Agencia/InsurgentePress/Ciudad de México.- No sé si será la primera vez, pero desde luego que es muy notable la aparición de una publicación científica sobre el software utilizado para una película de ciencia ficción.
Se titula Gravitational Lensing by Spinning Black Holes in Astrophysics, and in the Movie Interstellar y lo firman James, von Tunzelmann, Franklin y el mismísimo Kip Thorne (premio Nobel de física, premio Princesa de Asturias y autor de innumerables e interesantes obras).
El trabajo explica la tecnología con que se generaron las imágenes de la soberana Interstellar (2014) de Cristopher Nolan, las ecuaciones –que no tienen nada de simples porque es una especie de ray tracing para un objeto que por su naturaleza deforma el espaciotiempo y desvía la luz misma– cómo se adaptó todo esto para mover la cámara según la nave se acercaba al agujero negro en rotación y cómo era el disco de acreción de gas y polvo tan característico que rodeaba a Gargantúa y que permitía «adivinar» dónde estaba el gigantesco agujero en realidad.
El software, llamado DNGR, consistía de 40,000 líneas en C++ y generó las imágenes en calidad IMAX –de 23 megapíxeles cada una– corriendo en una granja de 1,600 servidores Dell-M620 Blade con con 32,000 cores, a una velocidad de un ritmo de unas 20 horas-core para cada fotograma.
Las técnicas de haces de rayos fueron cruciales para lograr la suavidad de calidad IMAX sin parpadeo; y difieren de las técnicas de generación de imágenes de los físicos (que generalmente se basan en rayos de luz individuales en lugar de haces de rayos), y también difieren de las técnicas utilizadas previamente en la comunidad CGI de la industria cinematográfica.
Un objetivo principal de los códigos astrofísicos de seguimiento de rayos más modernos (por ejemplo, el código GRay basado en la GPU de Chan, Psaltis y Ö̈zel, extremadamente paralelo y homogéneo) es un rendimiento muy rápido, medido, por ejemplo, en pasos de integración por segundo; la suavidad espacial de las imágenes ha sido solo una preocupación secundaria.
Para el trabajo de interestelar, por el contrario, un objetivo principal es la suavidad de las imágenes, por lo que el parpadeo se minimiza cuando los objetos se mueven rápidamente a través de una pantalla IMAX; el rendimiento rápido ha sido solo una preocupación secundaria.
Con estos objetivos principales diferentes, el propio código DNGR, se vieron obligados a emplear un conjunto diferente de técnicas de visualización de la comunidad de astrofísica: técnicas basadas en la propagación de haces de rayos (rayos de luz) en lugar de rayos de luz discretos. y en un filtrado espacial cuidadosamente diseñado para suavizar las superposiciones de los haces vecinos.
“Y luego nosotros, el equipo de Double Negative, lo convertimos en una nueva pieza de software. Escribimos una cosa llamada Double Negative General Relativity Renderer. Un renderizador es una pieza de software que toma todas las matemáticas de la computadora y las convierte en imágenes en una pantalla”.
James Bardeen lo calculó por primera vez en el verano de 1972, extendiendo resultados previos de Brandon Carter de 1968. Pero las primeras visualizaciones gráficas de agujeros negros incluyendo este efecto se limitaron a agujeros negros sin rotación (Leigh Palmer, Maurice Pryce y Bill Unruh en 1978), en algunos casos con disco de acreción (Jean-Pierre Luminet 1979).
En un agujero negro en rotación el efecto de lente gravitacional produce cáusticas. Este fenómeno no recibió atención hasta el trabajo de Kevin Rauch y Roger Blanford en 1994 y para muchos expertos la película Interstellar es la primera vez en su vida que ven estas cáusticas, es decir, su primera vez con una visualización gráfica fotorrealista de un agujero negro de Kerr en rotación ultrarrápida. La verdad este tipo de agujeros negros tiene poco interés científico (ciertos resultados matemáticos indican que un agujero negro no puede rotar tan rápido). Además, los detalles de las cáusticas son casi imposibles de observar por vía experimental y muchos expertos se limitan a visualizaciones realistas de lo que cabe esperar poder llegar a ver mediante telescopios (como VLBI). Aún así, son imágenes de gran atractivo para el público general aficionado a la ciencia ficción (que incluye a muchos físicos expertos).
El artículo es magnífico, pero son 47 páginas que pueden resultar bastante espesas, todo sea dicho. Para quien le interese el tema y quiera simplemente iniciarse en YouTube hay decenas de charlas y vídeos de divulgadores explicando «la ciencia de Interstellar».
La dilatación temporal tan exagerada del guión de la película Interstellar exige que Gargantúa sea un agujero negro de Kerr en rotación ultrarrápida, con al menos a/M=0,999 (donde a es el momento angular por unidad de masa y M es la masa). La imagen presenta dos curvas críticas (color morado), análogas a los anillos de Einstein. Cuando la cámara da órbitas en círculo al agujero negro, las imágenes primarias (rojo) y secundarias (amarillo) de las estrellas describen curvas más complicadas que en el caso anterior, sin cruzar la curva crítica externa (morado). Los polos (lo que en nuestro cielo es la estrella Polar) corresponden a puntos fijos que no se mueven (estrellas en amarillo y rojo). Se observan seis trayectorias de imágenes primarias de sendas estrellas (en rojo), que van de izquierda a derecha, y dos de secundarias (en amarillo), que van de derecha a izquierda salvo cuando están en el borde de la curva crítica interior (color morado).
La aparición de cáusticas complica la situación. Las cáusticas son superficies bidimensionales suaves (diferenciables) que se curvan en el espacio. Sin embargo, su proyección en el plano de imagen da lugar a curvas (las cáusticas propiamente dichas) que tienen esquinas puntiaguadas (donde la curva no es suave o diferenciable). Aparecen dos cáusticas con forma de astroide (hipocicloide con cuatro vértices, es decir, cuatro lados curvos). La más grande es la secundaria (figura izquierda) y la más pequeña es la primaria (figura derecha). Lo curioso es que las dos imágenes de una estrella (primaria y secundaria) desaparecen y vuelven a aparecer cuando cruzan los lados del astroide. Mira la figura izquierda. La dos imágenes de una estrella (“Star”) nacen del punto A, tras un intenso brillo de luz que da lugar a las dos imágenes. Estas dos imágenes se separan y vuelven a juntarse en el punto B, donde su brillo se desvanece hasta desaparecer. Las dos imágenes de la estrella sólo se observan entre el punto A y el punto B.
Hay un tema interesante que discute el nuevo artículo de Thorne y sus colegas de DNEG. La imagen del agujero negro cambia mucho en función de la órbita o trayectoria seguida por la cámara. El sistema de coordenadas para la métrica que se usa en el trazado de rayos con el software DNGR se basa en las coordenadas de Boyer-Lindquist. Para estas coordenadas hay grandes diferencias en la imagen que se obtiene para una órbita circular (figura arriba), de momento angular nulo (figura abajo) y en reposo respecto a la rotación del agujero negro (omito la figura). ¿Cuál es la trayectoria más adecuada para la cámara en la película? La empresa DNEG le presentó a Nolan diferentes opciones para que las valorara desde el punto de vista cinematográfico.
El mareo de Nolan con las imágenes de estrellas pedía a gritos la introducción de un disco de acreción que tapara los detalles que podían perturbar la atención del espectador. Pero el disco tiene que ser ultradelgado para que su emisión de rayos X no sea peligrosa para los astronautas. Además, tiene que iluminar el sistema planetario que lo rodea. En la película se asume que el disco emite como un cuerpo negro a T=4500 K. Por supuesto, además el agujero negro tiene que estar inactivo (durmiente), sin acreción afectiva de materia (muchos agujeros negros tienen una actividad periódica, con largos periodos de inactividad y periodos cortos de actividad).
Para lograr la imagen del disco de acreción ultrafino, los infografistas de DNEG, en lugar de usar una simulación magnetohidrodinámica, se han inventado la imagen del disco (han realizado un imagen razonabe, educated guess). Les ha quedado algo vistoso (que da el pego a quienes no han estudiado la física de los discos de acreción, es decir, la mayoría de los físicos). Esta figura muestra con un código de colores cómo se observa este disco plano (una imagen en forma de letra D bien conocida).
La imagen final de Gargantúa incluye el efecto de lente de la cámara. Este efecto (lens flare) se usa en cine para simular una cámara real IMAX (cuyas lentes no son ideales y ofrecen este efecto velado, veiling flare). Aparte de que da un ambiente más cinematográfico, también reduce el punteado típico de las imágenes realizadas con trazado de rayos estocástico (métodos de Montecarlo).
En resumen, el código DNGR de DNEG es un buen aporte a la infografía relativista, pero su utilidad astrofísica es limitada. Los expertos seguirán prefiriendo códigos de trazado de rayos relativistas como GRay. Aún así, el trabajo de Thorne y sus colegas se ha publicado en la revista Classical and Quantum Gravity. Quizás el editor busca visitas y citas gracias al impacto de la película Interstellar.
Referencia: Parsing the Science of Interstellar with Kip Thorne (Scientific American).
