“Csillagközi” technológia és a forgó fekete lyukak

1213

Az Oscar-díjra is jelölt Csillagok között c. film készítőinek vizuális effektusokért felelős csoportja egy szakcikkben enged bepillantást a forgó fekete lyukaknak a mozi újszerű, realisztikus látványvilágát megalapozó fizikájába.

A cikkben a londoni Double Negative cég munkatársai, Oliver James, Eugénie von Tunzelmann, Paul Franklin és a CalTech elméleti fizikusa, a film tudományos tanácsadója, Kip S. Thorne azt az innovatív számítógépes kódot mutatják be, amelynek segítségével a filmnek a féregjáratot, a fekete lyukat, a fénylő akkréciós korongot és egyéb égitesteket ábrázoló ikonikus, korábban soha nem látott részletességű és finomságú képkockáit generálták, illetve elmagyarázzák, hogy a kód megalkotása hogyan vezette őket új tudományos felfedezésekre. Az új eredmények szerint ha a kamera egy gyorsan forgó fekete lyuk közelében mozog, akkor a kausztika nevű speciális burkolófelületek az egyedi csillagok tucatnyinál is több képét állítják elő, de ugyanez történik annak a galaxisnak a vékony, fényes sávjával is, amelyben a Gargantua fekete lyuk található. A többszörös képek azért jönnek létre, mert a forgó fekete lyuk örvénylő mozgásban magával ragadja a körülötte lévő téridőt, így a kausztikák többszörösen önmaguk köré tekerednek. Ez az első eset, hogy ezt az effektust egy, a fekete lyuk közelében elhelyezkedő kamera nézőpontjából kiszámolták, az eredmény pedig arra nézve is szolgálhat ötletekkel, hogy mit láthatna egy ember a fekete lyuk körül keringve. Az új felfedezéseket az tette lehetővé, hogy a számítógépes kóddal milliónyi fénysugár pályáját tudták követni, amint azok áthaladnak a fekete lyuk görbült téridején.

A film leghíresebb képkockái a Gargantua körüli akkréciós korongot mutatják, amint a fekete lyuk árnyéka felett és alatt, illetve az árnyék egyenlítője előtt örvénylik. A fénylő diszk furcsa torzulását a gravitációslencse-hatás okozza: a korong különböző részeiből kiinduló és a távoli háttércsillagok fénysugarait – mielőtt azok elérnék a kamerát – a fekete lyuk erős gravitációs tere elhajlítja, a téridő szövetét a szó szoros értelmében önmagába csavarva, hasonlóan ahhoz, ahogyan (eggyel kevesebb dimenzióban) egy tekegolyó behajlít egy kifeszített lepedőt.

20150216_csillagkozi_technologia_es_a_forgo_fekete_lyukak_1
A Gargantua fekete lyuk által gravitációsan lencsézett akkréciós korong nagyjából valósághű képe a Double Negative munkatársainak szimulációjából. (Classical and Quantum Gravity)

Még a film munkálatainak korai szakaszában, amikor a fekete lyukat a gazdag csillagmező mellett még egy köd vette körül és nem egy akkréciós korong, a csapat felismerte, hogy a standard megközelítés, miszerint a számítógépes kódban egy pixelt egy fénysugár fog előállítani – ebben az esetben egy IMAX-képkockára ez összesen 23 millió pixel kiszámítását jelenti -, villódzást fog eredményezni, amint a csillagmező és a köd átúszik a vásznon. A Double Negative vezető kutatója, Oliver James szerint a villódzás kiküszöbölésére és a filmhez szükséges valósághűen sima képkockák előállítására a kódot úgy módosították, ahogyan előttük még soha senki. Ahelyett, hogy egyedi fénysugarak útját követték volna egy fénysugár/egy pixel alapon, az Einstein-egyenletek alapján a torzított sugárnyalábok útját és alakját számolták. Ez az újfajta megközelítés Kip Thorne tetszését is elnyerte, mivel asztrofizikusként neki is “sima” képekre volt szüksége.

Amikor a kód (Double Negative Gravitational Renderer, DNGR) kiforrottá vált és legenerálták vele a filmben látható képkockákat, azt is felismerték, hogy tudományos kutatásra is kiválóan alkalmazható eszközt alkottak. A Classical and Quantum Gravity c. folyóiratban megjelent cikkben a szerzők bemutatják, hogy a DNGR-rel futtatott szimulációk miként tárták fel a kausztikák hatását a távoli csillagmezőknek a gyorsan forgó fekete lyuk közelében mozgó kamera által érzékelhető képeire. James magyarázata szerint egy kausztika bármely pontjából kibocsátott fénynyalábot a fekete lyuk egy adott pontbeli fényes csúcsba (cusp) képezi le. Egy kivételével minden kausztika többször tekeredik fel, ha a kamera közel van a fekete lyukhoz. Ezt az “éggörbítést” a fekete lyuk forgása okozza, aminek következtében örvénylő mozgásban magával ragadja a körülötte lévő teret – hasonlóan a levegő mozgásához egy tornádóban -, és a kausztikákat többszörösen a fekete lyuk köré tekeri.

Amint egy csillag fénye áthalad a kausztikákon, vagy a kamera által érzékelhető két új képe keletkezik a csillagnak, vagy két korábbi képe elenyészik. A DNGR szimulációkból előállított animációk azt mutatják, hogy a kamera fekete lyuk körüli keringése közben a kausztikák folyamatosan nagyszámú csillag-képet generálnak és tüntetnek el. A csapat ugyanazon csillag 13 szimultán képét azonosította és 13-szor képződött le a fekete lyukat tartalmazó galaxis vékony, fényes sávja is.

20150216_csillagkozi_technologia_es_a_forgo_fekete_lyukak_2
Két állókép abból a szimulációból, amely a csillagok új képeinek megjelenését, illetve a korábbi képek eltűnését mutatja be. További animációk itt érhetők el. (Classical and Quantum Gravity)

A többszörös képek azonban csak akkor jelentek meg, amikor a fekete lyuk gyorsan forgott, és csak azon az oldalán, ahol a lyuk által magával ragadott tér a kamera felé örvénylett. Ennek okát Thorne és munkatársai abban látják, hogy a térörvény a lyuk árnyékának szélétől kifele “lendítette” a képeket. Az árnyék másik oldalán, ahol a tér az örvénylés miatt a kamerával ellentétes irányban mozog, szintén többszörös csillag-képeknek kell keletkezni, ezeket azonban az örvény a fekete lyuk árnyéka felé nyomja, így olyan közel kerülnek ahhoz, hogy a szimulációkban már nem láthatók.

Forrás:

Hozzászólás

hozzászólás