднем плане превращает ее партнера в быстро меняющуюся последовательность дуг. Эти искажения проявляются, когда свет от обоих дисков перемещается по запутанной ткани пространства и времени рядом с черными дырами.

«Мы видим две сверхмассивные черные дыры, большую с массой 200 миллионов солнечных масс и меньшую по размеру, весящую вдвое меньше», - сказал Джереми Шниттман, астрофизик из Центра космических полетов имени Годдарда, который создал визуализацию. «Это бинарные системы черных дыр, в которых, как мы думаем, оба члена могут поддерживать аккреционные диски в течение миллионов лет».

Аккреционные диски имеют разные цвета, красный и синий, чтобы упростить отслеживание источников света, но выбор также отражает реальность. Более горячий газ излучает свет ближе к синему концу спектра, а материал, вращающийся вокруг более мелких черных дыр, испытывает более сильные гравитационные эффекты, вызывающие более высокие температуры. Для этих масс оба аккреционных диска фактически излучали бы большую часть света в УФ-диапазоне, при этом синий диск достигал бы немного более высокой температуры.

Подобные визуализации помогают ученым представить себе увлекательные последствия отражения экстремальной гравитации. Новая визуализация дублирует более раннюю, снятую Шниттманом, показывающее уединенную черную дыру под разными углами.

При взгляде почти сбоку аккреционные диски с одной стороны выглядят заметно ярче. Гравитационное искажение изменяет пути света, исходящего от разных частей дисков, создавая искаженное изображение. Быстрое движение газа около черной дыры изменяет светимость диска за счет доплеровского излучения - эффект теории относительности Эйнштейна, который увеличивает яркость стороны, вращающейся к наблюдателю, и затемняет сторону, вращающуюся в другую сторону. 

Визуализация также показывает более тонкий феномен, называемый релятивистской аберрацией. Черные дыры кажутся меньше по мере приближения к зрителю и больше по мере удаления.

Эти эффекты исчезают при просмотре системы сверху, но появляются новые функции. Обе черные дыры создают маленькие изображения своих партнеров, которые вращаются вокруг них на каждой орбите. Если присмотреться, становится ясно, что эти изображения на самом деле вид сюоку. Для их создания свет от черных дыр должен быть перенаправлен на 90 градусов, что означает, что мы наблюдаем черные дыры с двух разных точек зрения - лицом и сбоку - одновременно.

«Поразительным аспектом этой новой визуализации является самоподобный характер изображений, созданных с помощью гравитационного линзирования», - пояснил Шниттман. «Увеличение масштаба каждой черной дыры открывает множество искаженных изображений ее партнера».

Шнитман создал визуализацию, вычислив путь, проходимый световыми лучами от аккреционных дисков, когда они пробирались через искривленное пространство-время вокруг черных дыр. Шнитман объединился с ученым из Годдарда Брайаном П. Пауэллом, чтобы использовать суперкомпьютер Discover в Центре моделирования климата НАСА. При использовании всего 2% из 129 000 процессоров Discover эти вычисления заняли около суток.

Астрономы ожидают, что в не столь отдаленном будущем они смогут обнаруживать гравитационные волны - рябь в пространстве-времени - возникающие, когда две сверхмассивные черные дыры в системе, очень похожей на ту, которую изобразил Шнитман, объединяются и сливаются по спирали.