Черные дыры – одни из тех удивительных, жутких, невообразимых космических объектов, что заставляют нас всматриваться в глубины Вселенной с неиссякаемым любопытством. Являясь невероятно массивными, очень плотными узлами материи, черные дыры известны своей чудовищной прожорливостью: оказавшись достаточно близко от центра подобного объекта, любая материя  — даже свет! — не в силах выскользнуть из гравитационных пут, и пропадает в черной дыре навсегда.

Хотя черная дыра не отражает свет, она может выбрасывать не упавшие за горизонт событий фотоны и обычное вещество в виде релятивистских струй. Кроме того, пожирая материю, такой объект разогревает ее до миллионов градусов и заставляет светиться. Но даже в том случае, если черная дыра спокойна, огромная гравитация порождает любопытные визуальные эффекты: в соответствии с Общей теорией относительности (ОТО), пространство в ее окрестностях должно искажаться, создавая так называемые гравитационные линзы. Поэтому даже тихую, не поглощающую вещество черную дыру можно заметить по искажению звезд фона.

черная дыра

Модель спокойной черной дыры и пространственных искажений, производимых ею. Источник: SXS

В недавно вышедшем на экраны фильме «Интерстеллар» гравитационная линза вокруг черной дыры была показана, если верить авторам, с соблюдением научной достоверности. Современные суперкомпьютеры действительно способны смоделировать эффекты линзирования вокруг черной дыры любой массы. Более того, было проведено специальное научное исследование, показавшее, как выглядело бы для стороннего наблюдателя слияние двух черных дыр! (Такие явления, по всей видимости, действительно имели и имеют место в истории Вселенной.)

Представленные исследователями иллюстрации впечатляют.

Млечный Путь, Южный Крест, Угольный Мешок, Альфа Центавра

Звездное поле, использовавшееся для моделирования слияния черных дыр. Представлен участок южного полушария небесной сферы с созвездиями Центавр и Южный Крест. Яркая желтая звезда в гуще Млечного Пути — альфа Центавра. Источник: SXS/2MASS

Ученые коллаборации SXS (Simulating Extreme Spacetimes) поместили пару черных дыр на фоне ярких звездных облаков Млечного Пути (изображение звездного поля взято из каталога 2MASS). Черные дыры, вращаясь вокруг общего центра масс, постепенно сближаются. При этом их сила тяготения искажает пространство, искривляя лучи света от далеких звезд фона. Рассчитать это искривление способна специальная программа, работающая по формулам ОТО. Однако этот метод невероятно трудоёмок, если вести речь о расчете траектории фотонов от каждой звезды на картине, — он предполагает почти бесконечное количество вычислений! Поэтому авторы исследования рассчитали пути только тех фотонов, что не будут поглощены черной дырой и достигнут камеры наблюдателя.

две черные дыры связанные тяготением

На этом изображении черные дыры поглощают свет, идущий от далеких звезд к камере, образуя более или менее сферические тени. Форма теней искажается за счет искажения пространства-времени соседкой. Меньшие, вытянутые по форме, тени физики называют «бровями». Источник: SXS

В итоге перед нами предстает странная, захватывающая дух картина. Горизонт событий черных дыр виден как более или менее круглые тени и несколько меньших теней, известных под названием «брови». Звезды фона как бы отодвинуты от пары в стороны и собраны в большое кольцо вокруг черных дыр. Это один из самых известных эффектов искажения пространства-времени, известный как кольцо Эйнштейна. Более того, сравнивая картину звездного поля без черных дыр с картиной, на которой находится пара, можно заметить, что некоторые изображения звезд (в частности, альфа и бета Центавра) удваиваются!

слияние черных дыр

Финальная стадия слияния черных дыр в численном моделировании SXS. Источник: SXS

Как итог проведенной работы — два прекрасных видео слияния черных дыр, «снятые» сбоку и сверху: