Вид гаргантюа с планеты миллер. Загадки Космоса – чёрная дыра Гаргантюа

Самая громкая картина 2014 года, фильм «Интерстеллар» режиссера Криса Нолана с первого дня показа завоевал огромную популярность среди широких кругов зрителей и продолжает набирать обороты. Он получил высокие оценки — 9/10 на Кинопоиске и 9/10 на IMDB и надежно закрепился в пятерке лучших фильмов всех времен, наряду с такими культовыми кино, как «Побег из Шоушенка», «Зеленая миля», «Форрест Гамп» и «Список Шиндлера».

Главных достоинств Интерселлара очень много – это великолепная визуализация, отличный саундтрек на протяжении всего фильма, прекрасная игра актеров, философские рассуждения на тему человечества, тема семьи и любви, мощная эмоциональная составляющая и немного юмора. И все это сливается воедино, идеально дополняя картину так, что 3 часа просмотра пролетают на одном дыхании. Каждый может найти в этой картине что-то для себя. Не обязательно углубляться в законы физики и науки или знать все тонкости космических полетов, чтобы получить удовольствие от его просмотра.

Конечно, фильм, претендующий на звание лучшего научного кино, вызвал мощный резонанс в обществе – нашлась большая толпа критиков, осуждающих науку Интерстеллара, а обсуждения и споры на форумах насчитывают десятки тысяч сообщений. Действительно, космические полеты через Кротовую нору, позволяющие преодолевать расстояния в миллиарды световых лет за считанные минуты, полеты возле Черной дыры со скоростями, близкими к скорости света, гигантские волны на необычной планете, чудовищное замедление времени, перемещение в пяти измерениях, вне времени и пространства – все это выходит за рамки привычного представления об окружающем мире и больше походит на фантастику.

Но весь фильм построен на научных исследованиях астрофизика Кипа Торна – крупнейшего в мире специалиста в области Черных дыр, Кротовых нор, гравитации и квантовой физики, и снят под его руководством. Несмотря на то, что для придания фильму зрелищности и преподнесения зрителю сложнейших теорий в приятной и понятной форме, приходилось прибегать к некоторым условностям и допущениям, оспаривать научную составляющую Интерстеллара – все равно, что спорить с самим Кипом Торном. Многие моменты фильма подробно объяснены в его книге «Наука Интерстеллара», которую он выпустил вскоре после съемок фильма.

Скачать «The Science of Interstellar» Kip Thorne можно .

Рассмотрим ключевые спорные моменты и постараемся их описать простыми словами:

Замедление времени

Из теории общей относительности Эйнштейна следует, что гравитация деформирует пространство и время. Поэтому вблизи горизонта событий сверхмассивной Черной дыры Гаргантюа, время замедляется настолько сильно, что когда экипаж Рейнджера высаживается на планету Миллер, один час, проведенный там равен 7 годам, проведенным на Земле. А так как космическая станция Эндюранс в это время оставалась на значительном расстоянии от горизонта событий, то на ней время текло почти так же медленно, как на Земле. Поэтому при возвращении с планеты, спустя 3 часа, оказалось, что Ромилли, оставшийся на станции, постарел на 23 года.

На планете Миллер, наверно, было бы возможно зарождение жизни, если бы не гигантские волны, с которыми столкнулись Купер и его команда. Возникают они, опять же, из-за близости к горизонту событий Черной дыры. На планету действует огромная приливная сила, которая вытягивает планету вдоль силовых линий, а также создает мощный прилив со стороны Гаргантюа. Таким образом, на дальней стороне планеты, куда высадился экипаж, получается настолько низкий уровень воды, что по нему герои фильма могут ходить пешком. Но из-за того, что планета быстро вращается, а ее ось не совпадает с силовыми линиями Черной дыры, возникают волны, которые и настигают команду. Также волны могут быть вызваны цунами вследствие тектонических сдвигов.

Преодоление гравитации

В Интерстелларе несколько раз приходится преодолевать гравитацию планет и Черной дыры, и очень остро стоит вопрос экономии топлива. События происходят в недалеком будущем, и, не смотря на то, что космические программы были свернуты, некоторые технологии получили развитие. Тем самым, у челноков Рейнджер и Лендер были достаточно мощные двигатели, но возможно, что на топливе, загрязняющем окружающую среду. Поэтому, в начале фильма Рейнджер с грузом долетел до орбиты Земли на обычных разгонных блоках, тем самым, не тратя свое топливо на преодоление гравитации Земли и не загрязняя атмосферу. После стыковки со станцией Эндюранс и после полета через Кротовую нору, Рейнджер уже без лишнего груза спустился на планету Миллер, а после улетел с нее, воспользовавшись гравитацией самой Черной дыры. Во второй раз челнокам требовалось взлететь с планеты Манна, имеющей массу меньше, чем у Земли. Остальные перемещения в фильме совершались на космической станции Эндюранс.

Пятимерное пространство

Один из самых зрелищных моментов фильма наступает после того, как Купер падет за горизонт событий Гаргантюа и оказывается в неком пятимерном пространстве. Наш мир, имеющий три пространственных координаты и одну временную, в этом пространстве называется браной, по аналогии с двухмерной мембраной в трехмерном измерении. Это пятимерное пространство-время было показано нам так, как его видит режиссер Крис Нолан. Потому что изобразить пятимерный мир на двухмерном экране невозможно в принципе. Но это представление было поистине великолепным. Этот пятимерный мир «они» — люди будущего создали для Купера и замкнули его на комнате, чтобы Купер смог отправить своей дочери координаты НАСА и квантовые данные, собранные роботом ТАРС с той стороны черной дыры. Данные Купер передал с помощью гравитации, которая не зависит от пространства и времени, отправив их в двоичном коде на стрелку часов дочери. Эти данные в дальнейшем помогли Мерф решить уравнение гравитации, которое помогло бы связать различные теории в одну и помочь людям познать саму гравитацию. После передачи данных, «они» отправили Купера в место недалеко от Сатурна в то время, в которое необходимо, чтобы его забрали и отвезли на станцию.

Кротовые норы

В теории существуют Кротовые норы (червоточины) – туннели в гиперпространстве, кратчайшим путем соединяющие искривленное пространство. На данный момент известны только такие норы, срок жизни которых меньше, чем требуется свету, чтобы пролететь из одного конца в другой. В фильме представлена Кротовая нора, существующая более 50 земных лет, через которую 12 исследователей и экипаж Эндюранс перемещались в другую галактику за очень малое время. Существование такой норы не доказано и не опровергнуто, а также не изучены ее свойства. Не известно, можно ли на самом деле перелететь через нее, и как бы она взаимодействовала с планетами Солнечной системы.

Черная дыра и необычная система планет.

Вымышленная сверхмассивная Черная дыра Гаргантюа имеет массу в 100 миллионов солнц и находится в 10 миллиардах световых лет от Земли. Она вращается со скоростью, близкой к световой, и своей гравитацией затягивает окружающие объекты. Вокруг Гаргантюа образуется аккреционный диск из раскаленного газа и пыли, который из-за трения испускает излучение и свет, обогревающий планеты в ее системе. Одним из главных достижений в фильме было наглядное представление, как выглядит аккреционный диск Черной дыры при линзировании — искривлении гравитационным полем направлений распространения излучения, подобно тому, как искривляется свет, проходя через обычную линзу. Из-за того, что Гаргантюа имеет огромную массу, то действие приливных сил на значительном расстоянии от горизонта событий довольно мало. Поэтому планеты, при достаточно большой скорости вращения на орбитах могут существовать довольно длительное время, чтобы на них можно было жить. А тепло, достаточное для жизни, они получают от аккреционного диска Черной дыры.

Экологическая катастрофа Земли

В начале фильма Интерстеллар показана глобальная экологическая катастрофа ближайшего будущего, которая угрожает всей жизни на Земле. Из-за вредного грибка погибают посевы, все, кроме кукурузы, увеличивается концентрация азота в атмосфере и ухудшается климат. Вопрос экологии на Земле в последнее время стоит очень остро, и при текущем нерациональном использовании природных ресурсов такая катастрофа может наступить очень скоро. Причины ухудшения экологии различны – это выброс газов в атмосферу, использование пестицидов и химикатов для растений, генномодифицированные продукты, и прочее. Все это негативно влияет на нашу планету, и она начинает отторгать человечество. Именно это и происходит в фильме.

Исследование планет

С той стороны червоточины исследователи нашли звездную систему. Оттуда можно было подать лишь примитивный сигнал и лишь одни раз в год. Поэтому 12 исследователей должны были после высадки собрать информацию о пригодности планет для жизни и передать их в простейшей форме, пригодны они или нет. Положительные сигналы пришли с нескольких планет, в том числе, с трех планет в системе Гаргантюа – планеты Миллер, Манн и Эдмундс. Экипаж Купера решил отправиться к этим трем планетам, и, не имея практически никаких данных о самих планетах, исследовать их, экономя топливо и время.

Вообще, фильм Интерстеллар вызывает очень много вопросов, о которых будут ходить споры еще долгое время. И в этом одно из достоинств данного кино, т.к. оно побудило задуматься о рассмотренных проблемах не только простых людей, но и видных научных деятелей. И, вполне возможно, что оно окажет некоторое влияние на дальнейшее изучение и освоение космоса. Но не стоит забывать, что, хоть Интерстеллар и научная фантастика, в первую очередь это художественное кино. И все, что съемочная команда хотела донести до зрителя, представлено в нем просто отлично.

Интервью с Крисом Ноланом и Джессикой Честейн:

Интервью с Мэттью МакКонахи и Энн Хэтэуэй:

Также вы можете скачать архив с постерами и обоями фильма Интерстеллар в высоком разрешении и книгу «Наука Интерстеллара» Кипа Торна:

Скачать архив с обоями и постерами (zip)
Скачать книгу «The Science of Interstellar» (pdf)

Постараюсь ответить на несколько вопросов, возникающих по фильму у зрителей.

1) Почему черная дыра Гаргантюа в фильме выглядит именно так?

Фильм Интерстеллар - это первый художественный фильм в истории кино, где было применена визуализация черной дыры на основе физико-математической модели. Моделирование осуществлялось командой специалистов из 30 человек (отделом визуальных эффектов Павла Франклина) в сотрудничестве с Кипом Торном - физиком-теоретиком с мировым именем, известного своими работами в теории гравитации, астрофизики и квантовой теории измерений. На один кадр тратилось около 100 часов, а всего на модель ушло около 800 терабайт данных.
Торн создал не только математическую модель, но и написал специализированное программное обеспечение (CGI), позволившее построить компьютерную модель визуализации.

Вот что получилось у Торна:

Конечно, справедливым будет задать вопрос: является ли моделирование Торна первым в истории науки? И является ли изображение, полученное Торном, чем-то ранее не встречавшимся в научной литературе? Разумеется, нет.
Жан Пьер Люмине из Обсерватории Париж-Мюдон, отделения Релятивистской Астрофизики и Космологии, также приобревший всемирную известность своими трудами из области черных дыр и космологии, - один из первых ученых, кто получил путем компьютерного моделирования изображение черной дыры. В 1987-м году выходит его книга «Черные дыры: популярное введение» где он пишет:

«Первые компьютерные картинки черной дыры, окруженной аккреционным диском, были получены мной (Luminet, J.-P. (1979): Astron. Astrophys.). Более тонкие расчеты проведены Марком (Marck, J.-A. (1993): Class. Quantum Grav) как для метрики Шварцшильда, так и для случая вращающейся черной дыры. Правдоподобные изображения - то есть рассчитанные с учетом кривизны пространства, красного смещения и физических свойств диска могут быть получены для произвольной точки, даже находящейся внутри горизонта событий. Был даже создан фильм, показывающий, как меняются эти искажения при движении по времениподобной траектории вокруг черной дыры (Delesalle, Lachieze-Rey and Luminet, 1993). Рисунок - это один из его кадров для случая движения по навесной параболической траектории»

Объяснение, почему изображение получается именно таким:

"Из-за кривизны пространства-времени в окрестности черной дыры изображение системы существенно отличается от эллипсов, которые мы бы видели, если б заменили черную дыру обычным маломассивным небесным телом. Излучение верхней стороны диска образует прямое изображение, причем из-за сильной дисторсии мы видим весь диск (черная дыра не закрывает от нас находящиеся за ней части диска). Нижняя часть диска также видима из-за существенного искривления световых лучей".

Изображение Люмине на удивление напоминает результат Торна, полученное им более чем через 30 лет после работ француза!

Почему же в других многочисленных визуализациях: как в статьях, так и научно-популярных фильмах, черную дыру часто можно увидеть совсем не такой? Ответ прост: компьютерное «рисование» черной дыры на основе математической модели - весьма сложный и трудоемкий процесс, который часто не вписывается в скромные бюджеты, поэтому авторы чаще всего обходятся работой дизайнера, а не физика.

2) Почему аккреционный диск Гаргантюа не такой эффектный, какой можно увидеть на многочисленных картинках и научно-популярных фильмах? Почему нельзя было показать черную дыру более яркой и внушительной?

Этот вопрос я объединю со следующим:

3) Известно, что аккреционный диск черной дыры является источником очень интенсивной радиации. Космонавты бы просто погибли, если бы приблизись к черной дыре.

И это действительно так. Черные дыры - это двигатели самых ярких, самых высокоэнергетичных источников излучения во Вселенной. По современным представлениям, сердцем квазаров, которые светят порой ярче, чем сотни галактик, всех вместе взятых, является черная дыра. Своей гравитацией она притягивает огромные массы вещества, заставляя его сжиматься в небольшой области под невообразимо высоким давлением. Это вещество нагревается, в нем текут ядерные реакции с испусканием мощнейшего рентгеновского и гамма излучения.
Вот как часто рисуют классический аккреционный диск черной дыры:

Если бы Гаргантюа была такой, то такой аккреционный диск убил бы своим излучением астронавтов. Аккреция у черной дыры Торна не такая плотная и массивная, по его модели температура диска не выше, чем у поверхности Солнца. Во многом это благодаря тому, что Гаргантюа - сверхмассивная черная дыра, массой не менее 100 миллионов масс солнца, с радиусом в одну астрономическую единицу.
Это не просто сверхмассивная, а ультрамассивная черная дыра. Даже черная дыра в центре Млечного Пути обладает, по разным оценкам, массой 4-4.5 млн. солнечных масс.
Хотя Гаргантюа - далеко не рекордсмен. Например, дыра в галактике NGC 1277 обладает массой 17 миллиардов солнц.
Идея представить себе такой эксперимент, в котором люди исследуют черную дыру, беспокоила Торна с 80-х годов. Уже в своей книге «Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна», изданной в 1990-м году, Торн рассматривает гипотетическую модель межзвездного путешествия, в котором исследователи изучают черные дыры, желая как можно ближе подобраться к горизонту событий, чтобы лучше понять его свойства.
Исследователи начинают с небольшой черной дыры. Она их совершенно не устраивает потому, что создаваемые ею приливные силы слишком велики и опасны для жизни. Они сменяют объект изучения на более массивную черную дыру. Но и она их не удовлетворяет. Наконец, они направляются к гигантской Гаргантюа.
Гаргантюа находится вблизи квазара 3C273 - что позволяет сравнить свойства двух дыр.
Наблюдая за ними, исследователей задаются вопросом:

"Разница между Гаргантюа и 3C273 кажется удивительной: почему Гарнатюа, в его тысячу раз большими массой и размером, не обладает таким круглым бубликом газа и гигантскими струями квазара?"

Аккреционный диск Гаргантюа относительно холодный, не массивный, он не излучает столько энергии, как это происходит в квазаре. Почему?

"После телескопических исследований Брет находит ответ: раз в несколько месяцев звезда на орбите центральной дыры 3C273 подходит близко к горизонту и разрывается приливными силами черной дыры. Остатки звезды, массой примерной 1 солнечную, разбрызгиваются в окрестностях черной дыры. Постепенно внутренне трение загоняет разбрызгивающийся газ внутрь бублика. Этот свежий газ компенсирует газ, которым бублик постоянно снабжает дыру и струи. Таким образом бублик и струи поддерживают свои запасы газа и продолжают ярко светить.
Брет объясняет, что звезды могут близко подойти и к Гаргантюа. Но поскольку Гаргантюа намного больше 3C273, его приливные силы над горизонтом событий слишком слабы, чтобы разорвать звезду. Гаргантюа проглатывает звезды целиком, не разбрызгивая их внутренности в окружающий бублик. А без бублика Гаргантюа не может создать струи и другие особенности квазара.»

Чтобы вокруг черной дыры существовал массивный излучающий диск, должен быть строительный материал, из чего он может образоваться. В квазаре - это плотные газовые облака, очень близкие к черной дыре звезды. Вот классическая модель образования аккреционного диска:

В Интерстеллар видно, что массивному аккреционному диску там просто не из чего возникнуть. Нет ни плотных облаков, ни близких звезд в системе. Если что-то и было, то все это давно съедено.
Единственное, чем довольствуется Гаргантюа - это низкоплотные облака межвездного газа, создающие слабый, «низкотемпературный» аккреционный диск, не излучающий так интенсивно, как классические диски в квазарах или двойных системах. Поэтому излучение диска Гаргантюа не убьет астронавтов.

Торн пишет в The Science of Interstellar:

"Типичный аккреционный диск имеет очень интенсивное ренгтеновское, гамма и радиоизлучение. Настолько сильное, что поджарит любого астронавта, который вздумает оказаться рядом. Диск Гаргантюа, показанный в фильме - чрезвычайно слабый диск. "Слабый" - , разумеется, не по человеческим меркам, а по стандартам типичных квазаров. Вместо того, чтобы быть нагретым до сотен миллионов градусов, как нагреваются квазарные аккреционные диски, диск Гаргантюа нагрет всего лишь на несколько тысяч градусов, примерно как поверхность Солнца. Он излучает много света, но почти не излучает рентгеновские и гамма-лучи. Такие диски могут существовать на поздних стадиях эволюции черных дыр. Поэтому диск Гаргантюа довольно отличается от картины, которую вы можете часто видеть на различных популярных ресурсах по астрофизике."

Кип Торн единственный, кто высказал существования холодных аккреционных дисков вокруг черных дыр? Разумеется, нет.

В научной литературе холодные аккреционные диски черных дыр давно исследуются:
Согласно некоторым данным, сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути Стрелец А* (Sgr A*) обладает как раз таки холодным аккреционным диском:

Вокруг нашей центральной черной дыры может существовать неактивный холодный аккреционный диск , оставшийся (из-за низкой вязкости) от "бурной молодости" Sgr A*, когда темп аккреции был высок. Теперь этот диск "засасывает" горячий газ, не давая ему падать в черную дыру: газ оседает в диске на относительно больших расстояниях от черной дыры.

(с) Close stars and an inactive accretion disc in Sgr A∗: eclipses and flares
Sergei Nayakshin1 and Rashid Sunyaev. // 1. Max-Planck-Institut fur Astrophysik, Karl-Schwarzschild-Str. Garching, Germany 2. Space Research Institute, Moscow, Russi

Или Лебедь X-1:

Выполнен спектральный и временной анализ большого числа наблюдений обсерваторией RXTE аккрецирующих черных дыр Лебедь X-1, GX339-4 и GS1354-644 в низком спектральном состоянии в течение 1996-1998 гг. Для всех трех источников обнаружена корреляция между характерными частотами хаотической переменности и спектральными параметрами - наклоном спектра комптонизированного излучения и относительной амплитудой отраженной компоненты. Связь между амплитудой отраженной компоненты и наклоном Комптонизационного спектра показывает, что отражающая среда (холодный аккреционный диск ) является основным поставщиком мягких фотонов в область комптонизации.

(с) Report at SPIE organization Conference "Astronomical Telescopes and Instrumentation", 21-31 March 2000, Munich, Germany

Interaction Between Stars and an Inactive Accretion Disc in a Galactic Core // Vladimır Karas . Astronomical Institute, Academy of Sciences, Prague, Czech Republic and

(с) Charles University, Faculty of Mathematics and Physics, Prague, Czech Republic // Ladislav Subr . Charles University, Faculty of Mathematics and Physics, Prague, Czech Republic

"Спокойные" черные дыры похожи на дыру в Туманности Андромеды - одну из первых обнаруженных сверхмассивных черных дыр. Ее масса - около 140 миллионов солнечных масс. Но нашли ее не по сильному излучению, а по характерному движению звезд вокруг этой области. Интенсивным “квазарным” излучением ядра таких галакктих не обладают. И астрофизики пришли к выводу, что на эту черную дыру просто не падает вещество. Такая ситуация характерная для “спокойных” галактик, наподобие Туманности Андромеды и Млечного Пути.

Галактики с активными черными дырами носят название активных, или сейфертовских галактик. К числу сейфертовских галактик относят примерно 1% от всех наблюдаемых спиральных галактик.

Про то, как нашли сверхмассивную черную дыру в Туманности Андромеды, хорошо показано в научно-популярном фильме BBC "Сверхмассивные черные дыры".

4) Черные дыры, как известно, обладают смертоносными приливными силами. Разве они не разорвут как астронавтов, так и планету Миллера, которая в фильме находится слишком близко к горизонту событий?

Даже лаконичная Википедия пишет про одно важное свойство сверхмассивной черной дыры:

«Приливные силы около горизонта событий значительно слабее из-за того, что центральная сингулярность расположена так далеко от горизонта, что гипотетический космонавт, путешествующий к центру чёрной дыры, не почувствует воздействия экстремальных приливных сил до тех пор, пока не погрузится в неё очень глубоко.»

С этим согласны любые научные и популярные источники, где описываются свойства сверхмассивных черных дыр.

Расположение точки, в которой приливные силы достигают такой величины, что разрушают попавший туда объект, зависит от размера чёрной дыры. Для сверхмассивных чёрных дыр, как, например, расположенных в центре Галактики, эта точка лежит в пределах их горизонта событий, поэтому гипотетический космонавт может пересечь их горизонт событий, не замечая никаких деформаций, но после пересечения горизонта событий его падение к центру чёрной дыры уже неизбежно. Для малых чёрных дыр, у которых радиус Шварцшильда гораздо ближе к сингулярности, приливные силы убьют космонавта ещё до достижения им горизонта событий

(с) Schwarzschild black holes // General relativity: an introduction for physicists. — Cambridge University Press, 2006. — P. 265. — ISBN 0-521-82951-8.

Разумеется, масса Гаргантюа была выбрана так, чтобы не разорвать приливами астронавтов.
Стоит заметить, что у Торна Гаргантюа 1990-го года несколько массивнее, чем в Интерстеллар:

«Расчеты показали, что чем больше дыра, тем меньшая тяга требуется ракете для удержания ее на окружности в 1.0001 горизонта событий. Для болезненной, но терпимой тяги в 10 земных g масса дыры должна быть в 15 триллионов солнечных масс. Самая близкая из таких дыр называется Гаргантюа, находится она на расстоянии 100000 световых лет от нашей галактики и в 100 миллионах световых лет от кластера галактик Дева, вокруг которого вращается Млечный Путь. Фактически она находится вблизи квазара 3C273, в 2 миллиардах световых лет от Млечного Пути...
Выйдя на орбиту Гаргантюа и проведя обычные измерения, вы убеждаетесь, что действительно его масса равна 15 триллионам солнечных масс и что вращается он очень медленно. Из этих данных вы вычисляете, что длина окружности его горизонта составляет 29 световых лет. Наконец, рассчитывает, что это дыра, окрестность которой вы можете исследовать, испытывая допустимые приливные силы и ускорение!"

В книге «The Science of Interstellar» 2014-го года, где Кип Торн описывает научные аспекты работы над фильмом, он приводит уже цифру 100 миллионов масс солнца - но замечая, что это минимальная масса, которая может быть у «комфортной» в отношении приливных сил черной дыры.

5) Как может существовать планета Миллера так близко от черной дыры? Не разорвет ли ее приливными силами?

Астроном Фил Плейнт, известный под кличкой «Плохой Астроном» за свой безудержный скептицизм, просто не смог пройти мимо Интерстеллар. К тому же до этого он злобно разрушал своим сверлящим скепсисом многие нашумевшие фильмы, например «Гравитацию».

«Я действительно с нетерпением ждал Интерстеллар.. Но то, что я увидел, - было ужасно. Это полный провал. Мне все очень, очень не понравилось»

- пишет он в своей статье от 6-го ноября.
Фил говорит, что относительно научной части фильм является полнейшей туфтой. Что даже в гипотетических рамках не может соответствовать современным научным представлениям. Особенно он проехался по планете Миллера. По его словам, планета может устойчиво вращаться вокруг такой черной дыры, но ее орбита должна быть как минимум в три раза больше размера самой Гаргантюа. Часы будут идти медленнее, чем на Земле, но всего на 20 процентов. Устойчивость планеты, близкой к черной дыре, как показано в фильме - это невозможная выдумка. К тому же ее совершенно разорвут на части приливные силы черной дыры.

Но 9-го ноября Плейнт появляется с новой статьей. Он ее называет Follow-Up: Interstellar Mea Culpa . Неримеримый научный критик решил покаяться.

«Снова я напортачил. Но независимо от величины своих ошибок, я всегда стараюсь признавать их. В конце-концов, сама наука заставляет нас признавать свои ошибки и учиться на них!»

Фил Плейнт признал, что допустил ошибки в своих соображениях и пришел к неверным выводам:

«В своем обзоре я говорил о планете Миллера, вращавшейся близко к черной дыре. Час, проведенный на планете равен семи земным годам. Моя претензия состояла в том, что при таком замедлении времени стабильная орбита планеты была бы невозможной.
И это правда... для невращающейся черной дыры. Моя ошибка состояла в том. что я не использовал правильные уравнения для черных дыр, которая быстро вращалась! Это сильно меняет картину пространства-времени возле черной дыры. Сейчас я понимаю, устойчивая орбита у данной планеты вокруг черной дыры вполне может существовать, причем настолько близко к горизонту событий, что указанное в фильме замедление времени возможно. В общем, я был не прав.
Я утверждал также в своем первоначальном анализе, что гравитационные приливы разорвут эту планету на части. Я консультировался с парой астрофизиков, которые также сказали, что приливы Гаргантюа, вероятно, должны уничтожить планету, но математически это пока что не подтверждено. Они до сих пор работают над решением этой задачи - и как только она будет решена, я опубликую решение. Я сам не могу сказать, был ли я прав, или нет в своем анализе, - и даже если я был прав, мои соображения по-прежнему касались только невращающейся черной дыры, так что они не являются справедливыми для этого случая.
Чтобы решить такую задачу, нужно обсудить множество математических проблем. Но я не знаю точно, насколько именно далеко была планета Миллера от Гаргантюа, и поэтому очень трудно сказать, разрушили бы ее приливы, или нет. Книгу физика и исполнительного продюсера фильма Кипа Торна «The Science of Interstellar» я еще не читал - думаю, она прольет свет на эту проблему.
Тем не менее, я ошибался насчет стабильности орбиты - и я сейчас считаю должным отменить эту мою претензию к фильму.
Итак, подведу итог: физическая картина вблизи черной дыры, продемонстрированная в фильме, является на самом деле соответствующей науке. Я сделал ошибку, за которую я приношу свои извинения.

Ikjyot Singh Kohli, физик-теоретик из Йорского университета, на своей странице привел решения уравнений, доказывая, что существование планеты Миллера вполне возможно.
Он нашел решение, при котором планета будет существовать в продемонстрированных в фильме условиях. Но также обсудил и проблему приливных сил, которые должны якобы разорвать планету. Его решение показывает, что приливные силы слишком слабы, чтобы ее разорвать.
Он даже обосновал наличие гигантских волн на поверхности планеты.

Соображения Сингха Коли с примерами уравнений тут:

Так показывает нахождение планеты Миллера Торн в своей книге:

Есть точки, в которых орбита будет не устойчива. Но Торн нашел также и устойчивую орбиту:

Приливные силы не разрывают планету, но деформируют ее:

Если планета вращается вокруг источника приливных сил, то они будут постоянно менять свое направление, по-разному деформируя ее в разных точках орбиты. В одном положении планета будет сплющена с востока на запад и вытянута с севера на юг. В другой точке орбиты - сдавлена с севера на юг и растянута с востока на запад. Поскольку гравитация Гаргантюа весьма велика, то меняющиеся внутренние деформации и трение будет нагревать планету, делая ее очень горячей. Но, как мы видели в фильме, планета Миллера выглядит совсем иначе.
Поэтому справедливым будет полагать, что планета всегда повернута к Гаргантюа одной стороной. И это естественно для многих тел, которые вращаются вокруг боле сильного гравитирующего объекта. Например, наша Луна, многие спутники Юпитера и Сатурна всегда повернуты к планете только одной стороной.

Также Торн остановился на еще одном важном моменте:

«Если смотреть на планету Миллера с планеты Манна, то можно увидеть, как она вращается вокруг Гаргантюа с орбитальным периодом 1.7 часа, проходя за это время почти миллиард километров. Это примерно половина скорости света! Из-за замедления времени для экипажа Рейнджера этот период уменьшается, составляя десятую долю секунды. Это очень быстро! И разве это не намного быстрее, чем скорость света? Нет, ведь в системе отчета вихреобразно движущегося пространства вокруг Гаргантюа планета движется медленее, чем свет.
В моей научной модели фильме планета повернута к черной дыре всегда одной стороной, и вращается с бешеной скоростью. Не разорвут ли центробежные силы планету на части из-за этой скорости? Нет: ее снова спасает вращающийся вихрь пространства. Планета не будет ощущать разрушительных центробежных сил, так как само пространство вращается вместе с ней с той же самой скоростью»

6) Как возможны настолько гигантские волны на поверхности планеты Миллера?

На этот вопрос Торн отвечает так:

«Я сделал необходимые физические расчеты, и нашел две возможных научных интерпретации.
Оба этих решения требуют, чтобы положение оси вращения планеты было не стабильным. Планета должна раскачиваться в некотором диапазоне, как показано на рисунке. Это происходит под воздействие гравитации Гаргантюа.

Когда я вычислил период этого раскачивания, то я получил величину около часа. И это совпало с тем временем, который выбрал Крис - до этого еще не знавший о моей научной интерпретации!
Моя вторая модель - это цунами. Приливные силы Гаргантюа может деформировать кору планеты Миллера, с таким же периодом (1 час). Эти деформации могут создавать очень сильные землетрясения. Они могут вызывать такие цунами, которые будут значительно превосходить любые, увиденные когда-либо на Земле.»

7) Как возможны такие невероятные маневры Эндуренс и Рейнджера на орбите Гаргантюа?

1) Эндуренс движется по парковочной орбите с радиусом, равным 10 радиусом Гаргантюа, и экипаж направляющийся на п. Миллера, движется со скоростью С/3. Планета Миллера движется со скоростью 55% от С.
2) Рейнджер должен сбросить скорость от С/3 на меньшую, чтобы снизить орбиту и приблизиться к п. Миллера. Он замедляется до с/4, и достигает окрестностей планеты (разумеется, тут надо соблюсти строгий расчет, чтобы попасть. Но это не проблема для компьютера)

Механизм для столь существенного изменения скорости описан Торном:

“Звезды и малые черные дыры вращаются вокруг гигантских черных дыр, как Гаргантюа. Именно они могут создавать определяющие силы, которые отклонят Рейнджер от его круговой орбиты и направят его вниз - к Гаргантюа. Подобный гравитационный маневр часто используется НАСА в Солнечной системе, хотя тут используется гравитация планет, а не черной дыры. Подробности этого маневра не раскрываются в Интерстеллар, но сам маневр упоминается, когда они говорят о использовании нейтронной звезды, чтобы замедлить скорость.“

Нейтронная звезда показана Торном на рисунке:

Свидание с нейтронной звездой позволяет изменить скорость:

“Такое приближение может очень опасным, т.е. Рейнджер должен приблизиться к нейтронной звезде (или малой черной дыре) достаточно близко, чтобы ощущать сильную гравитацию. Если тормозящая звезда или черна дыра с меньшим радиусом, чем 10 000 км, то людей и Рейнджер разорвут приливные силы. Поэтому нейтронная звезда должна быть по меньшей мере размером 10 000 км.
Я обсуждал эту проблему с Ноланом во время производства сценария, предложив черную дыру или нейтронную звезду на выбор. Нолан выбрал нейтронную звезду. Почему? Потому что он не хотел запутать зрителей двумя черными дырами.”

“Черные дыры, называемые IMBH (Intermediate-Mass Black Holes) - в десять тысяч раз меньше, чем Гаргантюа, но в тысячу раз тяжелее, чем обычные черные дыры. Такой отклонитель Куперу необходим. Некоторые IMBH, как полагают, образуются в шаровых скоплениях, а некоторые находятся в ядрах галактик, где находятся и гигантские черные дыры. Ближайшим примером является Туманность Андромеды, - самая близкая к нам галактика. В ядре Андромеды скрывается дыра, подобная Гаргантюа - примерно 100 млн. солнечных масс. Когда IMBH проходит через какой-либо регион с плотной звездной населенностью, то эффект “динамического трения” замедляет скорость IMBH , и она падает все ниже и ниже, все ближе оказываясь к гигантской черной дыре. В результате IMBH оказывается в непосредственной близости от сверхмассивной черной дыры. Таким образом, природа могла вполне обеспечить Купера таким источником гравитационного отклонения."

Реальное применение "гравитационной рогатки" смотрите на примере межпланетных космических аппаратов, - например, ознакомьтесь с историей Вояджеров.

Часть из показанного в фильме - чистая правда, другая часть основана на научных предположениях, а еще часть - чистой воды спекуляция.

Фильм Кристофера Нолана «Интерстеллар» многие называют самым научным в современной кинофантастике, но и претензии ему предъявляют по всей строгости. Споры о достоинствах и недостатках этой картины заставляют людей зарываться с головой в учебники физики. Попробуем и мы разобраться, как «Интерстеллар» стал таким, каков он есть, и что в нём строго научно, а что - не совсем.

ОСТОРОЖНО! СПОЙЛЕРЫ!

Видеоверсия этой статьи.

Человек, придумавший «Интерстеллар»

Имя известного физика Кипа Торна всплывает в каждом споре о научности картины Нолана. Учёный сыграл в создании фильма огромную роль. Торн не ограничивался ролью научного консультанта - по сути, именно он придумал «Интерстеллар».

Досье: Стивен Кип Торн

Специалист в области теории гравитации, астрофизики и квантовой теории измерений. Более пятнадцати лет был профессором Калифорнийского технологического института (Калтех). Один из главных мировых экспертов по общей теории относительности. Популяризатор науки. Близкий друг и коллега Стивена Хокинга.

Лет тридцать назад знаменитый Стивен Хокинг устроил своему другу, молодому физику и одинокому отцу Кипу Торну свидание вслепую с Линдой Обст, редактором раздела науки журнала The New-York Times Magazine и начинающим телепродюсером. Романа у парочки так и не вышло, зато образовалась крепкая дружба. Лет десять назад Линда и Кип загорелись идеей создать фильм, основанный на достижениях и знаниях современной науки. Они написали восьмистраничный набросок, где фигурировали, помимо прочего, целых шесть кротовых нор, пять черных дыр и загадочная раса инопланетян, живущих в «балке» - пространстве, имеющем минимум пять измерений. Одним из героев должен был стать Стивен Хокинг, который лично отправлялся в космос.

Предлагая свою идею киностудии, Торн поставил условие: все сюжетные ходы в фильме должны быть научно достоверны или хотя бы основаны на допустимых теориях и спекуляциях.

Идеей заинтересовалась студия Paramount, а в режиссерское кресло уселся сам Стивен Спилберг. Сценарий поручили младшему брату Кристофера Нолана Джонатану. Но затем начались трудности: из-за забастовки Гильдии сценаристов Джон прекратил работу над фильмом, затем ему пришлось переключиться на «Темного рыцаря», а Спилберг что-то не поделил с боссами Paramount и покинул проект. Торн пал было духом, но Линда не отчаялась и за пару недель нашла нового режиссера - Кристофера Нолана.

Старший Нолан привнес в «Интерстеллар» немало нового. Крис переписал сценарий, объединив его с собственными идеями, изначально предназначавшимися для совсем другого проекта. Финальный вариант был совсем не похож на изначальный восьмистраничный набросок, но Кип не расстроился, поскольку, с его точки зрения, Нолан почти всегда придерживался озвученного Торном принципа. Торн категорически возразил режиссеру лишь один раз - когда Крис придумал сцену, где герои двигались быстрее света. Кип две недели доказывал, почему это совершенно невозможно, и добился своего.

Вместе с тем Кип понимал, что Крис снимает художественное кино, поэтому то и дело закрывал глаза на мелкие неточности, нужные для усиления драматизма, и следил лишь, чтобы фантазию Нолана не уносило слишком далеко. Получилось ли у него? Давайте разберемся.

Пыльный мир и патогены

Начало «Интерстеллара» разворачивается на Земле будущего, которая выглядит крайне малопривлекательно. Новый патоген уничтожил все сельхозкультуры, кроме кукурузы, возникла угроза голода, правительства распустили армии и научные центры, а простые люди вынуждены становиться фермерами, чтобы прокормить себя. Словно этого мало, жители страдают от регулярных пылевых бурь, превративших большую часть США в «пылевой котел». Хуже того, патоген уничтожает запасы кислорода в воздухе, замещая его азотом, так что те, кто не умрёт от голода, банально задохнутся.

ПРЕТЕНЗИЯ: Постойте! Как один-единственный патоген мог уничтожить всю растительную жизнь? Как правило, подобные вещи влияют только на определенные виды растений, полностью выкашивая их популяцию. Те же заболевания, которые затрагивают сразу несколько видов, как правило, не настолько сильны.

История Земли знает примеры массовых вымираний, когда из-за резко изменившихся условий погибала большая часть живых существ. Так произошло, когда возникли цианобактерии, выделявшие кислород, который в те времена был настоящим ядом для большинства видов. Сейчас вполне может развиться похожий микроорганизм, который, например, будет выделять в атмосферу азот.

Есть и другой возможный сценарий: появление нового заболевания, которое поражает те основные разновидности растений, от которых мы зависим больше всего. Биологи не исключают такую возможность, хотя и находят ее крайне маловероятной.

КОНТРАРГУМЕНТ: Но зачем в такой ситуации сокращать расходы на науку? Их, наоборот, надо увеличивать, чтобы биологи вывели новые растительные культуры, обладающие иммунитетом к вирусу, изобрели прививку, противоядие или другой способ борьбы с напастью. Ведь именно так сейчас мы боремся с любой болезнью, имеющей даже малейший шанс вызвать пандемию. Помимо прочего, это же гигантский бизнес, где можно заработать огромные деньги. Куда выгоднее, чем выращивать кукурузу в Канзасе.

Возможно, такие попытки были, но потерпели неудачу. Даже сейчас есть болезни, вакцины от которых до сих пор не нашли, хотя разработки ведутся уже лет тридцать. Допустим, поначалу государства действительно тратили на поиски лекарства сотни миллионов, но затем поступления в казну прекратились, бюджеты иссякли, и финансирование пришлось отменить.

КОНТРАРГУМЕНТ: Но кислород-то куда из воздуха денется?

Кислород в атмосфере в основном появляется благодаря фотосинтезу растений. Если новый патоген повлияет именно на этот процесс, кислород перестанет быть возобновляемым ресурсом. Теперь посмотрим, как образуется углекислый газ: либо в процессе дыхания всех живых существ, либо в результате гниения органики, либо в виде промышленных выбросов предприятий и выхлопов автомобилей. Даже если после голода и экономического кризиса сократится население и уменьшатся выбросы в атмосферу, погибающая растительность будет гнить на полях. По некоторым оценкам, в процессе гниения будет поглощено около процента от оставшихся запасов кислорода. На его место придет угарный газ, который затруднит дыхание чувствительным людям и поднимет температуру воздуха градусов на десять. Не смертельно, конечно, но приятного мало.

Впрочем, надо признать, что подобный вариант развития событий маловероятен. Он используется в фильме не как предсказание будущего, а как сюжетный поворот, призванный заставить персонажей отправиться в космос.

Червоточина и «Эндюранс»

Воспользовавшись удачно подвернувшейся кротовой норой, NASA снаряжает межзвездную экспедицию на корабле «Эндюранс» в поисках нового дома для человечества. Хорошо, что возле Сатурна есть нора! Ведь в мире Купера путешествия со скоростью света невозможны, и к звёздам пришлось бы лететь тысячи лет.

ПРЕТЕНЗИЯ: Разве кротовые норы реальны? Неужели физики зарегистрировали хотя бы одну?

Нет, но наука допускает их существование или, по крайней мере, не отрицает его. А что не запрещено… В последнее время не без участия мистера Торна в космологии набирает популярность идея, что пространство - это не бескрайняя пустота, а своего рода материал, который поддается изменению, были бы нужные инструменты.

КОНТРАРГУМЕНТ: Допустим. Но для поддержания норы в рабочем состоянии требуются немалые количества отрицательной или экзотической материи. Да и для открытия норы требуется источник огромной гравитации типа Гаргантюа, а появление подобного в Солнечной системе погрузило бы ее в хаос.

И даже если бы кротовая нора появилась - например, из-за влияния Гаргантюа - то была бы дорогой с одностороннем движением. Для обратного путешествия потребовался бы аналогичный источник гравитации с другой стороны.

Да, само появление норы - это необходимая вольность. В фильме герои предполагали, что кротовая нора была создана существами, живущими в пятимерном пространстве, чтобы указать нам путь к спасению.

КОНТРАРГУМЕНТ: Профессор Бранд говорит, что кротовая нора появилась на орбите Сатурна за пятьдесят лет до событий «Интерстеллара». NASA разогнали за десять лет до начала фильма. То есть на протяжении сорока лет никто ничего не знал о появлении гравитационной аномалии в пределах Солнечной системы? Да толпы приверженцев теории струн выстроились бы очередями в Нобелевский комитет. Это же новость века!

С тех пор прошло полвека, о какой-то норе в космосе все успели забыть - проблем-то хватало. Помнит о ней только один сумасшедший дед, который живет под землей, косит под Кипа Торна и собирает космические корабли на коленке.

ПРЕТЕНЗИЯ: Кстати, о корабле! Зачем ракета-носитель выводила его на орбиту, если ему оказалось под силу взлетать с планет Миллер и Манна?

Во-первых, на орбиту выходил «Эндюранс», а на планеты космонавты садились в «Рейнджере» - челноке, пристыкованном к «Эндюранс». Во-вторых, на пути от Земли до Гаргантюа заправок нет, так что топливо надо экономить.

КОНТАРГУМЕНТ: Кстати, о топливе. На такую дорогу его требуется очень много. Почему ни на одном кадре с «Эндюранс» мы не видим гигантских топливных баков?

А вы уверены, что камера показала все отсеки? Зачем, к примеру, показывать грузовые трюмы, где ничего не происходит? Кроме того, на пути к Сатурну члены экспедиции могли экономить топливо при помощи гравитационных манёвров - разгоняться, замедляться или менять направление полета под действием гравитации небесных тел. Примерно так в конце девяностых годов NASA запускало зонд «Кассини». На его борту было недостаточно топлива, чтобы добраться до Сатурна, но в NASA рассчитали курс так, чтобы «Кассини» прошел по касательной орбит Венеры, Земли и Юпитера. Каждый такой маневр придавал зонду ускорение.

Чтобы добраться от Земли до Сатурна за два года, «Эндюранс» должен преодолевать в среднем 20 километров в секунду. Кип Торн считает, что с помощью маневров и увеличения эффективности ракетного топлива к концу XXI века человечеству будет под силу достичь скорости в 300 километров в секунду. Так что долететь до Сатурна за такое время вполне реально.

КОНТРАРГУМЕНТ: Но как они затормозили на орбите Сатурна и не улетели дальше? Мощи корабельных носовых двигателей тут явно бы не хватило.

Самих по себе, может, и не хватило бы, но с помощью очередных коррекций курса на орбите Сатурна - почему нет? Кроме того, не стоить забывать о кротовой норе, которая вполне могла повлиять на расположение гравитационных полей.

Жизнь на орбите чёрной дыры

Пройдя через кротовую нору, Купер и остальные попадают в конечную точку своего путешествия - планетную систему возле огромной черной дыры Гаргантюа. Это небесное тело - предмет особой гордости как Кипа Торна, так и мастеров по спецэффектам. При изображении дыры использовались вычисления, сделанные Торном специально для фильма. Получившийся результат ошарашил самого Кипа. Он догадывался, как должны в реальности выглядеть черные дыры, но компьютерная анимация превзошла все его ожидания.

ПРЕТЕНЗИЯ: Рядом с Гаргантюа не видно других небесных тел, кроме парочки планет. Откуда планеты Миллер, Эдмундса и Манна черпают тепло и свет?

Из аккреционного диска. Притяжение Гаргантюа так велико, что способно захватить целую звезду. Когда звезда движется прямо на черную дыру, ее судьба плачевна и предсказуема. Если же её орбита пролегает рядом с Гаргантюа, то притяжение черной дыры попросту разрывает небесное тело на части, а большая часть материи, ранее составлявшей тело звезды, попадает на орбиту Гаргантюа и формирует аккреционный диск. Он излучает свет, тепло и радиацию, так что вполне может заменить солнце.

КОНТРАРГУМЕНТ: Выходит, жить на этих планетах нельзя из-за высоких температур и радиации. Как же экипаж «Эндюранс» не поджарился, просто пролетая мимо?

Возможно, с момента, когда последняя звезда попала в гравитационные тиски Гаргантюа, прошло несколько миллионов лет. Тогда газ, составляющий диск, остыл до температуры в несколько тысяч градусов и уже не излучает такой сильной радиации, хотя продолжает давать достаточно света и тепла. Низкой температурой объясняется и блеклость диска.

Гаргантюа - самая достоверная чёрная дыра в истории кино. Но даже она отличается от реальной.

ПРЕТЕНЗИЯ: Откуда там вообще планеты взялись? Разве их не должно было засосать внутрь дыры?

На самом деле наука допускает существование возле гигантских черных дыр зон обычного времени и пространства, даже целых планетных систем, которые вращаются вокруг центральной сингулярости по сложным, но замкнутым орбитам.

ПРЕТЕНЗИЯ: Аккреционный диск выглядит неправдоподобно. Он должен быть несколько сплющенным и несимметричным. Кроме того, модель не учитывает эффект Допплера: один край диска должен отливать красным, другой - синим.

Да, тут Кристофер Нолан специально пошел против истины, чтобы не смущать зрителей. А еще он специально занизил скорость вращения черной дыры. Кроме того, учитывая расстояние от черной дыры до планеты Миллер, Гаргантюа должна занимать половину небосвода, а планета при таком раскладе находилась бы внутри аккреционного диска, так что он в основном был бы виден только с противоположной дыре стороны планеты.

Планеты Миллер и Манна

Первым делом астронавты отправляются на планету Миллер. Время там идёт замедленно - один час на ее поверхности равен семи земным годам.

ПРЕТЕНЗИЯ: Такое возможно только вблизи объектов, обладающих огромной массой, например, на орбите черной дыры. Но нужно находиться совсем рядом с дырой, практически над ее поверхностью. А стабильная орбита вокруг черной дыры должна превышать диаметр Гаргантюа как минимум трижды. Иначе планету Миллер давно бы засосало внутрь. С учетом показанных в фильме кадров время на поверхности планеты должно течь медленнее, чем на Земле, всего процентов на двадцать.

Это верно в отношении невращающихся черных дыр, но с Гаргантюа все обстоит по-другому. Гаргантюа - сверхмассивная вращающаяся черная дыра, что несколько меняет ее воздействие на окружающее пространство. При определенных условиях, скажем, если она будет вращаться очень быстро, а планета Миллер - располагаться достаточно близко к циркулярной орбите Гаргантюа, такое замедление времени возможно.

Правда, у вращающихся черных дыр есть предел скорости вращения, причем максимума они, как правило, не достигают. Чтобы на планете Миллер было такое замедление времени, Гаргантюа должна вращаться лишь чуточку меньше максимума. Это реально, хотя и маловероятно.

КОНТРАРГУМЕНТ: А как быть с приливными волнами? Они возможны, только если разница в гравитационном притяжении черной дыры на разных сторонах планеты очень велика. Но в таком случае планету просто разорвало бы на части!

На самом деле нет. Благодаря гигантским размерам Гаргантюа разница в притяжении черной дыры на разных сторонах планеты Миллер недостаточно велика. Тем не менее силы притяжения должно было хватить для деформирования планеты. Планета Миллер должна была выглядела как эллипсоид, сжатый по бокам и вытянутый в длину. Кроме того, если бы планета вращалась вокруг своей оси, то силы притяжения Гаргантюа действовали бы в нескольких направлениях в зависимости от положения орбит. По фильму же мы видим, что все гигантские волны движутся примерно в одном направлении. Отсюда следует вывод, что планета Миллер всегда повёрнута к черной дыре одной и той же стороной.

Возможно и еще одно объяснение: из-за деформации планеты и притяжения Гаргантюа в определенных районах постоянно проходят землетрясения, вызывающие гигантские цунами.

КОНТРАРГУМЕНТ: Радиация, отсутствие привычного источника света и тепла - планета Миллер не выглядит подходящим местом для жилья. Неужели нужно было лететь на нее в первую очередь и неужели этой части экспедиции нельзя было избежать?

Разумеется, можно было. Планета Миллер никогда бы не стала бы первым кандидатом на место нового дома для человечества, если бы Купер или другие члены экипажа «Эндюранс» догадались использовать по назначению кучу научного оборудования, именно с этой целью доставленного на борт корабля. Информацию о пригодности планеты Миллер для жизни можно было получить прямо с орбиты при помощи телескопов и прочих приборов. Тех самых, которыми Ромили почти четверть века изучал саму чёрную дыру, пока остальные боролись с цунами.

Не спускаясь на планету, можно было бы провести ее изучение с безопасного расстояния, где временной лаг минимальный. Простой спектральный анализ здорово сэкономил бы топливо экспедиции и снизил бы накал страстей на экране. Кристоферу Нолану нужно было это замедление времени, чтобы показать, как растёт пропасть между отцом и дочерью.

В крайнем случае, если NASA так уж хотелось отправить на планету делегацию из мыслящих существ, вполне можно было бы послать в экспедицию экипаж, состоящий из одних роботов. Роботы способны выжить почти в любых условиях (судя по фильму - даже в черной дыре), они менее требовательны, не так капризны и легче переносят одиночество.

ПРЕТЕНЗИЯ: Насколько оправданны маневры Купера, которые он совершил перед посадкой на планете Миллер, чтобы избежать замедления времени и притяжения черной дыры?

Замедления времени он не избежал бы в любом случае - оно возрастает обратно пропорционально расстоянию от черной дыры. Но сэкономить время путем корректировки курса корабля благодаря гравитационному притяжению разных небесных тел еще как можно. В фильме Купер решает избежать притяжения Гаргантюа, разогнавшись до огромной скорости, а затем резко затормозить, попав в зону притяжения нейтронной звезды.

На самом деле подобным образом снизить скорость (и чтобы корабль и пассажиров при резком торможении не разорвало на кусочки) с помощью нейтронной звезды не удалось бы - для этого требуется небольшая черная дыра размером с Землю. Но Нолан был непреклонен насчёт количества черных дыр в фильме: одна, только одна!

***

Перенесемся на планету Манна. Действие разворачивается высоко над поверхностью, в небе которой висят гигантские ледяные облака.

ПРЕТЕНЗИЯ: Как возможно существование подобных облаков? И почему они не падают под собственным весом?

По-видимому, планета Манна вращается вокруг Гаргантюа по крайне сложной орбите и большую часть времени проводит вдали от черной дыры. Почему? Во-первых, до планеты Манна было чуть ли не дольше всего лететь, когда экипаж «Эндюранс» решал, откуда начать. Зато, когда Купер взлетает с планеты, «Рейнджер» оказывается совсем рядом с Гаргантюа. А во-вторых, на это намекают гигантские ледяные облака, которые замерзают на то время, пока планета удалена от аккреционного диска.

А не падают они благодаря особому виду магии. Киномагии. На самом деле они давно должны были рухнуть на поверхность.

Падение в чёрную дыру

ПРЕТЕНЗИЯ: После взлета с планеты Манна «Эндюранс» захватывает притяжением Гаргантюа. Куперу удается спасти основной модуль, но сам он, робот ТАРС и «Рейнджер» проходят сквозь горизонт событий и падают в черную дыру. Как они пережили весь процесс? Их должно было или убить радиацией и температурой аккреционного диска, или они должны были спагеттицифицироваться - превратиться в вытянутую нить из-за разницы в притяжении разных частей тела.

Если Гаргантюа последний раз захватывала звезды в свой гравитационный капкан миллионы лет назад, то диск стал безопасным для случайных путешественников (и бесполезным для окрестных планет, к слову). Что касается спагеттификации, она опять же возможна в маленьких и невращающихся черных дырах. Размеры и скорость вращения Гаргантюа сводят разницу притяжений различных частей тела к нулю, так что превращения в спагетти можно не опасаться.

КОНТРАРГУМЕНТ: Разве это значит, что можно благополучно пережить падение в черную дыру?

Нет, конечно. Отправившись следом за ТАРСом, Купер подписал себе смертный приговор и сам это понимал.

КОНТРАРГУМЕНТ: Допустим, каким-то чудом Купер остался жив. Как он рассчитывал передать сигнал обратно домой? Ведь они испытывали трудности даже с передачей сигнала через кротовую дыру. Что уж говорить о черной дыре, из которой, как известно, не сбегает ничто.

Считалось, что притяжения черной дыры не может избежать ничто, даже свет. Но Стивен Хокинг доказал, что и черные дыры могут излучать элементарные частицы, преимущественно фотоны. Некоторые теории подразумевают, что информацию в принципе невозможно остановить, но единого взгляда на этот вопрос у ученых нет. Тем не менее они едва ли согласятся с тем, что из черной дыры может транслироваться сигнал, так что это, конечно, преувеличение.

ПРЕТЕНЗИЯ: Что это за гравитационные данные, без которых невозможно решение уравнения профессора Бранда?

Согласно фильму, данные были нужны профессору, чтобы подойти к пониманию гравитации и ее взаимодействия с квантовой механикой. Впоследствии это помогло бы поднять с Земли новые человеческие колонии. Разумеется, для решения таких проблем в реальной жизни прыжок в черную дыру не понадобится. И вряд ли такие данные можно передать столь короткой последовательностью сигналов.

ПРЕТЕНЗИЯ: Пройдя горизонт событий, Купер оказывается в тессеракте, четырехмерном гиперкубе, позволяющему измерять время как линейную величину и позволяющему общаться с Мёрф на любом отрезке её жизни. Это тоже научно?

С момента прыжка в черную дыру и до конца фильма сценарий перестает ориентироваться на науку и оперирует чистой воды спекуляциями. Да, учёные допускают существование других измерений, но их познание в трехмерном пространстве не представляется возможным. И уж конечно, нельзя научно доказать, что после прыжка в черную дыру неведомые силы перенесут человека в комнату его дочери. Все эти загадочные явления Нолан списывает на таинственных и загадочных «их», живущих в пятимерном пространстве.

***
Нолан снимал все-таки фантастику, а не документальное кино, поэтому имел право игнорировать кое-какие детали. «Интерстеллар» порой становился жертвой художественного замысла, визуальные решения делались для удобства зрителей и съемочной группы, а не для ученых. Тем не менее картина получилась куда более научной, чем большая часть современной кинофантастики. Задумайтесь: на каком еще сеансе нам вообще требовалось знать, как работает реальная астрофизика?

В фильме радиус кротовой норы - 1 километр, длина желоба - 10 метров, радиус линзирования на 50 метров больше норы.

Кротовая нора нестабильна и очень хочет закрыться и превратиться в две чёрные дыры.

Чем длиннее кротовая нора, тем больше в ней будет видно размазанных копий объектов за норой, потому что у света больше путей попадания в глаз (под разным углом можно зайти в нору и выйти в одну точку).

Чтобы держать кротовую нору открытой, нужно очень много экзотического вещества с отрицательной массой, чтобы оно выталкивало из норы всё на противоположной стороне. Такое вещество, теоретически, может существовать, но найти его в достаточном количестве, чтобы держать нору - нереально.

Но есть второй вариант удержания кротовых нор: нужно использовать гравитационные силы из пятого измерения. Если четырёхмерный объект пронзает наше трёхмерное пространство, он создаёт в нём очень странные силы, которые ни на что не похожи. Вот их и использовать для удержания кротовой норы.

Гаргантюа снаружи

Такой массы достаточно, чтобы приливные силы на планете Миллер не разорвали её пополам.

Эндюранс припаркован на расстоянии 10 АЕ , и движется по орбите на скорости c/3 (100 000 км/с), в противоположном вращению Гаргантюа направлении.

Изображение дыры:

• Гаргантюа приплюснута слева, потому что она вращается слева направо (относительно камеры) и у света, двигающегося в направлении вращения, больше шансов не быть засосанным за горизонт событий.
• У каждой звезды за чёрной дырой есть два изображения на картинке: обычное, которое далеко от дыры, дано светом, немного согнутым гравитацией. И второе, внутри сферы Эйнштейна , такой сферы, которая всё очень сильно преломляет, потому что близко к дыре. Там ещё несколько особенностей, связанных с вращением дыры, но я это с трудом объясню, потому что оптика не лучшая моя сторона.

Чтобы аккреционный диск не зажарил всех заживо всеми возможными лучами, его сделал температурой всего пару тысяч градусов, как Солнце, он излучает свет и совсем чуть-чуть гамма и рентгеновских лучей. Именно из-за слабости диска из Гаргантюа не вырываются плазменные пучки из южного и северного полюсов, как из квазара. Такое возможно, если дыра не «кушала» другие планеты в течение долгого времени.

То, что на картинках светится - это и есть аккреционный газовый диск .
А выглядит он как хрен пойми что, потому что, благодаря гравитационному линзированию , над и под чёрной дырой виден кусок диска за этой самой дырой.

Очень близко к горизонту событий Гаргантюа есть две критические орбиты, образованные равновесием силы гравитации и центробежной силы.
По одной из них движется планета Манна, по другой - Эндюранс в конце фильма.

Пятимерное пространство

Если пятое (а также шестое, седьмое и тд) измерения существуют, то они должны быть свёрнуты в трубочку или сжиматься очень быстро, иначе гравитация из наших трёх измерений будет распространяться по другим, не 1/r^2, законам.

Пространство в Интерстелларе состоит из трёх трёхмерных бран в четырёхмерном пространстве анти-де Ситтера . Над и под нашей браной находятся ограничивающие браны, они нужны для того, чтобы гиперпространство искривлялось между слоями и не нарушались человеческие законы распространения сил, в частности гравитации. Так, в общем, можно сделать пятой измерение развёрнутым, а не скрученным в трубочку.

Гиперпространство искривляется между этими бранами и расстояние, измеренное в верхней или нижней бране будет очень сильно короче, чем в нашей бране Расстояние между этими бранами должно быть 1,5 сантиметров - этого достаточно для того, чтобы расстояние по верхней бране между Землёй и Гаргантюа было равно 1АЕ, и в нашей бране соблюдались законы Ньютона о гравитации.

Чтобы приземлиться на планету Миллер, которая вращается со скоростью 0,55 c, надо сделать два гравитационных манёвра: сперва остановить вращение Рейнджера полностью, чтобы дыра притянула корабль, а перед планетой Миллер сбросить ещё c/4 скорости и приземлиться.

Как это сделать? Это не показывается в фильме , но Кип предполагает, что вокруг Гаргантюа должны вращаться ещё как минимум две маленькие чёрные дыры, размером с Землю. Только попав в гравитацию таких дыр, можно так сильно сбросить скорость и не убить команду корабля. При этом в фильме Купер говорит, что ему нужно сделать менёвр вокруг нейронной звезды, а не чёрной дыры (я, честно, не помню этой фразы).

Волны на планете Миллер вызваны «покачиванием» планеты туда-сюда, относительно оси, перпендикулярной Гаргантюа. Типа, цунами.

Планета Миллер должна располагаться между аккреционным диском и Гаргантюа. Но Нолан решил не палить концовку, и поставил планету сами знаете как. Греется планета от аккреционного диска.

Планета Манна движется по очень закорюченной орбите со скоростью c/20 .

Чтобы достичь планеты Манна, Купер должен был совершить два гравитационных манёвра: вокруг малой чёрной дыры, вращающейся вокруг Гаргантюа, после этого на скорости c/2 подлететь к планете Манна, и сделав пару витков вокруг неё, снизить скорость до c/20

Облака на планете Манна сделаны из диоксида углерода «сухого льда». На поверхности - обычный лёд. Когда планета Манна подлетает ближе к Гаргантюа и её диску, диоксид углерода испаряется - получаются облака.

Подлетая к чёрной дыре

Как Купер поднял падающий Эндюранс? Вытащил его достаточно высоко, чтобы притяжение Гаргантюа притянуло его и Купера на критическую орбиту. Не забывайте, что когда Эндюранс падает на планету Манна, планета находится очень близко к Гаргантюа.

Критическая орбита, по которой Купер проводит корабль вокруг Гаргантюа - это поле, в котором центробежная сила, которая выталкивает корабль с орбиты и сила гравитации, которая тянет корабль внутрь дыры, совпадают. На этой орбите можно вечно крутиться вокруг Гаргантюа, но с одним условием: нельзя сдвигаться с орбиты ни на шаг, так как корабль либо отбросит от Гаргантюа, либо он упадёт в чёрную дыру. Эта орбита нестабильна. Стоит сказать, что орбита планеты Миллер точно такая же, но стабильная, с неё сложно слезть.

Черные дыры не испускают света, так что единственный способ увидеть Гаргантюа - через ее влияние на свет от других объектов. В Интерстелларе другие объекты - это аккреционный диск (Глава 9) и галактика, в которой она находится, включая туманности и обильное звездное поле. Ради простоты давайте пока включим только звезды.

Гаргантюа бросает на звездное поле черную тень, а также преломляет лучи света от каждой звезды, искажая видимый камерой звездный рисунок. Это искажение - гравитационная линза, описанная в Главе 3 .

На рисунке 8.1 показана быстро вращающаяся черная дыра (назовем ее Гаргантюа) на фоне звездного поля, какой она предстала бы перед вами, находись вы в экваториальной плоскости Гаргантюа. Тень Гаргантюа - это абсолютно черная область. Сразу за границей тени находится очень тонкое кольцо звездного света, так называемое "огненное кольцо", которое я усилил вручную, чтобы сделать край тени более четким. Снаружи кольца мы видим густые брызги звезд в концентрическом узоре, созданном гравитационной линзой.

Рис. 8.1. Звездный рисунок, созданный гравитационной линзой вокруг быстро вращающейся черной дыры вроде Гаргантюа. На взгляд издалека, угловой диаметр тени в радианах составляет 9 радиусов Гаргантюа, деленные на расстояние от наблюдателя до Гаргантюа. [Смоделировано для этой книги командой по визуальным эффектам Double Negative.]

По мере движения камеры по орбите Гаргантюа кажется, что движутся звезды. Это движение в сочетании с линзой создает эффектно меняющиеся световые узоры. В одних областях звезды струятся с большой скоростью, в других - спокойно текут, в третьих - замирают на месте; см. видео на странице этой книги на Interstellar.withgoogle.com .

В этой главе я объясняю все эти нюансы, начиная с тени и ее огненного кольца. Потом я опишу, как на самом деле были получены изображения черной дыры в Интерстелларе .

Изображая Гаргантюа в этой главе, я считаю ее быстро вращающейся черной дырой, каковой ей и надлежит быть, чтобы обеспечить чрезвычайную потерю времени экипажа Эндуранс по отношению к Земле (Глава 6). Тем ни менее, в случае быстрого вращения массовую аудиторию могли бы смутить приплюснутость левого края тени Гаргантюа (рисунок 8.1) и некоторые специфические особенности звездного струения и аккреционного диска, так что Кристофер Нолан и Пол Франклин выбрали скорость вращения поменьше - 60 процентов от максимальной - для изображений Гаргантюа в фильме. См. последний раздел в Главе 9 .

Внимание: Объяснения в следующих трех разделах могут потребовать больших умственных усилий; их можно пропустить, не потеряв нити повествования остальной книги. Не стоит тревожиться!

Тень и Ее Огненное Кольцо

Предположим, вы находитесь в желтой точке. Белые лучи A и B , а также прочие лучи вроде них несут вам изображение огненного кольца, а черные лучи A и B несут изображение края тени. Например, белый луч A исходит от какой-то звезды вдали от Гаргантюа, он движется внутрь и попадает в ловушку по внутреннему краю огненной скорлупы в экваториальной плоскости Гаргантюа, где он вновь и вновь летает по кругу, гонимый пространственным вихрем, а затем ускользает и доходит до ваших глаз. Черный луч, также подписанный A , исходит с горизонта событий Гаргантюа, он движется наружу и попадает в ловушку на том же внутреннем крае огненной скорлупы, затем ускользает и достигает ваших глаз бок о бок с белым лучом A . Белый луч несет изображение кусочка тонкого кольца, а черный - изображение кусочка края тени. За сведение их бок к боку и направление вам в глаза отвечает огненная скорлупа.

Рис. 8.2. Гаргантюа (сфера в центре ), ее экваториальная плоскость (голубая ), огненная скорлупа (розовая и фиолетовая ) и черные и белые лучи, несущие изображение края тени и тонкого кольца вокруг нее.

Аналогично для белого и черного лучей B , только они попадают в ловушку на внешней границе огненной скорлупы и движутся по часовой стрелке (пробиваясь навстречу пространственному вихрю), в то время как лучи A попадают в ловушку на внутренней границе и движутся против часовой стрелки (и пространственный вихрь подхватывает их). На рисунке 8.1 левый край тени приплюснут, а правый скруглен из-за того, что лучи A (с левого края) приходят со внутренней границы огненной скорлупы, очень близкой к горизонту, а лучи B (с левого края) - с наружной, расположенной куда дальше от горизонта.

Черные лучи C и D на рисунке 8.2 берут начало с горизонта, движутся наружу и попадают в ловушку на неэкваториальных орбитах в огненной скорлупе, затем ускользают со своих орбит-ловушек и доходят до ваших глаз, неся изображения кусочков края тени, лежащих вне экваториальной плоскости. Орбита-ловушка луча D показана на вставке справа сверху. Белые лучи С и D (не показаны), идущие от далеких звезд, попадают в ловушку бок о бок с черными лучами C и D и движутся к вашим глазам бок о бок с C и D , неся изображения кусочков огненного кольца бок о бок с кусочками края тени.

Линза Невращающейся Черной Дыры

Чтобы понять преломленный гравитационной линзой рисунок звезд и их струение по мере движения камеры, давайте начнем с невращающейся черной дыры и с лучей света, исходящих от единственной звезды (рисунок 8.3). Два луча света идут от звезды к камере. Каждый из них движется по самой прямой траектории, по какой только может в искривленном пространстве дыры, однако из-за искривления каждый луч изгибается.

Один изогнутый луч движется к камере вокруг левого края тени, другой - вокруг ее правого края. Каждый луч несет камере собственное изображение звезды. Эти два изображения, как их видит камера, показаны на вставке на рисунке 8.3. Я обвел их красными кружками, чтобы отличить их от всех остальных звезд, видимых камерой. Заметьте, что правое изображение намного ближе к тени дыры, чем левое. Это потому, что его изогнутый луч прошел ближе к горизонту событий дыры.

Рис. 8.3. Сверху: Искривленное пространство невращающейся черной дыры на виде из балка и два луча света, движущиеся в искривленном пространстве от звезды к камере. Снизу: Преломленный гравитационной линзой звездный рисунок, видимый камерой. [Смоделировано Аленом Riazuelo; см. видео его модели на www2.iap.fr/users/riazuelo/interstellar .]

Всякая прочая звезда видна на картинке дважды, на противоположных сторонах тени дыры. Можете распознать какие-нибудь пары? Тень черной дыры на картинке состоит из направлений, из которых ни один луч не может прийти в камеру; посмотрите на треугольную зону, подписанную "тень" (англ. shadow), на верхней диаграмме. Все лучи, которые "хотят быть" в тени, ловит и глотает черная дыра.

По мере движения камеры вправо по орбите (рисунок 8.3) видимый камерой звездный узор меняется так, как показано на рисунке 8.4.

На этом рисунке выделены две отдельные звезды. Одна обведена красным (та же звезда обведена на рисунке 8.3). Другая - внутри желтого маркера. Мы видим два изображения каждой звезды: одно снаружи розовой окружности, другое внутри. Розовая окружность называется "кольцо Эйнштейна".

По мере движения камеры вправо изображения движутся вдоль красной и желтой кривых.

Изображения звезд снаружи кольца Эйнштейна (давайте назовем их первичными изображениями) движутся так, как и можно было бы ожидать: плавно слева направо, но отклоняясь от черной дыры по мере движения. (Можете объяснить, почему отклонение происходит от дыры, а не к ней?)

Рис. 8.4. Изменение звездного узора, видимого камерой по мере ее движения вправо по орбите на рисунке 8.3. [Смоделировано Аленом Riazuelo; см. www2.iap.fr/users/riazuelo/interstellar .]

Однако вторичные изображения, внутри кольца Эйнштейна, движутся неожиданным образом: кажется, что они появляются из правого края тени, движутся наружу в кольцо между тенью и кольцом Эйнштейна, проворачиваются вокруг тени, и снова спускаются к краю тени. Это можно понять, вернувшись к верхней картинке на рисунке 8.3. Правый луч проходит рядом с черной дырой, так что правое изображение звезды находится рядом с ее тенью. В более ранний момент времени, когда камера находилась левее, правому лучу приходилось проходить еще ближе к черной дыре, чтобы изогнуться сильнее и добраться до камеры, так что правое изображение было совсем близко к краю тени. В противоположность этому, в более ранний момент времени левый луч проходил довольно далеко от дыры, так что был почти прямым и создавал изображение довольно далеко от тени.

Теперь, если вы готовы, вдумайтесь в последующее движение изображений, запечатленное на рисунке 8.4.

Линза Быстро Вращающейся Черной Дыры: Гаргантюа

Пространственный вихрь, создаваемый быстрым вращением Гаргантюа, меняет гравитационную линзу. Звездные узоры на рисунке 8.1 (Гаргантюа) выглядят несколько по-другому, чем на рисунке 8.4 (невращающаяся черная дыра), а струящиеся рисунки различаются еще больше.

В случае Гаргантюа струение (рисунок 8.5) выявляет два кольца Эйнштейна, показанных розовыми кривыми. Снаружи от внешнего кольца звезды струятся вправо (например, вдоль двух красных кривых), как и в случае невращающейся черной дыры на рисунке 8.4. Однако пространственный вихрь сосредоточил струящийся поток в узкие высокоскоростные полосы вдоль заднего края тени дыры, резковато изгибающиеся у экватора. Вихрь также создал турбуленции в струении (замкнутые красные кривые).

Вторичное изображение каждой звезды видно между двумя кольцами Эйнштейна. Каждое вторичное изображение обращается по замкнутой кривой (например, по двум желтым кривым), и обращается оно в направлении, противоположном красному струящемуся движению снаружи от внешнего кольца.

Рис. 8.5. Рисунок звездного струения, каким его видит камера рядом с быстро вращающейся черной дырой вроде Гаргантюа. В этой модели команды по визуальным эффектам Double Negative дыра вращается со скоростью 99,9 процентов от максимально возможной, а камера находится на круговой экваториальной орбите с окружностью вшестеро больше окружности горизонта. См. видео этой модели на странице этой книги на Interstellar.withgoogle.com .

Есть две совсем особые звезды в небе Гаргантюа с выключенной гравитационной линзой. Одна лежит точно над северным полюсом Гаргантюа, другая - точно под ее южным полюсом. Это аналоги Полярной звезды, которая располагается точно над северным полюсом Земли. Я разместил пятиконечные звезды на первичных (красные) и вторичных (желтые) изображениях полюсных звезд Гаргантюа. Кажется, что все звезды в небе Земли обращаются вокруг Полярной звезды по мере того, как нас влечет по кругу вращение Земли. Сходным образом у Гаргантюа все первичные звездные изображения обращаются вокруг красных изображений полюсных звезд по мере движения камеры по орбите дыры, но траектории их обращения (например, две красные кривые-турбуленции) сильно искажены пространственным вихрем и гравитационной линзой. Аналогично, все вторичные звездные изображения обращаются вокруг желтых изображений полюсных звезд (например, вдоль двух искаженных желтых кривых).

Почему в случае невращающейся черной дыры (рисунок 8.4) было видно, что вторичные изображения появляются из тени черной дыры, проворачиваются вокруг дыры и спускаются обратно в тень, а не обращаются по замкнутой кривой, как в случае Гаргантюа (рисунок 8.5)? Вообще-то, они таки обращаются по замкнутой кривой в случае невращающейся черной дыры. Однако, внутренний край этой замкнутой кривой так близко к краю тени, что его невозможно увидеть. Вращение Гаргантюа создает пространственный вихрь, и этот вихрь отодвигает внутреннее кольцо Эйнштейна наружу, вскрывая рисунок полного обращения вторичных изображений (желтые кривые на рисунке 8.5) и внутреннее кольцо Эйнштейна.

Внутри внутреннего кольца Эйнштейна рисунок струения более запутан. Звезды в этой области - это третичные и еще более высокоразрядные изображения всех звезд во Вселенной - тех же, что видны в виде первичных изображений снаружи от внешнего кольца Эйнштейна и в виде вторичных изображений между кольцами Эйнштейна.

На рисунке 8.6 я показываю пять маленьких картинок экваториальной плоскости Гаргантюа, на которых сама Гаргантюа обозначена черным, орбита камеры - розовым пунктиром, а луч света - красным. Луч света несет камере изображение звезды, которое находится на кончике голубой стрелки. Камера движется вокруг Гаргантюа против часовой стрелки.

Можно здорово вникнуть в гравитационную линзу, если самостоятельно пройтись по этим картинкам одной за другой. Отметьте: настоящее направление на звезду - вверх и вправо (посмотрите на внешние концы красных лучей). Камера и начало каждого луча указывают на изображение звезды. Десятое изображение совсем рядом с левым краем тени, а правое вторичное изображение - рядом с правым краем; сравнивая направления камеры для этих изображений, мы видим, что тень занимает дугу около 150 градусов в направлении вверх. Это несмотря на то, что настоящее направление от камеры к центру Гаргантюа - влево и вверх. Линза сместила тень относительно настоящего положения Гаргантюа.

Рис. 8.6. Лучи света, которые несут изображения звезд на кончиках голубых стрелок. (Англ. primary - первичный, secondary - вторичный, tertiary - третичный.) [Из той же модели Double Negative, что и на рисунках 8.1 и 8.5.]

Создание Визуальных Эффектов Черной Дыры и Кротовой Норы в Интерстелларе

Крис хотел, чтобы Гаргантюа выглядела так, как на самом деле выглядит быстро вращающаяся черная дыра с близкого расстояния, так что он попросил Пола проконсультироваться со мной. Пол вывел меня на связь с командой Интерстеллара , которую он собрал в студии по визуальным эффектам Double Negative в Лондоне.

Я вошел в раж, тесно работая с Оливером Джеймсом, главным ученым. Мы с Оливером разговаривали по телефону и по Скайпу, обменивались электронными сообщениями и файлами и встречались лично в Лос-Анджелесе и в его офисе в Лондоне. У Оливера ученая степень по оптике и атомной физике, и он понимает законы теории относительности Эйнштейна, так что мы говорили на одном и том же техническом языке.

Некоторые из моих коллег-физиков уже делали компьютерные модели того, что увидит наблюдатель, находясь на орбите черной дыры или даже падая в нее. Лучшими экспертами были Ален Riazuelo из Institut d’Astrophysique в Париже и Эндрю Гамильтон в Колорадском Университете в Боулдере. Эндрю создал видео о черных дырах, которое показывают в планетариях по всему миру, а Ален смоделировал черные дыры, которые вращаются очень-очень быстро, как Гаргантюа.

Так что первоначально я собирался свести Оливера с Аленом и Эндрю и попросить их предоставить ему необходимые входные данные. Несколько дней мне было неуютно от этого решения, а потом я передумал.

В течение своей полувековой карьеры физика я прикладывал огромные усилия, совершая новые открытия сам и воспитывая студентов, совершавших новые открытия. Почему бы, для разнообразия, не сделать что-нибудь просто потому, что это весело, спросил я себя, даже если другие уже делали это до меня? Так что я набросился на это “что-нибудь”. И это было весело. И к моему удивлению, побочным продуктом это привело (скромно) к новым открытиям.

Используя законы теории относительности и сильно опираясь на работу предшественников (особенно Брэндона Картера из Laboratoire Univers et Théories во Франции и Жанны Левин из Колумбийского Университета), я вывел необходимые Оливеру уравнения. Эти уравнения рассчитывают траектории световых лучей, начинающихся от некоторого источника света, к примеру, от далекой звезды, и движущихся сквозь искривленное пространство Гаргантюа к камере. Из этих лучей света мои уравнения затем рассчитывают видимые камерой изображения, учитывая не только источники света и искажение пространства и времени Гаргантюа, но и движение камеры вокруг Гаргантюа.

Получив эти уравнения, я сам опробовал их с помощью дружелюбного программного обеспечения под названием Mathematica. Я сравнивал изображения, создаваемые моим компьютерным кодом Mathematica, с изображениями Алена Riazuelo, и когда они согласовались, я возликовал. Затем я написал подробные описания своих уравнений и отправил их Оливеру в Лондон, вместе с моим кодом Mathematica.

Мой код был очень медленным и имел низкое разрешение. Задачей Оливера было перевести мои уравнения в компьютерный код, который мог бы создать необходимые для фильма изображения IMAX сверхвысокого качества.

Мы с Оливером делали это пошагово. Мы начали с невращающейся черной дыры и неподвижной камеры. Затем мы добавили вращение черной дыры. Затем добавили движение камеры: сперва движение по круговой орбите, а затем падение в черную дыру. А затем мы переключились на камеру, вращающуюся вокруг кротовой норы.

В этом месте Оливер поразил меня как громом среди ясного неба: чтобы смоделировать самые утонченные эффекты, ему понадобятся не только уравнения, описывающие траектории световых лучей, но еще и уравнения, описывающие, как поперечное сечение пучка света меняет размер и форму, проходя через кротовую нору.

Я более или менее знал, как это сделать, но уравнения были ужасно запутанны, и я боялся наделать ошибок. Так что я поискал техническую литературу, и обранужил, что в 1977 году Serge Pineault и Rob Rouber из Университета Торонто получили необходимые уравнения в почти нужной мне форме. После трехнедельной борьбы с собственной глупостью я привел их уравнения точно в нужную форму, выразил их в Mathematica и расписал Оливеру, который включил их в собственный компьютерный код. В конце концов, его код смог создать качественные изображения, необходимые для фильма.

В Double Negative компьютерный код Оливера был только началом. Он вручил его художественной команде под руководством Евгении фон Танзельманн, которая добавила аккреционный диск (Глава 9) и создала фоновую галактику со звездами и туманностями, которые будут искажаться линзой Гаргантюа. Затем ее команда добавила Эндуранс , Рэйнжеры и посадочные модули и анимацию камеры (изменяющиеся движение, направление, поле зрения и т. д.) и слепила изображения в очень убедительные формы: в невероятные сцены, которые и появляются в фильме. Продолжение см. в Главе 9 .

Между тем, я ломал голову над высококачественными видео, присланными мне Оливером и Евгенией, напряженно пытаясь понять, почему изображения выглядят так, как выглядят, а звездные поля струятся так, как струятся. Для меня эти видео подобны экспериментальным данным: они вскрывают такие вещи, которые я бы никогда не выяснил сам, без этих моделей - например, то, что я описал в предыдущем разделе (рисунки 8.5 и 8.6). Мы собираемся опубликовать техническую статью-другую с описанием того нового, что мы узнали.

Внешний Вид Гравитационных Пращей

Хотя Крис решил не показывать ни одной гравитационной пращи в Интерстелларе , я задался вопросом, как бы они выглядели для Купера, когда он вел Рэйнжер к планете Миллера. Так что я воспользовался своими уравнениями и Mathematica для моделирования изображений. (У моих изображений разрешение намного ниже, чем у изображений Оливера и Евгении из-за медленности моего кода.)

На рисунке 8.7 показан ряд изображений, видимых с Рэйнжера Купера, когда он прокачивается вокруг черной дыры средней массы (ЧДСМ), чтобы начать спуск к планете Миллера - в моем научном толковании Интерстеллара . Это праща, описанная на рисунке 7.2.

Рис 8.7. Гравитационная праща вокруг ЧДСМ на фоне Гаргантюа [Моя собственная модель и визуализация.]

На верхнем изображении Гаргантюа находится сзади, а ЧДСМ проходит перед ней. ЧДСМ захватывает лучи света от далеких звезд, направленные к Гаргантюа, прокручивает их вокруг себя и выбрасывает к камере. Это объясняет бублик из звездного света, окружающий тень ЧДСМ. Хотя ЧДСМ в тысячу раз меньше Гаргантюа, она намного ближе к Рэйнжеру, чем Гаргантюа, так что выглядит лишь умеренно меньше.

По мере того, как для движущейся по праще камеры ЧДСМ уходит вправо, она оставляет за собой первичную тень Гаргантюа (средняя картинка на рисунке 8.7), и выталкивает перед собой вторичное изображение тени Гаргантюа. Эти два изображения совершенно аналогичны первичному и вторичному изображению звезды, преломленной гравитационной линзой черной дыры; но теперь линза ЧДСМ преломляет тень Гаргантюа. На нижней картинке размер вторичной тени сокращается по мере того, как ЧДСМ движется дальше. К этому моменту гравитационная праща почти завершена, и камера на борту Рэйнжера устремляется вниз, к планете Миллера.

Какими бы впечатляющими ни были эти изображения, их можно увидеть только вплотную к ЧДСМ и Гаргантюа, а не с огромного расстояния до Земли. Для земных астрономов наиболее впечатляющие оптические эффекты гигантских черных дыр - это торчащие из них джеты и свет сверкающего диска газа на их орбите. К ним мы сейчас обратимся.