美国国家航空航天局新的黑洞可视化技术将观众带到了边缘之外

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美国国家航空航天局新的黑洞可视化技术将观众带到了边缘之外。图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心/J. Schnittman 和 B. Powell

据美国宇航局（弗朗西斯·雷迪）：有没有想过当你掉进黑洞时会发生什么？现在，多亏了美国国家航空航天局超级计算机上制作的一种新的沉浸式可视化，观众可以一头扎进事件视界，这是黑洞的不归路。

“人们经常问这个问题，模拟这些难以想象的过程有助于我将相对论的数学与现实宇宙中的实际后果联系起来，”马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的天体物理学家Jeremy Schnittman说，他创建了这些可视化。“所以我模拟了两种不同的场景，一种是相机——一个勇敢宇航员的替身——刚好错过了视界，弹弓又飞了出来，另一种是它越过了边界，决定了它的命运。”

可视化有多种形式。解说员的视频充当了观光向导，阐明了爱因斯坦广义相对论的奇异效果。以360度视频呈现的版本可以让观众在旅途中环顾四周，而其他版本则以平面全天空地图的形式播放。

为了创建可视化效果，Schnittman与戈达德科学家Brian Powell合作，使用了美国国家航空航天局气候模拟中心的Discover超级计算机。该项目生成了约10 TB的数据，相当于美国国会图书馆估计文本内容的一半，仅在Discover 12.9万个处理器中的0.3%上运行了约5天。同样的壮举在一台典型的笔记本电脑上需要十多年的时间。

目的地是一个质量是太阳430万倍的超大质量黑洞，相当于位于银河系中心的怪物。

Schnittman解释道：“如果你有选择的话，你想落入一个超大质量黑洞。”。“恒星质量的黑洞包含大约30个太阳质量，具有更小的事件视界和更强的潮汐力，可以在接近地平线之前将其撕裂。”

之所以会发生这种情况，是因为靠近黑洞的物体一端的引力比另一端强得多。令人着迷的物体像面条一样伸展开来，天体物理学家称之为“面条化”。

模拟黑洞的视界跨度约为1600万英里（2500万公里），约为地球到太阳距离的17%。一个被称为吸积盘的扁平、旋转的炽热气体云围绕着它，并在秋天作为视觉参考。被称为光子环的发光结构也是如此，它们通过绕黑洞一次或多次的光在离黑洞更近的地方形成。从地球上看到的星空背景完成了这一场景。

当相机接近黑洞，速度越来越接近光本身的速度时，吸积盘和背景恒星发出的光芒会被放大，就像迎面而来的赛车发出的声音一样。当观察行进方向时，它们的光线看起来更亮、更白。

电影开始时，摄像机位于近4亿英里（6.4亿公里）外，黑洞迅速占据了视野。一路上，黑洞的圆盘、光子环和夜空变得越来越扭曲，甚至在它们的光穿过越来越扭曲的时空时形成多个图像。

实时地，相机需要大约3个小时才能降落到视界，沿途执行几乎两个完整的30分钟轨道。但对于任何从远处观察的人来说，它永远不会到达那里。随着时空越来越接近地平线，相机的图像会变慢，然后似乎会在接近地平线时冻结。这就是为什么天文学家最初将黑洞称为“冻结的恒星”

在事件视界，甚至时空本身也以光速向内流动，这是宇宙速度的极限。一旦进入黑洞，相机和它移动的时空都冲向黑洞的中心——一个被称为奇点的一维点，我们所知道的物理定律在这里停止运作。

Schnittman说：“一旦摄像机越过地平线，距离它被消灭只有12.8秒的时间。”。从那里到奇点只有79500英里（128000公里）。航程的最后一段在眨眼之间就结束了。

在另一种情况下，相机的轨道靠近事件视界，但它从未越过并逃到安全地带。如果一名宇航员驾驶航天器进行这6小时的往返飞行，而她在母船上的同事远离黑洞，她将比同事们年轻36分钟返回。这是因为在强引力源附近，当以接近光速的速度移动时，时间过得更慢。

Schnittman指出：“这种情况可能会更加极端。”。“如果黑洞像2014年电影《星际穿越》中那样快速旋转，她会比她的同伴年轻很多年回来。”