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ブラックホール
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GIGAZINE(ギガジン)
ブラックホールを物理学に基づいてシミュレーションしてみた
2015年3月24日 23時0分
ブラックホール
は直接的な観測を行うことが困難であり、物理学の観点から計算されて作成されたモデルの画像のみで見ることができます。その
ブラックホール
の魅力に取りつかれた
Riccardo Antonelli
さんは、自分で理論的な計算を基にしてシミュレーション画像およびリアルタイムシミュレーションムービーを作成し公開しており、物理学が一切分からなくても
ブラックホール
がどのような形状をしているのか理解できる内容になっています。
Schwarzschild Black Hole
http://spiro.fisica.unipd.it/~antonell/schwarzschild/
Raytracing a Black Hole
http://rantonels.github.io/starless/
Antonelliさんが作成した
ブラックホール
のリアルタイムシミュレーションのムービーは下記から確認可能です。
ブラックホールのリアルタイムシミュレーション(背景:天の川) - YouTube
Antonelliさんが作成した
シュヴァルツシルト・ブラックホール
の画像がこれ。
ブラックホール
は物質だけでなく光でさえも吸い込んでしまうほどの重力を持つ天体です。中心にある黒い円は、
事象の地平面
(シュバルツシルト面)という部分で、
シュヴァルツシルト半径
より内側になると、抜け出すために必要な速度が光速を超えるため、光子でさえ事象の地平面から抜け出すことはできません。光子を含む全ての物質が抜け出せないことから、事象の地平面は真っ暗。事象の地平面の周囲には光るリングのような物体がありますが、これは重力によってねじ曲げられている光になります。
では、Antonelliさんは一体どうやって
ブラックホール
を視覚化したのかというと、「
レイトレーシング
」という3次元の画像を計算する技術を使ったとのこと。実世界では、太陽やライトの光が物体に反射して人間の目に入り、人間はモノを見ることができますが、レイトレーシングは人間がモノを見るときに起こっているのと逆、つまり、人間の目から出た視線が伸びて物体に当たり、「物体が人間を見ている」という考え方に基づいた計算方法です。目に飛び込んでくる光を逆方向にたどり、、物体の表面の色や輝度を計算して描画するレイトレーシングを使ってAntonelliさんは、画像やリアルタイムシミュレーションを作ったというわけ。
作成途中では真っ暗である事象の地平面をグリッド化し、どの場所から見ても、事象の地平面が視覚できることを確かめる必要がありました。その時に作成されたのが下記の画像で、一般
相対性理論
における
アインシュタイン
方程式の解の1つである
シュヴァルツシルトの解
に基づいて事象の地平面をグリッドで表現しています。
映画「
インターステラー」
でも描かれた、白い
降着円盤
を持つ
ブラックホール
の画像。
ブラックホール
における降着円盤とは、同天体に吸い込まれるガスやちりが形成する円盤のことで、連星系を形成する
ブラックホール
が形成することがあります。ただし、Antonelliさんによると下記のような画像は、観測対象からの光のスペクトルが赤色に偏る
赤方偏移
といった天文学的要素が考慮されていないとのこと。
Antonelliさんが作成した降着円盤がコレ。降着円盤の色は大部分が白ですが、外側の縁にいくとオレンジがかっているのがわかります。しかし、降着円盤の光がまぶしすぎて、色の変化はうっすらとしかわからないレベル。
ということで光の強さを弱めたのが下記の画像です。外側がオレンジ色になっている他、内側も青白く変化している部分があります。
正面から
ブラックホール
を見るとこんな感じです。
という具合にして多数のモデルとレイトレーシングを使って作成された
ブラックホール
のリアルタイムシミュレーションムービーは下記URLから確認できます。ただし、赤方偏移による色の変化は省いてあるとのことです。
Schwarzschild Black Hole
http://spiro.fisica.unipd.it/~antonell/schwarzschild/live/
上記URLを開くと表示される、
ブラックホール
の背景が
バルマー系列
の
Hα線
にあったシミュレーションムービーは下記から確認できます。
ブラックホールのリアルタイムシミュレーション(背景:Hα線) - YouTube
背景が緯度経度のグリッドなら下記ムービーのようになります。
ブラックホールのリアルタイムシミュレーション(背景:緯度経度のグリッド) - YouTube
家が写っている写真を背景に
ブラックホール
が登場すると、下記ムービーのようにすさまじいことになります。
ブラックホールのリアルタイムシミュレーション(背景:写真) - YouTube
なお、Antonelliさんが自ら開発したリアルタイムトレーシングのソフトウェアはソースがGithubで公開されており、誰でもダウンロードすることが可能になっています。
rantonels/starless · GitHub
https://github.com/rantonels/starless
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