Чёрные дыры на рабочем столе: реальная физика Binary Black Holes и Black Hole Devour
Два самых драматичных обоя в коллекции Gloomia, Binary Black Holes и Black Hole Devour, легко принять за чистую фантазию художника: светящиеся кольца, закрученные диски, лучи, бьющие из темноты. На деле за каждой деталью этих сцен стоит настоящая, десятилетиями проверяемая астрофизика. Не буквальная симуляция конкретно зафиксированного события, а художественная интерпретация процессов, которые реально происходят во Вселенной и которые учёные умеют измерять, фотографировать и даже слышать в виде гравитационных волн.
В этой статье разберём, что из показанного в обоях основано на реальной физике: как устроен аккреционный диск, почему свет огибает чёрную дыру кольцами, что такое приливное разрушение звезды, откуда берутся релятивистские джеты и существуют ли двойные чёрные дыры на самом деле. И отдельно проговорим, где заканчивается физика и начинается художественная стилизация, потому что это принципиально разные вещи, и в Gloomia они не смешиваются.
Что вообще известно наверняка о чёрных дырах
Чёрная дыра, это область пространства, где гравитация настолько сильна, что ничто, включая свет, не может её покинуть после пересечения границы, называемой горизонтом событий. Само существование чёрных дыр много десятилетий было предсказанием общей теории относительности Эйнштейна, но сегодня это уже не только теория. В апреле 2019 года коллаборация Event Horizon Telescope опубликовала первое прямое изображение окрестностей чёрной дыры, тени сверхмассивного объекта в центре галактики M87, удалённой на десятки миллионов световых лет. На снимке виден яркий светящийся круг, окружающий тёмную область, именно то, что и предсказывала теория для света, изогнутого гравитацией вокруг горизонта событий.
Это принципиально важная точка отсчёта для всей статьи: чёрные дыры, аккреционные диски, линзирование света и релятивистские джеты, не художественный вымысел, а объекты, которые реально сфотографированы, измерены и математически описаны. Художники Gloomia, создавая Binary Black Holes и Black Hole Devour, отталкивались именно от этой реальной картины, а не придумывали физику с нуля.
Аккреционный диск: почему вещество не падает в чёрную дыру по прямой
Интуитивно кажется, что газ или обломки звезды рядом с чёрной дырой должны падать в неё по прямой линии, как камень в колодец. На практике почти всегда происходит иначе, потому что у падающего вещества есть угловой момент, вращательная инерция, которую оно принесло с собой из своей прежней орбиты. Из-за этого вещество не может упасть отвесно, оно закручивается по спирали, постепенно теряя энергию за счёт трения между соседними слоями газа. Так и образуется аккреционный диск, тонкий, стремительно вращающийся диск вещества вокруг чёрной дыры.
Трение внутри диска не просто замедляет падение, оно разогревает вещество до миллионов градусов, из-за чего диск ярко светится, в основном в рентгеновском диапазоне. Именно аккреционные диски, а не сама чёрная дыра, делают такие объекты видимыми для телескопов, ведь сама чёрная дыра по определению не излучает свет. Когда мы говорим, что "видим" чёрную дыру, почти всегда речь идёт именно о свечении окружающего её аккреционного диска и о тени, которую сама дыра отбрасывает на этом фоне.
В Binary Black Holes именно эта идея развёрнута в динамике: две чёрные дыры кружат вокруг общего центра тяжести, и каждая тащит за собой собственный светящийся аккреционный диск. По мере того как орбита сужается, диски разгораются ярче, отражая рост скорости и трения, прежде чем пара снова расходится и цикл начинается заново. Расцветку дисков и скорость вращения можно настраивать в самом обое.
Гравитационное линзирование: почему свет складывается в кольца
Свет распространяется не по идеально прямой линии в присутствии огромной массы, он огибает искривлённое ею пространство-время. Этот эффект, гравитационное линзирование, был одним из первых экспериментальных подтверждений общей теории относительности ещё в начале XX века, когда астрономы заметили, что положение звёзд рядом с краем Солнца во время затмения слегка смещается. Возле чёрной дыры эффект выражен на порядки сильнее из-за колоссальной плотности массы, из-за чего свет от аккреционного диска может обогнуть чёрную дыру и дойти до наблюдателя даже с той стороны, которая формально должна быть скрыта за диском.
Практический результат такого линзирования, светящиеся кольца и дуги вокруг тёмного силуэта, именно то, что зафиксировано на реальном снимке Event Horizon Telescope и то, что математически рассчитывалось задолго до этого снимка, в том числе для известной кинематографической визуализации чёрной дыры Гаргантюа в фильме "Интерстеллар", где команда физиков-консультантов строила изображение по настоящим уравнениям общей теории относительности, а не рисовала его на глаз. В Binary Black Holes и Black Hole Devour эффект линзирования сделан художественно, а не просчитан по строгим уравнениям кадр за кадром, но сама идея, кольца света вокруг тёмного ядра, взята именно из этой реальной физики. Эффект можно включать и выключать отдельным переключателем.
Подробный обзор всей космической коллекции Gloomia, включая более спокойные и более процедурные обои вроде Wormhole и Galaxy Spiral, есть в статье про космические живые обои для рабочего стола.
Двойные чёрные дыры: не выдумка, а измеренный факт
Возможно, самое неожиданное во всей этой теме, то, что двойные чёрные дыры, сюжет обоя Binary Black Holes, не гипотетическая идея для красивой картинки, а явление, которое человечество уже напрямую зафиксировало. 14 сентября 2015 года два детектора LIGO в США впервые в истории напрямую зарегистрировали гравитационные волны, рябь самого пространства-времени, дошедшую до Земли от слияния двух чёрных дыр массой примерно 36 и 29 солнечных масс. Результатом слияния стала одна чёрная дыра массой около 62 солнечных, а разница, около трёх солнечных масс, была излучена в пространство в виде энергии гравитационных волн за доли секунды. Открытие объявили официально в феврале 2016 года, оно стало прямым доказательством существования чёрных дыр и ещё одним подтверждением общей теории относительности.
С тех пор детекторы зафиксировали уже десятки подобных слияний. Двойные чёрные дыры образуются двумя основными способами: либо это остаток двойной звёздной системы, где обе звезды были достаточно массивны, чтобы превратиться в чёрные дыры и остаться на общей орбите, либо это результат динамического захвата, когда две отдельные чёрные дыры сближаются и связываются гравитацией в плотном звёздном скоплении. В обоих случаях итог один: пара чёрных дыр по спирали сходится всё теснее, пока не сольётся в одну, излучая гравитационные волны на финальном этапе сближения.
Важная оговорка: обои Binary Black Holes не воспроизводят конкретное зафиксированное событие вроде слияния 2015 года, это стилизованный художественный цикл, где орбита сужается, диски разгораются и пара снова расходится, а не одноразовое слияние с последующей тишиной. Но сама физическая основа, две чёрные дыры на общей орбите, реальна и хорошо измерена, а не придумана для обоев.
Приливное разрушение звезды: когда чёрная дыра встречает соседа
Сюжет Black Hole Devour, звезда, которая подходит слишком близко к чёрной дыре и оказывается разорвана, тоже основан на реальном и достаточно изученном явлении, которое в астрофизике называют tidal disruption event, приливным разрушением. Суть в разнице силы притяжения: сторона звезды, обращённая к чёрной дыре, притягивается заметно сильнее, чем противоположная сторона. Когда звезда подходит достаточно близко, эта разница, приливная сила, становится сильнее собственной гравитации звезды, удерживающей её единой, и звезду в буквальном смысле растягивает в длинный поток вещества.
Часть этого растянутого вещества по спирали устремляется к чёрной дыре и попадает в её аккреционный диск, разогреваясь и вызывая яркую вспышку излучения, которую и фиксируют телескопы в рентгеновском, ультрафиолетовом и оптическом диапазонах. Такие вспышки регулярно наблюдаются обсерваториями по всему миру уже не первый год, приливное разрушение звёзд, это не единичный случай, а достаточно регулярно фиксируемый класс астрономических событий. Часть вещества при этом может не упасть внутрь, а быть выброшена обратно в пространство, что объясняет, почему такие вспышки не всегда заканчиваются полным исчезновением звезды.
Black Hole Devour показывает стилизованную, зацикленную версию этого процесса: звезда вытягивается в спиральный поток, поток стекает в аккреционный диск чёрной дыры, а затем звезда как бы восстанавливается и цикл повторяется. В реальности разрушенная звезда, конечно, не собирается заново, это художественное допущение ради бесконечного зацикленного обоя, а не попытка описать конкретное наблюдение.
Релятивистские джеты: куда девается вещество, которое не падает внутрь
Не всё вещество аккреционного диска в итоге пересекает горизонт событий. Часть его, ближе к внутреннему краю диска, попадает под действие чрезвычайно мощных магнитных полей, закрученных вращением самого диска и, в некоторых моделях, вращением самой чёрной дыры. Эти магнитные поля способны разогнать часть заряженных частиц не внутрь, а вдоль оси вращения, то есть вдоль полюсов, до скоростей, близких к скорости света. Так формируются релятивистские джеты, узкие струи вещества, вылетающие в противоположные стороны от чёрной дыры.
Это не гипотетический эффект: релятивистские джеты реально наблюдаются у сверхмассивных чёрных дыр в центрах активных галактик, в том числе у уже упомянутой M87, где джет прослеживается телескопами на тысячи световых лет от галактического центра. В Black Hole Devour именно эти джеты видны как два луча, бьющие из полюсов чёрной дыры, пока звезда постепенно перерабатывается в диск. Их можно включать и выключать отдельно от эффекта линзирования, а также настраивать плотность потока вещества и скорость всего цикла.
Что в обоях стилизовано, а что физически обосновано
Стоит проговорить это прямо, чтобы не создавать ложных ожиданий: Binary Black Holes и Black Hole Devour, художественные, процедурно анимированные сцены, вдохновлённые реальной физикой, а не расчётные симуляции по полным уравнениям общей теории относительности и не привязка к конкретной наблюдаемой системе. В Gloomia есть отдельная группа обоев, которая устроена принципиально иначе, Constellations, Orrery и Asteroid Watch, они строятся на настоящих астрономических данных, реальном небе для вашей широты, текущих орбитах планет, актуальных пролётах астероидов от NASA/JPL. Если интересно именно это отличие между художественной анимацией и обоями на реальных данных, оно подробно разобрано в статье про живые обои с реальными данными.
Иначе говоря, физически обоснованы сами идеи и общая логика процессов: почему вещество образует диск, а не падает по прямой, почему свет складывается в кольца рядом с массивным объектом, почему звезда рядом с чёрной дырой рвётся на поток вещества, откуда берутся струи из полюсов, и что двойные чёрные дыры реально существуют и были напрямую зафиксированы. А вот конкретная визуальная реализация, точные пропорции, цвета, скорость цикла и то, что звезда в Black Hole Devour "возрождается" для следующего витка, это уже художественное решение ради бесконечного зацикленного рабочего стола, а не буквальная модель конкретного события.
Как эти обои ведут себя на рабочем столе
Помимо самой физики, стоит напомнить и практическую сторону. Оба обоя входят в Gloomia Pro и доступны на нескольких мониторах независимо друг от друга, например Binary Black Holes можно держать на основном экране, а Black Hole Devour, на дополнительном. Как и все обои Gloomia, они автоматически приостанавливают отрисовку, когда какое-то окно на экране развёрнуто на весь экран, будь то игра или полноэкранное видео, и когда ноутбук работает от батареи, так что зрелищность сцены не означает постоянной нагрузки на видеокарту. Подробнее о том, как это влияет на GPU и заряд батареи, написано в статье про живые обои и батарею ноутбука, а идеи по расстановке подобных драматичных обоев на нескольких экранах, в материале про живые обои для геймерских сетапов.
В обоих обоях можно настраивать скорость цикла и расцветку свечения, а в Binary Black Holes дополнительно доступна регулировка орбитальной дистанции между чёрными дырами, в Black Hole Devour, плотность потока вещества, стекающего со звезды. Оба переключателя гравитационного линзирования и джетов работают независимо друг от друга, так что можно оставить только диски и орбиты без дополнительных визуальных эффектов, если хочется чуть более спокойной версии сцены.
Стоит ли смотреть на это каждый день
Здесь дело вкуса. Если хочется рабочего стола, который время от времени напоминает о реальном масштабе Вселенной, а не просто занимает фон красивой картинкой, Binary Black Holes и Black Hole Devour подходят особенно хорошо именно потому, что за их визуальной драматичностью стоит не выдумка, а измеренная, сфотографированная и математически описанная физика. Это не значит, что каждая деталь на экране это точный расчёт, но общая логика процессов, от аккреционных дисков до релятивистских джетов, взята из реальной астрофизики, а не сочинена художником с нуля.
Оба обоя, как и вся Pro-коллекция Gloomia, можно сначала включить прямо на своём рабочем столе как превью с водяным знаком, чтобы увидеть орбиты, диски и джеты в движении, прежде чем оформлять покупку. Полный каталог доступен на странице всех обоев, а условия лицензии, включая активацию ключа на нескольких устройствах, разобраны в статье про лицензию Gloomia Pro.
Разница между обоями Binary Black Holes и снимком телескопа Event Horizon не в физике, а в масштабе: одно, художественная сцена на вашем рабочем столе, другое, реальный свет, шедший к Земле десятки миллионов лет. Но кольца света вокруг тёмного ядра в обоих случаях подчиняются одним и тем же уравнениям.
Часто задаваемые вопросы
Двойные чёрные дыры действительно существуют, или это только красивая идея для обоев?
Существуют, и это не гипотеза, а измеренный факт. В сентябре 2015 года детекторы LIGO впервые напрямую зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр массой примерно 36 и 29 солнечных, которые слились в одну массой около 62 солнечных. Разница в массе, около трёх солнечных масс, была излучена в виде гравитационных волн, ровно так, как предсказывает общая теория относительности. С тех пор подобные слияния зафиксированы уже десятки раз. Обои Binary Black Holes не воспроизводят конкретно это событие, это стилизованная художественная сцена, но сама идея, две чёрные дыры на общей орбите, полностью реальна.
Гравитационное линзирование в Binary Black Holes показано физически точно?
Сам эффект, искривление света вблизи очень массивного объекта, реален и подтверждён наблюдениями, в том числе знаменитым снимком тени чёрной дыры в галактике M87, полученным коллаборацией Event Horizon Telescope в апреле 2019 года. Кольца света вокруг чёрных дыр в обоях Gloomia, это художественная, а не расчётная симуляция по строгим уравнениям общей теории относительности, но она опирается на ту же общую идею: свет огибает такой объект и позволяет увидеть части диска, которые иначе были бы скрыты за ним.
Приливное разрушение звезды, которое показано в Black Hole Devour, происходит на самом деле?
Да, такие события называются tidal disruption events и неоднократно фиксировались телескопами в рентгеновском, ультрафиолетовом и оптическом диапазонах. Когда звезда подходит к чёрной дыре ближе определённого предела, приливные силы становятся сильнее собственной гравитации звезды, и она вытягивается в длинный поток вещества. Часть этого потока падает на чёрную дыру, вызывая яркую вспышку, которую и регистрируют обсерватории. Black Hole Devour показывает стилизованную, зацикленную версию этого процесса, а не конкретное зафиксированное событие.
Откуда в Black Hole Devour берутся два луча, вылетающих из полюсов чёрной дыры?
Это отсылка к релятивистским джетам, реальному явлению, при котором часть вещества, закрученного в аккреционном диске, не падает внутрь, а разгоняется мощными магнитными полями и выбрасывается вдоль полюсов почти со скоростью света. Такие джеты действительно наблюдаются у сверхмассивных чёрных дыр, например у той же M87, где струя вещества тянется на тысячи световых лет. В обоях эти джеты можно включать и выключать отдельным переключателем.
Binary Black Holes и Black Hole Devour работают на реальных астрономических данных, как Constellations или Orrery?
Нет, и это важное отличие. Constellations, Orrery и Asteroid Watch в Gloomia строятся на реальных данных: положении звёзд для вашей широты, текущих орбитах планет, фактических пролётах астероидов NASA/JPL. Binary Black Holes и Black Hole Devour устроены иначе, это художественные, процедурно анимированные сцены, вдохновлённые реальной астрофизикой, но не привязанные к конкретной наблюдаемой системе или актуальным данным. Разница примерно та же, что между научно-популярной иллюстрацией и показанием прибора.
Binary Black Holes и Black Hole Devour бесплатные или входят в Gloomia Pro?
Оба обоя входят в Gloomia Pro. Бесплатный набор Gloomia, Starfield, Planet System и Hue Drift, доступен навсегда без регистрации, но не включает обои с чёрными дырами. Pro открывается разовой покупкой за 9,99 доллара по цене раннего доступа (обычная цена 14,99 доллара) либо подпиской за 2,99 доллара в год с отменой в любой момент, без привязки к аккаунту, лицензионный ключ приходит на почту и активируется в Настройки → Лицензия на трёх устройствах.
Больше статей о живых обоях и настройке рабочего стола, в русскоязычном блоге Gloomia.