Zwarte gaten zijn een van de meest opmerkelijke verschijnselen in het heelal. Maar hoe zien ze eruit? En hoe geef je zoiets weer? Onderzoeker Annemieke Verbraeck ontwikkelt een nieuwe simulatie, die is gebaseerd op de Hollywoodfilm Interstellar.
Ze slokken alles om zich heen op en binnenin heerst alleen de diepste duisternis. Maar eromheen is juist weer een spectaculaire lichtshow. Zwarte gaten zijn een merkwaardig fenomeen in het heelal. De massa is er zo compact dat het alles opslokt en niets eruit kan ontsnappen. Zelfs licht lukt dit niet. Het beweegt zich daarom niet in rechte lijnen voort en wordt sterk vervormd.
Hoe een zwart gat er uitziet weten we door een afbeelding uit april 2019: een donker oog met een bundel licht eromheen. Voor de Hollywoodfilm Interstellar, die een Oscar won, werd een zwart gat op spectaculaire wijze getoond. In deze sci-fi-blockbuster speelt dit duistere oog een sleutelrol. Via het zwarte gat krijgt het ruimteschip van de hoofdpersoon genoeg snelheid om door te vliegen, waardoor hij uiteindelijk de mensheid redt. De manier waarop dit werd weergegeven oogstte veel lof binnen en buiten de academische wereld. Aan de film werkten veel wetenschappers mee. Waaronder de Amerikaanse Nobelprijswinnaar en astrofysicus Kip Thorne. De weergave van het zwarte gat leverde zelfs wetenschappelijke publicaties op.
Onderzoekers van de TU Delft slaagden erin om de visualisatie sneller te maken.
Aan de TU Delft is nu voortgeborduurd op hoe dit gebied in beeld is gebracht. Onderzoekers Annemieke Vebraeck en Elmar Eisemann van de Computer Graphics and Visualization Group van de TU Delft brachten meerdere verbeteringen aan. ‘Wij slaagden erin om de visualisatie sneller te maken en de berekeningen kunnen daardoor op een gewone computer uitgevoerd worden,’ zegt Verbraeck. Dit zijn belangrijke vernieuwingen. Het maakt de weg vrij voor het weergeven van een zwart gat in bijvoorbeeld een museum.
Gat dat alles opslokt
Voor de film Interstellar was het belangrijk dat het effect dat het zwarte gat op de omgeving heeft niet alleen natuurgetrouw maar ook zo scherp mogelijk in beeld werd gebracht. De blockbuster werd immers op een Imax-scherm in bioscopen getoond. ‘Daardoor wilden zij de vervorming van het beeld voor alle sterren heel nauwkeurig weergeven en was hun aanpak niet zo snel. Er was veel rekenkracht nodig en het duurde daarom lang om de beelden te maken,’ zegt Verbraeck.
Dat komt onder meer door hoe de beelden verwerkt worden. Het licht dat je als een kring om een zwart gat heen ziet, komt van de zichtbare sterren uit het heelal. Omdat het gat alles opslokt, beweegt het licht niet in rechte lijnen voort en wordt het vervormd. De onderzoekers van Interstellar berekenden deze afbuiging per pixel. Pixels zijn de kleine deeltjes waaruit een beeld is opgebouwd.
Hierdoor gaven ze het effect van het zwarte gat zeer gedetailleerd weer. Bovendien namen ze ook nog eens mee hoe het licht verandert door het perspectief van de kijker. Dus naarmate je dichterbij het zwarte gat komt, ziet het afbuigende licht er anders uit. Dit vergt ontzettend veel rekenwerk. ‘Als je naar de berekeningen in hun paper kijkt dan zie je pagina’s vol met ingewikkelde formules, die voor veel wetenschappers moeilijk te volgen zijn. Dat komt omdat alles zeer gedetailleerd weergegeven wordt. Wij wilden dit eenvoudiger doen.’
Sterrenlicht uit de omgeving
De standaardmethode om een beeld te construeren in computer graphics is door na te gaan waar lichtstralen van een pixel vandaan komen. Op die manier krijgen ze de juiste kleur en intensiteit. In dit geval komt dat licht van sterrenstelsels en losse sterren uit de omgeving. Dit wil je per pixel weergeven, omdat het zwarte gat dit licht immers afbuigt.
Hoe weet je hoeveel licht er precies per pixel weergegeven moet worden? Om die vraag te kunnen beantwoorden wordt het ingewikkeld. Eenvoudig gezegd gebruiken de onderzoekers bij Interstellar een ellipsvorm om per pixel een bundel te maken en zo al het sterrenlicht uit de omgeving weer te geven. Verbraeck past deze methode ook toe, maar deed het net even anders. Zij pakte de hoekpunten van een pixel, waardoor een polygon (veelhoek) ontstaat. Deze vorm is makkelijker te berekenen dan een ellips. ‘Door op deze manier een bundel te maken, lever je een klein beetje in aan kwaliteit van het beeld, maar win je aan snelheid,’ aldus Verbraeck.
En wordt de simulatie van het zwarte gat eenvoudiger. Een film bestaat uit allemaal losse beelden, die snel achter elkaar worden gezet. Een zo’n beeld heet een frame. En per frame moesten bij Interstellar een grote groep computers een tijdlang flink rekenen. ‘Wij proberen eigenlijk zo min mogelijk te berekenen en gaan ook niet per frame na hoe het pad van een pixel loopt. Door onze aanpassingen kan een gewone computer de berekeningen doen. En kan je dus ook de simulatie van een zwart gat daarop laten zien.’
Je brengt via zo’n simulatie sterrenkunde veel dichter bij de kijker.
TU Delft - Black Hole Simulation (360-degree video)
Je zit in een ruimteschip en draait, in een stabiele baan, om een zwart gat heen. Als je door het raampje kijkt, dan is dit (zie het filmpje hierboven) het beeld dat je voorgeschoteld krijgt. Je ziet onder andere hoe de sterren en nebulae (gaswolkjes) vervormen door de aanwezigheid van het zwarte gat.
Pixels berekenen
Verbraeck deed nog een tweede belangrijke aanpassing, waardoor de berekeningen sneller gaan. ‘Naarmate je dichter bij het zwarte gedeelte van het gat komt, wordt de vervorming van het licht sterker,’ aldus Verbraeck. Hierdoor verandert bij een simulatie jouw perspectief ten opzichte van het zwarte gat voortdurend en krijg je steeds een andere vervorming van het licht te zien.
Zowel Verbraeck als de onderzoekers van Interstellar nemen iedere ster mee bij hun berekening. Maar Verbraeck maakt hierbij nog extra gebruik van een zogeheten adaptive grid. Dat is een soort raster, verdeeld in vakjes. Dit zorgt ervoor dat je niet voor elk puntje op je scherm een zeer ingewikkelde berekening moet maken. Maar dat je de situatie tussen tussen verschillende punten berekent. ‘Hierdoor geven we weliswaar minder precies de vervorming van het licht uit de omgeving weer, maar voor het eindresultaat ziet dit er vrijwel hetzelfde uit,’ zegt ze.
Het gros van deze berekeningen wordt uitgevoerd op de GPU. Dit is het onderdeel van de computer dat tegelijkertijd dezelfde berekeningen uitvoert en voor veel toepassingen wordt gebruikt. Hierdoor kan een computer snel beelden verwerken. ‘In mijn geval doet de GPU voor alle pixels op hetzelfde moment de berekeningen voor onder meer het kleuren van de pixels,’ aldus Verbraeck.
Omdat met de methode van Verbraeck minder rekenkracht nodig is, opent dit de weg naar nieuwe toepassingen.
In een museum
Contact met de makers van Interstellar heeft ze nog niet gehad. ‘Ik heb wel een keer een lezing van een van de onderzoekers bezocht. Dat was interessant. Misschien komt dat contact nog wel. Maar dat hoeft niet per se. Eigenlijk doen we verschillende dingen. Hun weergave is voor een bioscoopfilm en mijn aanpak is eenvoudiger en gericht op een ander gebruik, zodat je het ook op een gewone computer kunt draaien.’
Omdat met de methode van Verbraeck minder rekenkracht nodig is, opent dit de weg naar nieuwe toepassingen. Bijvoorbeeld door via een beeldscherm op reis te gaan naar een zwart gat in een museum of door deze trip bij de opleiding sterrenkunde te tonen. Zodat de kennis over dit fenomeen toegankelijk wordt voor een groot publiek.
Je brengt via zo’n simulatie sterrenkunde veel dichter bij de kijker. In plaats van alleen te praten over een zwart gat of er een afbeelding van te laten zien, kan je vlakbij dit fenomeen komen en zelf zien hoe het licht afbuigt en de donkerte alles om zich heen verslindt. Zo ga je zelf via het scherm op reis naar een zwart gat. In het echt kan dat niet, maar via zo’n simulatie is het toch mogelijk. ‘Dit kan je zeker maken in de toekomst. Maar dan moeten we nog wel extra stappen zetten. Het moet met name gebruiksvriendelijker worden. Als we dat doen, dan is een toepassing voor het brede publiek zeker mogelijk.’
Liefde voor sterrenkunde
Vooral het tonen van een simulatie bij de opleiding sterrenkunde zou voor Verbraeck bijzonder zijn. Ze heeft namelijk een bachelor sterrenkunde op zak. ‘Ik ging het studeren omdat het me een leuke studie leek en ik graag met wiskunde bezig was. Bij sterrenkunde zie je altijd mooie plaatjes, maar ik merkte dat het in de praktijk vrij vaag is wat je nu aan het berekenen bent. Je hebt ruime marges en indicaties hoever sterrenstelsels en losse sterren van elkaar vandaan zijn. Daardoor kon ik me er lastig iets bij voorstellen. Daarom stapte ik voor mijn master over op computer science aan de TU Delft. Ik wilde met name iets met de grafische kant doen, omdat je dan niet alleen berekeningen maakt, maar de resultaten ook ziet op je scherm. Dat spreekt me wel aan. Net zoals het ontwikkelen van deze simulatie.’
Door haar achtergrond in beide vakgebieden was Verbraeck geknipt voor dit onderzoek naar zwarte gaten. Dat vond haar begeleider Elmar Eisemann ook. Hij is hoogleraar van de Computer Graphics and Visualization Group. Eisemann vroeg Verbraeck om de verbetering aan te brengen aan het werk van Interstellar, omdat de weergave erg fraai maar ook ontzettend traag was. ‘Ik begrijp de papers over sterrenkunde, omdat ik het heb gestudeerd. Dat hielp in dit geval zeker. Maar in het begin was ik niet zo enthousiast, omdat ik wel klaar was met sterrenkunde. Dat bleek een misvatting. Dit onderzoek bracht de liefde voor sterrenkunde weer terug. Omdat ik nu via computer science kan laten zien hoe zo’n zwart gat eruitziet. Het tonen van mysterieuze en fascinerende fenomenen is voor mij de kracht van sterrenkunde. En dit lukte door beide vakgebieden samen te brengen.’
Het herontdekte enthousiasme van Verbraeck werkt aanstekelijk. Haar begeleider Eisemann vond de nieuwe simulatie van het zwarte gat zo mooi dat hij een afbeelding ervan heeft laten afdrukken. Het is zo’n twee meter breed en hangt in de woonkamer van de hoogleraar.
Tekst: Robert Visscher | Portretfoto: Frank Auperlé
Meer informatie
Dave Boomkens
Communicatieadviseur faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica,
+31 6 40 28 75 77
d.j.boomkens@tudelft.nl
