HN vorgestellt: Physikalisch präzise Schwarzes-Loch-Simulation durch die iPhone-Kamera

 (apps.apple.com)
2 Punkte von GN⁺ 2024-11-20 | 1 Kommentare | Auf WhatsApp teilen
  • Black Hole Vision ist eine kostenlose Bildungs-App, die ein Schwarzes Loch im Sichtfeld der iPhone-Kamera platziert und das Livebild wie durch Gravitationslinsen verzerrt, um zu zeigen, wie die umgebende Welt vor einem Schwarzen Loch aussehen würde
  • Das Livebild wird so verarbeitet, wie Sternenlicht abgelenkt wird, und zeigt den photon ring, ein stark gelinstes Bild rund um das Schwarze Loch
  • Die Messung des photon ring ist mit den Beobachtungszielen des künftigen Orbitalsatelliten Black Hole Explorer (BHEX) verknüpft, der die schärfsten Bilder der Astronomiegeschichte aufnehmen soll
  • Der Implementierungscode ist auf GitHub offen verfügbar, zusammen mit Dokumenten, die die Schwarzes-Loch-Linsengleichung und die Umsetzung von Black Hole Vision erläutern
  • Version 2.1 fügt das Erstellen von Screenshots, Funktionsbeschreibungen und das Ausblenden des Picture-in-Picture-Videofeeds hinzu; Version 2.0 unterstützt rotierende Kerr-Schwarze-Löcher und das Ändern des Spin-Werts

Der Linseneffekt eines Schwarzen Lochs durch die iPhone-Kamera

  • Black Hole Vision ist eine kostenlose Bildungs-App, die rund um die iPhone-Kamera konzipiert wurde
  • Die App platziert ein Schwarzes Loch im Sichtfeld der Kamera und verarbeitet den Live-Videofeed mit einem Gravitationslinseneffekt
  • Dieser Linseneffekt funktioniert in derselben Form, in der ein Schwarzes Loch das Licht umliegender Sterne ablenkt
  • Die Simulation enthält den photon ring, ein stark gelinstes Bild rund um das Schwarze Loch

photon ring und Black Hole Explorer

  • Die Messung des photon ring steht in Verbindung mit künftigen astronomischen Beobachtungszielen im Weltraum
  • Der Black Hole Explorer ist ein Orbitalsatellit, der die schärfsten Bilder der Astronomiegeschichte aufnehmen soll
  • Der in Black Hole Vision sichtbare photon ring kann als didaktische Visualisierung zum Verständnis der Beobachtungsziele von BHEX gesehen werden

Open-Source-Code und Implementierungsdokumentation

  • Der Code von Black Hole Vision ist auf GitHub veröffentlicht
  • Das Repository enthält Dokumente, die die grundlegende Schwarzes-Loch-Linsengleichung und die Implementierung der App erläutern
  • Der Code wurde von Trevor Gravely von der Vanderbilt University geschrieben, mit Rückmeldungen von Dr. Roman Berens und Prof. Alex Lupsasca
  • Beiträge und Kommentare von Dominic Chang sind ebenfalls in den acknowledgments aufgeführt
  • Das Projekt wurde durch den CAREER award PHY-2340457 und grant AST-2307888 der National Science Foundation unterstützt

Lizenz und verwendete Materialien

  • Die App enthält in Metal portierten Code für die Implementierung von Jacobi elliptic functions und elliptic integrals aus der GNU Scientific Library (GSL)
  • Diese Komponente ist unter der GNU General Public License v3.0 (GPL-3.0) lizenziert
  • Die vollständige Lizenz und der Quellcode sind im BlackHoleVision-GitHub-Repository einsehbar
  • Das Linsenbild der Spiralgalaxie Messier 101 wurde aus Material von NASA und STScI erzeugt; das Originalmaterial befindet sich auf HubbleSite

Versionen, Datenschutz, Kompatibilität

  • Version 2.1 wurde am 25. November 2024 veröffentlicht und enthält Screenshots, ergänzte Funktionsbeschreibungen sowie das Ausblenden des Picture-in-Picture-Videofeeds
  • Version 2.0 wurde am 16. November 2024 veröffentlicht und fügt rotierende Kerr-Schwarze-Löcher sowie die Möglichkeit hinzu, den Spin-Wert des rotierenden Schwarzen Lochs zu ändern
  • Version 1.0 wurde am 30. Oktober 2024 veröffentlicht
  • Der Entwickler Alexandru Lupsasca gibt an, dass die Datenschutzpraktiken der App Datenverarbeitung umfassen können; Apple hat diese Angaben nicht verifiziert
  • Laut App-Informationen beträgt die Größe 67.1 MB, die Sprache ist English und die Altersfreigabe liegt bei 4+
  • Die Kompatibilitätsanforderungen sind iOS 17.5 oder neuer auf dem iPhone, macOS 14.5 oder neuer und Apple M1 oder neuer auf dem Mac sowie visionOS 1.2 oder neuer für Apple Vision

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1 Kommentare

 
GN⁺ 2024-11-20
Hacker-News-Kommentare

  • Hallo! Wir sind Dr. Roman Berens, Prof. Alex Lupsasca und der Doktorand Trevor Gravely, die an der Vanderbilt University Physik erforschen. Wir freuen uns, Black Hole Vision vorzustellen: https://apps.apple.com/us/app/black-hole-vision/id6737292448
    Black Hole Vision simuliert den Gravitationslinseneffekt eines Schwarzen Lochs und wendet ihn auf das Kamerabild des iPhone an. Wir haben die aus der Allgemeinen Relativitätstheorie abgeleiteten Linsengleichungen implementiert, um einen physikalisch korrekten Effekt zu erzeugen. Details gibt es unter https://arxiv.org/abs/1910.12881.
    Die App kann ein Schwarzes Loch vor der Hauptkamera platzieren, sodass die Umgebung durch das Schwarze Loch wie durch eine Linse verzerrt erscheint, oder im „Selfie“-Modus ein Schwarzes Loch vor die Frontkamera setzen und das eigene Bild mit angewendetem Linseneffekt zeigen

    • In der App gibt es einige zusätzliche Optionen, die man auswählen kann. Die erste Linsenoption ist „Static black hole“. In diesem Modus wird ein nicht rotierendes Schwarzschild-Schwarzes-Loch simuliert.
      Es gibt zwei Untermodi, die den simulierten Bildwinkel verändern: „Realistic FOV“ und „Full FOV“. Der realistische Bildwinkelmodus berücksichtigt den endlichen Bildwinkel der iPhone-Kamera und erzeugt in der Bildschirmmitte mehrere dunkle Bereiche. Dazu gehören sowohl der „black hole shadow“, also Lichtstrahlen, die in das Schwarze Loch fallen, als auch „blind spots“, also Richtungen, die weder im Sichtfeld der Front- noch der Rückkamera liegen.
      Der Vollbildwinkelmodus verhält sich so, als hätte die Kamera einen unendlichen Bildwinkel, der alle Winkel abdeckt, und erzeugt dadurch einen einzelnen kreisförmigen Schatten des Schwarzen Lochs in der Bildschirmmitte. Wählt man als Nächstes den Modus „Kerr black hole“, kann man dem Schwarzen Loch Rotation, also Spin, hinzufügen und auch die als Prozentsatz des maximalen Spins angegebene Rotationsgeschwindigkeit „a“ anpassen
    • Es scheint, als ließe sich das auch als App Clip anbieten, damit man es ausprobieren kann, ohne die App zu installieren: https://developer.apple.com/app-clips/
    • Das sichtbare Ergebnis ist etwas verwirrend. Tatsächlich sieht es so aus, als würde nichts verschwinden.
      Bei einem Schwarzen Loch hätte ich erwartet, dass nicht nur das Aussehen eines Bereichs verändert wird, sondern dass auch ein Teil dessen, was sich dort befand, scheinbar verschwindet
    • Das in der Vorschau erzeugte Schwarze Loch wirkt nicht besonders akkurat. Es sollte wohl so eine Art kreisförmigen Schatten geben: https://i.imgur.com/zeShgrx.jpeg

  • Cool. Ich werde es vermutlich etwa fünf Minuten benutzen, die Mathematik dahinter bewundern und dann weiterziehen, aber es ist trotzdem eine ziemlich coole App.
    Für v1.1 hätte ich allerdings eine Idee, die mich dauerhaft dabeihalten würde: Hat ein iPhone genug Rechenleistung, um das mit Augmented Reality zu kombinieren? Also eine Singularität an einer festen Position im Raum „festpinnen“ und dann mit dem Handy in der Hand darum herumlaufen?
    Wenn das möglich ist, könnte daraus vielleicht eine sehr bescheidene Einnahme-App werden, bei der Leute Singularitäten, Neutronensterne usw. in der realen Welt verankern und optional mit anderen Passanten teilen. Es wäre zum Beispiel spannend, eine von jemandem neben dem Washington Monument platzierte Singularität zu sehen. Insgesamt wäre es schön, in AR mit gravitativen Effekten auf Licht herumzuspielen

    • Diese Idee möchte ich ausdrücklich unterstützen. Ein AR-Ansatz, bei dem man ein Schwarzes Loch mit einem bestimmten Radius im Wohnzimmer fixieren und darum herumlaufen kann, wäre wirklich großartig.
      Auch die Idee aus dem Parent-Kommentar mit ortsbasiertem Teilen in Augmented Reality ist sehr cool. Dafür würde ich ein paar Dollar zahlen. Man könnte auch soziale Elemente einbauen, etwa dass von Leuten irgendwo in der echten Welt abgesetzte Schwarze Löcher miteinander verschmelzen.
      Falls ihr später eine günstige Infrastruktur zum Hosten der Standortdaten von von Nutzern platzierten Schwarzen Löchern aufsetzen wollt, meldet euch gern. Dabei könnte ich helfen
    • Großartige Idee! Tatsächlich war einer der Gründe, warum wir mit dem iPhone angefangen haben, dass wir von Anfang an eine Erweiterung auf Apple Vision Pro im Blick hatten.
      Wie ich auch in anderen Kommentaren geschrieben habe, ist dieses Projekt Teil einer Outreach-Initiative, um die Öffentlichkeit und Studierende für die Physik Schwarzer Löcher zu begeistern; der Code soll daher immer kostenlos und Open Source bleiben
    • Klassische Augmented Reality, bei der man einfach etwas über das aktuelle Kamerabild legt, reicht dafür nicht aus; man bräuchte einen 3D-Scan der gesamten Umgebung, die das Schwarze Loch von seiner Position aus „sehen“ könnte.
      Ein Schwarzes Loch verhält sich im Grunde wie eine 360-Grad-Kamera, weil es aus bestimmten Winkeln alles in der Umgebung sichtbar machen kann. Unmöglich ist das nicht, aber schwieriger als „einfach“ einen AR-Feed zu verwenden
    • Nicht alles muss Geld einbringen :)

  • Sehr schön. Noch besser wäre es allerdings, wenn ich es selbst ausprobieren könnte! Gibt es eine Chance auf eine Android-Portierung, gern auch nur für Geräte mit leistungsstarker GPU?

    • Unsere Implementierung der rotierenden Version eines Schwarzen Lochs benötigt GPU-Code, und das auf Android zu portieren ist nicht trivial. Aber es wäre großartig, wenn jemand den Open-Source-Code nimmt und portiert!
      Schaut euch in der Zwischenzeit den Code des Harvard-Doktoranden Dominic Chang an, der den Linseneffekt eines nicht rotierenden Schwarzschild-Schwarzen-Lochs im Browser implementiert hat:
      https://dominic-chang.com/bhi-filter/

  • Für die Vorschau-Screenshots auf der App-Store-Seite solltet ihr besser andere Bilder verwenden. Auf dem ersten und wichtigsten Screenshot ist überhaupt kein Effekt angewendet.
    Ein Galaxienbild zu verwenden, passt außerdem nicht wirklich zum tatsächlichen Nutzungserlebnis der App

  • Mein erster Gedanke war, was passiert, wenn man mit dieser App auf einen anderen Bildschirm schaut, auf dem so ein Bild angezeigt wird. Ich weiß, dass das wegen der z-Achse und des Sichtfelds nicht realistisch ist, aber es ist ziemlich unterhaltsam.
    https://esahubble.org/images/heic0609a/

  • Ich wollte es gerade ausprobieren, aber beim ersten Start ist es abgestürzt, und nachdem ich die App beendet und es erneut versucht habe, öffnet sie sich jetzt nicht mehr. Ich installiere sie neu und versuche es noch einmal. iPhone 16 Pro, iOS 18.1.
    Kurzer Nachtrag: Danach funktioniert es jetzt einwandfrei. Beim ersten Start schien es beim Schritt hängenzubleiben, in dem die Kameraberechtigung angefordert wird

    • Schön, dass es beim zweiten Start funktioniert hat! Früher gab es einen Bug in der Implementierung elliptischer Integrale, der App-Abstürze verursachte, aber ich dachte, wir hätten ihn inzwischen entfernt. Hoffentlich war das hier nur Zufall. Hat noch jemand dasselbe Problem?

  • physically accurate
    event horizon doesn't appear in my room
    :(

  • Sofort heruntergeladen. Bei allem, was mit Schwarzen Löchern zu tun hat, werde ich schwach

    • Freut mich! Vermutlich würdest du auch gern über den Black Hole Explorer (BHEX) lesen. Das ist eine vorgeschlagene Weltraummission, die die schärfsten Bilder in der Geschichte der Astronomie aufnehmen und den „photon ring“ aus Licht, das ein Schwarzes Loch umkreist, auflösen und beobachten soll.
      https://www.blackholeexplorer.org/