HN giới thiệu: Mô phỏng lỗ đen chính xác về mặt vật lý nhìn qua camera iPhone

• Black Hole Vision là một ứng dụng giáo dục miễn phí đặt lỗ đen vào khung nhìn camera iPhone và làm biến dạng video trực tiếp như thấu kính hấp dẫn, cho thấy thế giới xung quanh sẽ trông như thế nào trước một lỗ đen
• Video trực tiếp được xử lý tương tự cách ánh sáng sao bị bẻ cong, và có thể quan sát photon ring, hình ảnh bị thấu kính hóa mạnh quanh lỗ đen
• Việc đo photon ring liên quan đến mục tiêu quan sát của vệ tinh quỹ đạo Black Hole Explorer(BHEX) trong tương lai; BHEX dự kiến sẽ chụp những hình ảnh sắc nét nhất trong lịch sử thiên văn học
• Mã triển khai được công khai trên GitHub, kèm tài liệu giải thích phương trình thấu kính lỗ đen và cách Black Hole Vision được triển khai
• Version 2.1 bổ sung chụp ảnh màn hình, mô tả tính năng và ẩn nguồn video picture-in-picture; Version 2.0 hỗ trợ lỗ đen Kerr đang quay và thay đổi giá trị spin

---

Hiệu ứng thấu kính lỗ đen nhìn qua camera iPhone

• Black Hole Vision là một ứng dụng giáo dục miễn phí được thiết kế xoay quanh camera iPhone
• Ứng dụng đặt một lỗ đen trong khung nhìn camera, rồi xử lý nguồn video trực tiếp bằng hiệu ứng thấu kính hấp dẫn
• Quá trình thấu kính này hoạt động theo cách tương tự việc lỗ đen làm bẻ cong ánh sáng sao xung quanh
• Mô phỏng bao gồm photon ring, hình ảnh bị thấu kính hóa mạnh quanh lỗ đen

photon ring và Black Hole Explorer

• Việc đo photon ring gắn liền với các mục tiêu quan sát thiên văn sẽ được thực hiện trong không gian trong tương lai
• Black Hole Explorer là một vệ tinh quỹ đạo, dự kiến sẽ chụp những hình ảnh sắc nét nhất trong lịch sử thiên văn học
• Photon ring hiển thị trong Black Hole Vision có thể được xem là một trực quan hóa giáo dục giúp hiểu mục tiêu quan sát của BHEX

Mã nguồn mở và tài liệu triển khai

• Mã của Black Hole Vision được công khai trên GitHub
• Kho lưu trữ bao gồm tài liệu giải thích phương trình thấu kính lỗ đen cơ bản và cách triển khai ứng dụng
• Mã do Trevor Gravely của Vanderbilt University viết, với góp ý từ Dr. Roman Berens và Prof. Alex Lupsasca
• Các đóng góp và bình luận của Dominic Chang cũng được đưa vào phần acknowledgments
• Dự án được hỗ trợ bởi CAREER award PHY-2340457 và grant AST-2307888 của National Science Foundation

Giấy phép và tài liệu sử dụng

• Ứng dụng bao gồm mã port sang Metal cho phần triển khai Jacobi elliptic functions và elliptic integrals của GNU Scientific Library(GSL)
• Thành phần đó được cấp phép theo GNU General Public License v3.0(GPL-3.0)
• Có thể xem toàn bộ giấy phép và mã nguồn tại kho GitHub BlackHoleVision
• Hình ảnh thấu kính của thiên hà xoắn ốc Messier 101 được tạo từ tư liệu do NASA và STScI sản xuất; tư liệu gốc có trên HubbleSite

Phiên bản, quyền riêng tư và khả năng tương thích

• Version 2.1 được đăng ngày 25/11/2024, bao gồm chụp ảnh màn hình, bổ sung mô tả tính năng và ẩn nguồn video picture-in-picture
• Version 2.0 được đăng ngày 16/11/2024, bổ sung lỗ đen Kerr đang quay và tính năng cho phép người dùng thay đổi giá trị spin của lỗ đen đang quay
• Version 1.0 được đăng ngày 30/10/2024
• Nhà phát triển Alexandru Lupsasca cho biết các thực hành quyền riêng tư của ứng dụng có thể bao gồm xử lý dữ liệu, và Apple chưa xác minh thông tin này
• Theo thông tin ứng dụng, dung lượng là 67.1 MB, ngôn ngữ là English, xếp hạng độ tuổi là 4+
• Điều kiện tương thích là iPhone chạy iOS 17.5 trở lên; Mac cần macOS 14.5 trở lên và chip Apple M1 trở lên; Apple Vision cần visionOS 1.2 trở lên

[GN⁺]

Ý kiến trên Hacker News

• Xin chào! Chúng tôi là Dr. Roman Berens, Prof. Alex Lupsasca và nghiên cứu sinh tiến sĩ Trevor Gravely, đang nghiên cứu vật lý tại Vanderbilt University. Chúng tôi rất vui được giới thiệu Black Hole Vision: https://apps.apple.com/us/app/black-hole-vision/id6737292448
  Black Hole Vision mô phỏng hiệu ứng thấu kính hấp dẫn của hố đen và áp dụng nó lên hình ảnh từ camera iPhone. Chúng tôi đã triển khai phương trình thấu kính suy ra từ thuyết tương đối rộng để tạo ra hiệu ứng chính xác về mặt vật lý. Bạn có thể xem chi tiết tại https://arxiv.org/abs/1910.12881.
  Ứng dụng có thể đặt một hố đen trước camera chính, khiến môi trường xung quanh trông như bị hố đen bẻ cong như qua thấu kính, hoặc dùng chế độ “selfie” với hố đen trước camera trước để hiển thị hình ảnh của chính bạn sau khi áp dụng hiệu ứng thấu kính

  • Có một vài tùy chọn bổ sung có thể chọn khi dùng ứng dụng. Tùy chọn thấu kính đầu tiên là “Static black hole”. Ở chế độ này, ứng dụng mô phỏng hố đen Schwarzschild không quay.
    Có hai chế độ con thay đổi góc nhìn được mô phỏng: “Realistic FOV” và “Full FOV”. Chế độ góc nhìn thực tế phản ánh góc nhìn hữu hạn của camera iPhone, tạo ra nhiều vùng tối dạng nhánh ở giữa màn hình. Chúng bao gồm cả “black hole shadow”, tức các tia sáng rơi vào hố đen, và “blind spots”, tức những hướng không nằm trong trường nhìn của cả camera trước lẫn camera sau.
    Chế độ góc nhìn đầy đủ hoạt động như thể camera có trường nhìn vô hạn bao phủ mọi góc, tạo ra một bóng hố đen hình tròn duy nhất ở giữa màn hình. Tiếp theo, nếu chọn chế độ “Kerr black hole”, bạn có thể thêm chuyển động quay, tức spin, cho hố đen và cũng có thể điều chỉnh tốc độ quay “a”, được biểu thị theo phần trăm so với spin cực đại
  • Có vẻ cũng có thể cung cấp dưới dạng App Clip để người dùng thử mà không cần cài ứng dụng: https://developer.apple.com/app-clips/
  • Kết quả nhìn thấy hơi khó hiểu. Thực tế trông như không có gì biến mất cả.
    Với hố đen, tôi đã kỳ vọng không chỉ hình ảnh của một vùng nào đó bị thay đổi, mà còn phải có hiệu ứng khiến một phần ở đó trông như biến mất
  • Hố đen được tạo trong phần xem trước trông không đặc biệt chính xác. Có lẽ nên có kiểu bóng tròn như thế này: https://i.imgur.com/zeShgrx.jpeg

• Tuyệt đấy. Có lẽ tôi sẽ dùng thử khoảng 5 phút, trầm trồ trước phần toán học bên trong rồi chuyển sang thứ khác, nhưng dù sao đây cũng là một ứng dụng khá hay.
  Tuy nhiên tôi có một ý tưởng cho v1.1 để khiến người dùng tiếp tục dùng. iPhone có đủ năng lực xử lý để kết hợp thứ này với thực tế tăng cường không? Tức là có thể “cố định” kỳ dị tại một vị trí cố định trong không gian, rồi cầm điện thoại đi vòng quanh nó không?
  Nếu làm được, tôi nghĩ có thể phát triển thành một ứng dụng có doanh thu khá khiêm tốn, cho phép mọi người cố định các kỳ dị, sao neutron, v.v. vào thế giới thực và tùy chọn chia sẻ với những người khác đi ngang qua. Ví dụ, sẽ khá thú vị khi nhìn thấy một kỳ dị mà ai đó đã cố định bên cạnh Washington Monument. Nhìn chung, sẽ rất hay nếu có thể chơi đùa với các hiệu ứng hấp dẫn lên ánh sáng bằng AR

  • Tôi muốn ủng hộ thêm ý tưởng này. Sẽ thật tuyệt nếu có một cách làm AR cho phép cố định một hố đen có bán kính nhất định trong phòng khách và đi vòng quanh nó.
    Ý tưởng thực tế tăng cường có chia sẻ theo vị trí địa lý trong bình luận cha cũng rất hay. Đến mức đó thì tôi sẵn sàng trả vài đô. Cũng có thể thêm các yếu tố xã hội, chẳng hạn để các hố đen mà mọi người thả ở đâu đó trong thế giới thực hợp nhất với nhau.
    Nếu sau này các bạn muốn dựng một hạ tầng giá rẻ để host dữ liệu vị trí hố đen do người dùng thả, hãy liên hệ với tôi. Tôi có thể hỗ trợ phần đó
  • Ý tưởng tuyệt vời! Thực ra một trong những lý do chúng tôi bắt đầu với iPhone cũng là vì ngay từ đầu đã tính đến việc mở rộng sang Apple Vision Pro.
    Như tôi đã viết trong các bình luận khác, dự án này là một phần trong nỗ lực outreach nhằm khiến công chúng và sinh viên hứng thú với vật lý hố đen, nên mã nguồn sẽ luôn miễn phí và mã nguồn mở
  • Chỉ dùng thực tế tăng cường kiểu truyền thống chồng lên hình ảnh camera hiện tại là chưa đủ; cần một bản quét 3D toàn bộ môi trường mà hố đen có thể “nhìn thấy” từ vị trí đặt hố đen.
    Lý do là về bản chất, hố đen hoạt động như một camera 360 độ, nên từ một số góc nhất định nó có thể khiến bất cứ thứ gì xung quanh trở nên nhìn thấy được. Không phải là bất khả thi, nhưng khó hơn việc “chỉ” dùng feed thực tế tăng cường
  • Không phải thứ gì cũng cần kiếm tiền :)

• Rất hay. Nhưng sẽ còn tốt hơn nếu tôi có thể tự dùng thử! Có khả năng port sang Android không, kể cả chỉ cho các thiết bị có GPU cao cấp?

  • Phiên bản hố đen quay mà chúng tôi triển khai cần mã GPU, và việc port phần này sang Android không hề đơn giản. Dù vậy, sẽ thật tuyệt nếu ai đó lấy mã nguồn mở và port nó!
    Trong lúc đó, hãy xem đoạn mã do Dominic Chang, nghiên cứu sinh sau đại học tại Harvard, tạo ra; nó triển khai hiệu ứng thấu kính của hố đen Schwarzschild không quay trong trình duyệt:
    https://dominic-chang.com/bhi-filter/

• Có lẽ nên dùng ảnh chụp màn hình xem trước khác trên trang App Store. Ảnh đầu tiên, cũng là ảnh quan trọng nhất, hoàn toàn không có hiệu ứng nào được áp dụng.
  Việc dùng ảnh thiên hà cũng không thật sự khớp với cảm giác khi dùng ứng dụng thực tế

• Ý nghĩ đầu tiên của tôi là không biết điều gì sẽ xảy ra nếu dùng ứng dụng này để quay một màn hình khác đang hiển thị loại hình ảnh như vậy. Tôi biết do trục z và góc nhìn nên điều đó không thực tế, nhưng khá thú vị.
  https://esahubble.org/images/heic0609a/

• Tôi vừa thử dùng, nhưng lần chạy đầu tiên bị crash, và sau khi thoát ứng dụng rồi thử lại thì giờ nó không mở nữa. Tôi sẽ cài lại rồi thử lại. iPhone 16 Pro, iOS 18.1.
  Cập nhật ngắn: làm vậy xong thì giờ ứng dụng chạy ổn. Có vẻ ở lần chạy đầu nó bị kẹt ở bước yêu cầu quyền dùng camera

  • Rất mừng là lần chạy thứ hai đã hoạt động! Trước đây từng có một lỗi trong triển khai tích phân elliptic khiến ứng dụng crash, nhưng hiện chúng tôi nghĩ đã loại bỏ nó. Hy vọng lần này chỉ là tình cờ. Có ai khác gặp vấn đề tương tự không?

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

• Tôi tải ngay rồi. Cứ thứ gì liên quan đến hố đen là tôi yếu lòng

  • Rất vui được biết! Có lẽ bạn cũng sẽ thấy thú vị khi đọc về Black Hole Explorer (BHEX). Đây là một sứ mệnh không gian đang ở giai đoạn đề xuất, nhằm chụp những hình ảnh sắc nét nhất trong lịch sử thiên văn học và phân giải để quan sát “photon ring” của ánh sáng quay quanh hố đen.
    https://www.blackholeexplorer.org/