Используя новейшие данные и мощности суперкомпьютера, специалисты NASA создали видео падения на чёрную дыру и облёт вокруг горизонта событий. Это был бы билет в один конец, поэтому реальный видеоряд подобного манёвра человечество вряд ли когда-либо увидит. Моделирование NASA даёт представление о невероятных явлениях самым доступным образом — через визуализацию.

Пересекая горизонт событий. Художественное представление. Источник изображения: NASA

Картинка транслируется виртуальной камерой, падающей за горизонт событий со всеми возможными световизуальными эффектами для наблюдателя. Для стороннего зрителя приближающийся к границе горизонта событий объект превратился бы в «спагетти» — гравитация растянула бы его вместе с пространством-временем. Для взгляда со стороны в таком виде объект находился бы бесконечно долго, но для самого объекта жизнь и существование прекратились бы в считанные секунды — его размело бы на элементарные частицы и понесло бы к центру чёрной дыры. Симуляция для виртуальной камеры позволяет насладиться визуальными эффектами после пересечения горизонта событий, пока камера не прекращает существования.

Второй ролик показывает облёт вокруг горизонта событий на безопасном отдалении и как меняется вид неба и аккреционного диска по мере облёта чёрной дыры на околосветовой скорости в области искажения пространства времени. За пару облётов управляющий кораблём астронавт вернулся бы к своим товарищам на 36 минут моложе их, ведь при движении на околосветовых скоростях время замедляется. Они бы постарели, а он — нет.

Симуляция NASA создана для сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики. Её горизонт событий простирается на 25 млн км. Видео начинается на расстоянии 640 млн км от чёрной дыры и показывает путешествие, которое в реальном времени заняло бы около трёх часов. В процессе симуляции суперкомпьютер NASA Discover работал пять суток и создал свыше 10 Тбайт данных.

Это отличный материал для демонстрации обычным людям процессов, которые не укладываются в голове. Кристофер Нолан в фильме «Интерстеллар» показал хороший пример, пригласив для визуализации эффектов с чёрной дырой учёного Кипа Торна, получившего Нобелевскую премию с двумя другими коллегами за открытие гравитационных волн. В этом плане научно-фантастический фильм 2014 года предвосхитил усилия NASA по визуализации полётов рядом с чёрной дырой, но видеоролик NASA, безусловно, максимально точно передаёт те визуальные впечатления, которые могут сопровождать подобный вояж.

У Вселенной много загадок для человечества, среди которых нейтронные звёзды занимают особое положение. Это настолько плотные объекты, что в них есть место даже для новой физики. И хотя мы не сможем к ним приблизиться, учёным доступны наблюдения и компьютерное моделирование. Подгоняя симуляцию под наблюдения можно раскрыть множество секретов нейтронных звёзд.

Источник изображений: Zingale et al., ApJ, 2024

Столкновения нейтронных звёзд в двойных системах порождают термоядерные взрывы, когда часть вещества перетекает на другую звезду и запускается термоядерная реакция. Это очень мощные явления, которые астрономы фиксируют в гамма- и рентгеновском диапазоне. Силу вспышки и её динамику можно оценить количественно и затем использовать в расчётах для воспроизведения условий для её возникновения. Если расчёты совпадают с увиденным, значит, появляется простор для уточнения массы нюансов поведения нейтронных звёзд. Необходимые детали можно получить из моделирования, даже если мы никогда не получим непосредственного подтверждения симуляции наблюдениями.

Ранее в Ок-Риджской национальной лаборатории на суперкомпьютере Summit учёные исследовали термоядерное воспламенение нейтронной звезды в 2D-проекции. Для объёмной симуляции процесса необходимы намного большие машинные ресурсы, и они были выделены. В новом исследовании была проведена первая в мире подробная 3D-симуляция термоядерного воспламенения нейтронной звезды.

«С помощью симуляции мы можем увидеть, как эти события происходят в мельчайших деталях, — поясняют авторы работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal. — Одна из вещей, которую мы хотим сделать, это понять свойства нейтронной звезды, потому что мы хотим выяснить, как ведёт себя материя при экстремальных плотностях, которые вы обнаружили бы в нейтронной звезде».

В среднем диаметр нейтронных звёзд достигает 20 км. При этом её масса — это масса ядра бывшей звезды, превратившейся в сверхновую — может достигать двух масс Солнца. Собственной массы ядра не хватило, чтобы оно коллапсировало в чёрную дыру, но оставшись материальным телом, настолько спрессовало вещество в себе, что его плотность достигла невообразимых значений. Таких, что атомы вещества в центре нейтронных звёзд могут находиться в разобранном на кварки состоянии или ещё до каких-то неизвестных нам уровней.

Слева изображения симуляции термоядерного взрыва на нейтронной звезде в 2D, справа — в 3D

Моделирование позволяет выявлять нюансы физики нейтронных звёзд, чтобы установить ограничения на те или иные явления и процессы. Наконец, это может помочь создать модель внутренней физики этих объектов. Запуск 3D-модели термоядерного взрыва на нейтронной звезде показал несколько другие результаты, чем во время запуска 2D-модели. Это позволит сделать поправку на исследование процесса в 2D. Это важно по той причине, что запуск в 2D требует гораздо меньше вычислительных ресурсов и происходит быстрее.

В то же время запуск симуляции в 3D раскрыл новые грани процесса распространения термоядерной реакции по поверхности нейтронной звезды. Пока учёные смогли запустить моделирование лишь в районе одного полюса объекта, но приближаются к моделированию явления в масштабах всей звезды от полюса к полюсу.