Exotech Logo
Nástroje

Vesmír na vlastní zkoušku

Simulátor černé díry online

Obleťte černou díru, přibližte se k horizontu a sledujte, jak její gravitace ohýbá světlo Mléčné dráhy i žhavého disku. Vše se počítá přímo ve vašem prohlížeči. Pod simulací si také můžete poslechnout zvuk černé díry ze skutečných dat NASA.

Načítám simulátor…

Pozadí: panorama Mléčné dráhy, ESO/S. Brunier (CC BY 4.0). Simulace Exotech, nerotující černá díra (Schwarzschildův model).

Zvuk vesmíru · NASA / Chandra

Zvuk černé díry: jak zní?

Zvuk černé díry v této ukázce vychází ze skutečných tlakových vln v horkém plynu kolem černé díry v kupě galaxií Perseus. Vědci je z dat observatoře Chandra převedli do rozsahu lidského sluchu posunem o 57–58 oktáv. Jde o sonifikaci skutečných dat, nikoli o přímou nahrávku mikrofonem nebo zvuk této simulace.

Poslechnout zvuk · 34 sekund

Sonifikace: NASA/CXC/SAO/K. Arcand, SYSTEM Sounds (M. Russo, A. Santaguida). O nahrávce a jejím vzniku

Co v simulátoru vidíte

Uprostřed obrazu je stín černé díry: oblast, ze které k vám žádné světlo nedorazí. Je znatelně větší než samotný horizont událostí, protože gravitace zachytí i paprsky, které míří jen těsně kolem něj. Tenký fotonový prstenec poblíž okraje stínu tvoří světlo, které před cestou k pozorovateli proletělo těsně kolem černé díry. Jeho poloha v obrazu není přímo poloměrem dráhy tohoto světla.

Kolem díry žhne akreční disk z obíhajícího plynu. V tomto modelu se rychlost u vnitřního okraje blíží polovině rychlosti světla, zatímco vzdálenější části obíhají pomaleji. Ačkoli je disk plochý, jeho odvrácenou část vidíte jako oblouk nad i pod stínem. Světlo z ní se totiž ohnulo kolem díry. Strana disku, která se pohybuje směrem k vám, je díky Dopplerovu jevu jasnější.

V pozadí je skutečné panorama Mléčné dráhy. Hvězdy v blízkosti stínu se natahují do oblouků a při vhodném natočení kamery vytvoří kolem díry Einsteinův prstenec.

Jak simulace funguje

Pro každý bod obrazu vyšleme z kamery světelný paprsek a sledujeme ho pozpátku prostorem kolem nerotující černé díry popsané Schwarzschildovou metrikou. Dráhu počítáme krok za krokem: čím blíže k díře, tím silněji se paprsek ohýbá. Pokud skončí pod horizontem, bod je černý. Pokud protne rovinu disku, přičteme jeho záření. Pokud unikne do dálky, přečteme barvu z panoramatu oblohy ve směru, kterým paprsek nakonec letí.

Jas disku určuje teplota klesající se vzdáleností od díry, relativistické Dopplerovo zjasnění a gravitační rudý posuv. Celý výpočet běží na grafické kartě pomocí WebGL 2, a plynulost závisí na výkonu zařízení i rozlišení obrazu. Na slabších zařízeních automaticky snižuje vnitřní rozlišení.

Čas a meze modelu

Rychlost animace je ilustrativní. Výpočet obrazu probíhá průběžně v prohlížeči, ale sekunda animace nepředstavuje sekundu u konkrétní černé díry. Nástroj nemá přiřazenou fyzikální hmotnost ani kalibrované časové měřítko. Pohyb plynu je zrychlený pro lepší názornost.

Ukazujeme nerotující černou díru a zjednodušený tenký disk. Barvy, struktura plynu a průhlednost jsou ilustrativní. Numerické sledování paprsků má omezený počet kroků; zejména u velmi blízkých pohledů nejde o přesný vědecký výpočet.

Ovládání

  • Tažení myší nebo prstem otáčí kamerou kolem díry.
  • Kolečko myši po kliknutí do simulátoru, dva prsty nebo tlačítka plus a minus mění vzdálenost od díry.
  • Dvojklik nebo tlačítko s šipkou vrátí výchozí pohled, klávesnice: šipky otáčí, plus a minus přibližují.
  • Pozastavit zastaví animaci i automatický pohyb kamery. Ruční otáčení a přiblížení fungují dál. Přepínač Kamera: auto / ručně ovládá samostatně automatické otáčení.
  • Reproduktor vedle zoomu zapne nebo vypne umělý void ambient. Po zapnutí můžete nastavit hlasitost. Při přepnutí do jiné karty se zvuk pozastaví; sonifikaci NASA si můžete samostatně přehrát pod simulátorem.
  • Tlačítko s prstencem skryje nebo zobrazí akreční disk, poslední tlačítko přepne celou obrazovku.

Zdroje a další čtení

Často kladené otázky

Je to skutečný zvuk černé díry?

Ukázka pod simulátorem vychází ze skutečných tlakových vln v horkém plynu kolem černé díry v kupě galaxií Perseus. Vědci je získali z dat rentgenové observatoře NASA Chandra a posunuli o 57–58 oktáv výš, abychom je mohli slyšet. Jde o sonifikaci skutečných dat, ne o přímou nahrávku mikrofonem.

Je ambient v simulátoru také skutečný zvuk z vesmíru?

Ne. Void ambient u tlačítek zoomu je uměle vytvořený zvukový podkres pro atmosféru. Sonifikaci skutečných dat NASA najdete v samostatném přehrávači pod simulátorem.

Proč je černý kruh uprostřed větší než horizont událostí?

Tmavá oblast je stín černé díry. Světlo, které míří k díře s malým odstupem, gravitace zachytí ještě dřív, než dosáhne horizontu. Pro vzdáleného pozorovatele odpovídá zdánlivý poloměr stínu nerotující černé díry přibližně 2,6 Schwarzschildova poloměru. Při pohledu zblízka záleží také na poloze pozorovatele.

Co je tenký světlý prstenec těsně kolem stínu?

Je to fotonový prstenec. Ve vzdálenosti 1,5 Schwarzschildova poloměru může světlo obíhat černou díru po kruhové dráze. Paprsky, které se k této dráze přiblíží, ji několikrát oběhnou a odnesou k pozorovateli zhuštěný obraz disku i oblohy za dírou.

Proč vidím disk i nad a pod černou dírou, když je plochý?

Gravitace ohýbá světlo. Světlo z odvrácené části disku, která by měla být schovaná za dírou, se kolem ní ohne a dorazí k vám shora i zdola. Proto se plochý disk jeví jako oblouky obepínající stín. Stejný jev proslavil film Interstellar.

Proč je jedna strana disku výrazně jasnější?

Rychlost plynu závisí na vzdálenosti od černé díry. V použitém modelu dosahuje u vnitřního okraje přibližně poloviny rychlosti světla a směrem ven klesá. Část, která se pohybuje směrem k vám, je díky relativistickému Dopplerovu jevu jasnější a modřejší, vzdalující se část tmavší a červenější. Simulátor tento efekt počítá podle rychlosti oběhu v každé vzdálenosti od díry.

Jde o skutečný snímek nebo o simulaci?

Jde o simulaci počítanou přímo ve vašem prohlížeči. Pro každý bod obrazu sledujeme dráhu světla ve Schwarzschildově geometrii nerotující černé díry. Pozadí tvoří skutečné panorama Mléčné dráhy od ESO, akreční disk je zjednodušený model s umělou barevnou škálou.

Odpovídá rychlost animace skutečnému času?

Ne. Pohyb plynu je zrychlený pro názornost a není navázaný na konkrétní hmotnost černé díry. Sekunda animace tedy nemá přiřazenou fyzikální délku. Průběžný výpočet v prohlížeči popisuje vykreslování obrazu, nikoli skutečné časové měřítko.

Co simulátor zjednodušuje?

Černá díra nerotuje, disk je nekonečně tenký a jeho struktura je procedurální šum. Zanedbáváme rudý posuv hvězd v pozadí, rozptyl světla v plynu i skutečné spektrum záření. Cílem je názorně ukázat geometrii čočkování, ne nahradit vědecký výpočet.

Proč simulátor běží pomalu nebo se nespustí?

Simulátor potřebuje WebGL 2 a výkon grafické karty. Na slabších zařízeních automaticky snižuje vnitřní rozlišení, aby udržel plynulý pohyb. Pokud se nespustí vůbec, zkuste aktuální verzi prohlížeče nebo zapnout hardwarovou akceleraci.