Buchi neri in rotazione ricreati al PC

Il team responsabile degli effetti speciali del film di Christopher Nolan “Interstellar” ha portato la fantascienza nella scienza, fornendo nuove e importanti conoscenze sui comportamenti dei buchi neri, oggetti tanto misteriosi quanto affascinanti.

In un articolo apparso oggi sulla rivista Classical and Quantum Gravity, il team descrive l’innovativo codice di programmazione che è stato utilizzato per realizzare le immagini del wormhole (una specie di cunicolo nel tessuto spazio-temporale), del buco nero e di altri oggetti celesti, e spiega come questo codice abbia portato a nuove scoperte scientifiche.

Il team di Interstellar è formato dallo staff della Double Negative, una compagnia di effetti speciali visivi di Londra, e dal fisico teorico del Caltech Kip Thorne. Questo team, utilizzando il proprio codice, ha studiato il caso di una telecamera che debba riprendere le immagini nei pressi di un buco nero. Il team ha notato che quando la luce si trova ad una distanza ravvicinata da un buco nero in rotazione, genera delle superfici estremamente peculiari dello spazio, dette caustiche, risultato dell’inviluppo di raggi luminosi su superfici con diverse curvature. Quando una camera si trova vicino ad una regione dello spazio di questo tipo, vede crearsi dozzine di immagini di singole stelle e del sottile piano della galassia lungo cui si trova il buco nero. La scoperta del team di Interstellar è che queste immagini si trovano concentrate lungo l’orizzonte degli eventi, il limite fisico oltre il quale nulla può più sfuggire dall’attrazione gravitazionale del buco nero.

Queste immagini multiple sono causate dal trascinamento del buco nero nello spazio, in un movimento vorticoso che implica una deformazione continua delle caustiche. è la prima volta che si riesce a simulare il comportamento delle caustiche per una camera posta nelle vicinanze di un buco nero, e le immagini ottenute danno un’ottima idea di quello che potrebbe vedere una persona se potesse orbitare attorno a questo oggetto estremo.

La scoperta è stata possibile grazie al codice di programmazione scritto dal team, che – come spiega l’articolo – ha mappato le traiettorie di milioni di raggi luminosi studiando l’evoluzione della loro forma mentre passavano nei pressi dello spazio-tempo deformato dalla presenza del buco nero. Il codice di programmazione è stato utilizzato per creare le immagini del wormhole, del buco nero, chiamato Gargantua, e del suo disco di accrescimento, che rivelano una precisione senza precedenti.
Tali immagini hanno mostrato porzioni del disco di accrescimento che si muovevano sopra e sotto l’orizzonte degli eventi di Gargantua, e lungo il suo equatore, producendo un’immagine che è diventata simbolica per il film.

Questa strana distorsione del disco è causata dall’effetto di lente gravitazionale, un processo attraverso il quale la luce, partendo da traiettorie differenti del disco o da stelle lontane, viene concentrata, deviata e distorta dal buco nero, e poi arriva alla camera simulata. L’effetto di lente gravitazionale avviene perché il buco nero crea un campo gravitazionale estremamente intenso, piegando il tessuto spazio-temporale su se stesso, come farebbe una palla da biliardo appoggiata su un lenzuolo teso.

Nei primi passi del loro lavoro per il film, quando stavano trattando il caso di un buco nero circondato da un folto gruppo di stelle distanti e nebulose, anziché da un disco di accrescimento, il team ha scoperto che l’approccio standard, con l’utilizzo di un solo raggio di luce per pixel (nel caso di un’immagine IMAX, un totale di 23 milioni di pixel), risultava in un tremolio delle stelle e delle nebulose in movimento sullo schermo.

Oliver James, co-autore dello studio e scienziato presso la Double Negative, ha dichiarato: «Per eliminare il tremolio e ottenere immagini realisticamente pulite, abbiamo modificato il codice in un modo mai provato prima. Anziché tracciare il percorso di un singolo raggio di luce utilizzando le equazioni di Einstein, abbiamo tracciato dei percorsi distorti per i fasci luminosi».
Kip Thorne, co-autore dello studio, ha aggiunto: «Questo nuovo approccio sarà di grande aiuto a noi astrofisici: anche noi abbiamo bisogno di immagini pulite».  Gli fa eco Oliver James «Una volta che il nostro codice, chiamato DNGR (Double Negative Gravitational Renderer) è diventato solido e ci ha permesso di creare le immagini che vedete nel film Interstellar, abbiamo capito che avevamo costruito uno strumento facilmente adattabile alla ricerca scientifica».

Nel loro articolo, gli autori riportano come hanno utilizzato il codice DNGR per produrre un numero di simulazioni che esplorassero l’effetto delle caustiche, le peculiari superfici “stropicciate” dello spazio, sulle stelle distanti viste da una camera posta nei pressi di un buco nero in rotazione. «Un raggio di luce emesso da qualunque punto di una superficie caustica viene focalizzato dal buco nero in una cuspide luminosa”, continua James. “Tutte queste cuspidi avvolgono il cielo su se stesso molte volte quando la camera si trova vicino al buco nero. Questo avvolgimento del cielo è causato dalla rotazione del buco nero, che trascina lo spazio in un movimento vorticoso su se stesso come l’aria all’interno di un tornado, e distorce più volte le caustiche attorno al buco nero».

Fonte: Media INAF | Scritto da Elisa Nichelli