В фильме бесстрашные исследователи используют червоточину рядом с орбитой Сатурна, чтобы попасть в другую планетную систему. Зрителю показывается, что «кротовая нора» представляет собой пространственно-временной туннель, через который люди практически мгновенно могут перемещаться на огромные расстояния.
Если проткнуть лист бумаги – воображаемую Вселенную – в разных концах, а потом согнуть его, чтобы два отверстия оказались друг напротив друга, то получится та самая червоточина.
Но возможны ли мгновенные путешествия между двумя удаленными точками?
Профессор Барстоу:
Я не думаю, что «кротовые норы» действительно существуют. Это нечто из области научной фантастики. Нет прямых доказательств существования таких вещей во Вселенной. Мы знаем, что такое черные дыры, но возможность пространственно-временного искривления только начинаем изучать.
Ли Биллингс:
Очень хочется надеяться, что в космосе есть червоточины, через которые можно путешествовать в пяти измерениях. Но мы понятия не имеем, существуют ли стабильные червоточины в макроскопических масштабах. Похоже, что намного проще путешествовать по старинке, не полагаясь на чудо; возможно, в этом деле помогут солнечные паруса. И не нужно никуда торопиться.
Попав в черную дыру, нельзя выжить
В одном из ключевых эпизодов фильма один из главных героев, покидая космический корабль, падает в черную дыру, а затем выбирается из нее. Но можно ли выжить, попав в черную дыру?
Нет. Гравитационное поле черной дыры является чрезвычайно сильным и очень быстро меняется. Все, что попадает в нее, растягивается силой тяжести и становится похожим на длинные тонкие макароны. Поэтому у всего, что попадает в черную дыру, нет никаких шансов выжить. Передавать сигналы оттуда тоже нельзя.
Ли Биллингс:
Приближаться к аккреционному диску вокруг сверхмассивной черной дыры, как это было показано в фильме, очень плохая идея. Большое заблуждение, что мощное излучение от раскаленного материала позволит скользить по горизонту событий и не расплавиться. Обитаемые планеты здесь также представлены по-другому.
Можно ли выйти на орбиту черной дыры?
Герой фильма использует орбиту черной дыры, чтобы добраться до одной из экзопланет. Возможно ли это?
Вы можете вращаться вокруг черной дыры, пока не приблизитесь к ней на очень близкое расстояние. Астрономия демонстрирует нам множество систем на орбите вокруг черной дыры. И, как правило, это системы со звездами. Увидеть их можно, лишь оказавшись внутри горизонта событий.
Если вокруг черной дыры и существуют планеты, то они, вероятно, не пригодны для жизни
Исследователи в фильме посещают планетарную систему, которая не только находится рядом с черной дырой, но также имеет потенциально обитаемые планеты.
Ничто не запрещает планетам вращаться вокруг орбиты черной дыры, хотя таких примеров пока нет. Проблема в стабильности таких планетных систем. Любая планетная система рядом с черной дырой, вероятно, будет поглощена.
Ли Биллингс:
Я думаю, что «Интерстеллар» — это фильм для физиков, а не для планетологов. В фильме много нестыковок, связанных с планетами.
О «легкой сингулярности»
Герой фильма говорит, что внутри черной дыры есть только «легкая », которая может объяснить некоторые из событий в планетной системе, которую посещают исследователи. Но существует ли вообще такое понятие, как «легкая сингулярность»?
Важно то, что черные дыры могут иметь различные массы. Сингулярность – это центр черной дыры. Но существует понятие, что все черные дыры имеют конечную массу, которая не исчезает в пространстве. По ней мы собственно их и обнаруживаем – масса влияет на окружающий материал.
Мэтт Каплан:
Нам мало что известно о процессах рядом с черной дырой. Никто не знает, что находится за горизонтом событий. Пока мы полагаемся только на теорию.
Процесс старения из-за замедления времени показан точно
Астронавты стареют гораздо медленнее, чем их коллеги на Земле, благодаря воздействию замедления времени. Согласно теории, люди, путешествующие на скоростях, близких к скорости света, замедляют время. Этому есть экспериментальное подтверждение.
Об этом хорошо известно. Теория относительности, предложенная Эйнштейном, гласит, что люди, путешествующие на разных скоростях, чувствуют время по-разному. Например, астронавты, совершившие полет на Луну, постарели чуть меньше тех, кто остался на Земле, хотя это было едва заметно. Но если вы достигнете скорости, близкой к скорости света, что сделать довольно сложно, эта разница будет видна.
Можно поверить в искусственную гравитацию на космическом корабле «Эндюранс», но не в его фантастический двигатель
По мнению экспертов, «Эндюранс» выглядел достаточно реалистично. Но то, с какой простотой космический корабль садился на поверхность планет и поднимался с них, они сочли неправдоподобным.
Ли Биллингс:
С точки зрения искусственной гравитации, которая препятствует разрушению костей в условиях невесомости, «Эндюранс» выглядит вполне правдоподобно. Сомнения вызывает двигательная установка, которая позволяла игнорировать воздействие сил притяжения планет, в результате чего астронавты за час старели на десять лет.
Мэтт Каплан:
Я думаю, что для такой большой истории, как эта, на некоторые вещи можно закрыть глаза.
Вселенная таит в себе множество загадок. Строение и особенности различных , возможность межпланетных путешествий привлекают внимание не только ученых, но и любителей научной фантастики. Естественно, наибольшей привлекательностью обладает то, что имеет уникальные свойства, что, в силу разных обстоятельств, недостаточно исследовано. К подобным объектам относятся чёрные дыры.
Чёрные дыры обладают очень высокой плотностью и невероятно большой силой гравитации. Даже лучи света не могут вырваться из них. Именно поэтому учёные могут «увидеть» чёрную дыру только благодаря тому действию, которое она оказывает на окружающее пространство. В непосредственной близости от чёрной дыры вещество раскаляется и движется с очень большой скоростью. Это газообразное вещество называют аккреционным диском, который выглядит как плоское светящееся облако. Рентгеновское излучение аккреционного диска учёные наблюдают в рентгеновские телескопы. Также фиксируют огромную скорость движения звёзд по их орбитам, что происходит благодаря большой гравитации невидимого объекта огромной массы. Астрономы выделяют три класса чёрных дыр:
Чёрные дыры, имеющие звёздную массу,
Чёрные дыры с промежуточной массой,
Сверхмассивные чёрные дыры.
Звёздной считают массу от трех до ста солнечных масс. Сверхмассивными называют чёрные дыры, имеющие от сотен тысяч до нескольких миллиардов масс Солнца. Они находятся обычно в центре галактик.
Вторая космическая скорость или скорость убегания – это тот минимум, который необходимо достичь для преодоления гравитационного притяжения и выхода за пределы орбиты данного небесного тела. Для Земли скорость убегания равна одиннадцати километрам в секунду, а для чёрной дыры - это более трёхсот тысяч, вот насколько сильна её гравитация!
Границу чёрной дыры называют горизонтом событий. Объект, попавший внутрь него, уже не может покинуть эту область. Размер горизонта событий пропорционален массе чёрной дыры. Чтобы показать, насколько огромна плотность чёрных дыр, учёные приводят следующие цифры – чёрная дыра с массой, в 10 раз превосходящей солнечную, имела бы, примерно, 60 км в диаметре, а чёрная дыра с массой нашей Земли – всего лишь 2 см. Но это только теоретические расчеты, поскольку чёрных дыр, не достигших трёх солнечных масс, учёными ещё не выявлено. Всё, что входит в область горизонта событий, двигается по направлению к сингулярности. Сингулярность, если сказать упрощенно, - это место, где плотность стремится к бесконечности. Через гравитационную сингулярность нельзя провести входящую в неё геодезическую линию. Для чёрной дыры характерно искривление структуры пространства и времени. Прямая линия, которая в физике представляет собой путь движения света в вакууме, вблизи чёрной дыры становится кривой. Какие физические законы работают рядом с точкой сингулярности и непосредственно в ней, пока неизвестно. Некоторые исследователи, например, говорят о наличии так называемых червоточин, или пространственно-временных туннелей, в чёрных дырах. Но не все учёные согласны признать существование подобных туннелей-червоточин.
Тема космических путешествий, пространственно-временных туннелей служит источником вдохновения для писателей-фантастов, сценаристов и режиссеров. В 2014 году состоялась премьера фильма «Интерстеллар». Над его созданием работала целая группа учёных. Их руководителем стал известный учёный, специалист в области теории гравитации, астрофизики – Кип Стивен Торн. Этот фильм считают одним из самых научных среди фантастических кинокартин и, соответственно, предъявляют к нему высокие требования. Велись многочисленные споры о том, насколько различные моменты фильма соответствуют научным фактам. Была даже издана книга «Наука Интерстеллара», в которой профессор Стивен Торн объясняет с научной точки зрения различные эпизоды из фильма. Он говорил о том, что многое в киноленте основано как на научных фактах, так и на научных предположениях. Однако есть и просто художественный вымысел. Например, чёрная дыра Гаргантюа представлена в виде светящегося диска, который огибает свет. Это не расходится с научными знаниями, т.к. видна не сама чёрная дыра, а только аккреционный диск, а свет не может двигаться по прямой из-за мощной гравитации и искривления пространства.
В чёрной дыре Гаргантюа есть кротовая нора, представляющая собой червоточину или туннель, проходящий сквозь пространство и время. Наличие подобных туннелей в чёрных дырах - всего лишь научное предположение, с которым не согласны многие учёные. К художественному вымыслу относится возможность совершить путешествие по такому туннелю и вернуться назад.
Чёрная дыра Гаргантюа – это фантазия создателей «Интерстеллара», которая во многом соответствует реальным космическим объектам. Поэтому для особо яростных критиков хочется напомнить – фильм, всё же, научно-фантастический, а не научно-популярный. Он показывает красоту и величие мира, который нас окружает, напоминает о том, как много ещё нерешенных задач у . А требовать от фантастического фильма точного отражения научно доказанных фактов - несколько неправомерно и наивно.
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.
Наука
Недавно вышедший на экраны визуально-захватывающий фильм "Интрестеллар" основывается на реальных научных понятиях , таких как вращающиеся черные дыры, кротовые норы и расширение времени .
Но если вы не знакомы с этими понятиями, то возможно, слегка запутаетесь во время просмотра.
В фильме команда космических исследователей отправляется во внегалактическое путешествие сквозь кротовую нору . На другой стороне они попадают в иную Солнечную систему с вращающейся черной дырой вместо звезды.
Они находятся в гонке с пространством и временем, чтобы выполнить свою миссию. Такое космическое путешествие может показаться слегка запутанным, но оно основывается на основных принципах физики.
Вот основные 5 понятий физики , которые нужно знать, чтобы понять "Интерстеллар":
Искусственная гравитация
Самой большой проблемой, с которой сталкиваемся мы, люди, при длительных космических путешествиях, является невесомость . Мы родились на Земле, и наше тело приспособилось к определенным гравитационным условиям, но когда мы находимся в космосе длительное время, наши мышцы начинают ослабевать.
С этой проблемой сталкиваются и герои в фильме "Интерстеллар".
Чтобы справиться с этим, ученые создают искусственную гравитацию в космических кораблях . Одним из способов сделать это - раскрутить космический корабль, как в фильме. Вращение создает центробежную силу, которая отталкивает объекты к внешним стенкам корабля. Это отталкивание похоже на гравитацию, только в обратном направлении.
Такую форму искусственной гравитации вы испытываете, когда едете вокруг кривой малого радиуса и вам кажется, что вас отталкивает наружу, от центральной точки кривой. Во вращающемся космическом корабле стены для вас становятся полом.
Вращающаяся черная дыра в космосе
Астрономы, хотя и косвенно, наблюдали в нашей Вселенной вращающиеся черные дыры . Никто не знает, что находится в центре черной дыры, но у ученых есть для этого название – сингулярность .
Вращающиеся черные дыры искажают пространство вокруг себя по-иному в отличие от неподвижных черных дыр.
Этот процесс искажения называется "увлечение инерциальных систем отсчёта" или эффект Лензе-Тирринга, и оно влияет на то, как будет выглядеть черная дыра, искажая пространство, и что более важно пространство-время вокруг нее. Черная дыра, которую вы видите в фильме, достаточно сильно приближена к научному понятию .
- Космический корабль "Эндюранс" направляется к Гаргантюа - вымышленной сверхмассивной черной дыре массой в 100 миллион раз больше Солнца.
- Она находится на расстоянии 10 миллиардов световых лет от Земли, и вокруг нее вращается несколько планет. Гаргантюа вращается с поразительной скоростью 99,8 процентов от скорости света.
- Аккреционный диск Гарагантюа содержит газ и пыль с температурой поверхности Солнца. Диск снабжает планеты Гаргантюа светом и теплом.
Сложный вид черной дыры в фильме связан с тем, что изображение аккреционного диска искривлено гравитационным линзированием. На изображении появляется две дуги: одна образуется над черной дырой, а другая под ней.
Кротовая нора
Кротовая нора или червоточина, которую использует экипаж в "Интерстеллар" – это одно из явлений в фильме, существование которого не доказано . Она гипотетическая, но очень удобная в сюжетах научно-фантастических историй, где нужно преодолеть большое космическое расстояние.
Просто кротовые норы – это своего рода кратчайший путь сквозь пространство . Любой объект с массой создает норку в пространстве, что означает, что пространство можно растягивать, деформировать и даже складывать.
Червоточина - это как складка на ткани пространства (и времени), которая соединяет две очень далекие области, что помогает космическим путешественникам преодолеть большое расстояние за короткий период времени .
Официальное название кротовой норы – "мост Эйнштейна-Розена", так как впервые она была предложена Альбертом Эйнштейном и его коллегой Натаном Розеном в 1935 году.
- В двухмерных диаграммах устье кротовой норы показано в виде круга. Однако, если бы мы могли увидеть кротовую нору, она бы выглядела, как сфера.
- На поверхности сферы был бы виден гравитационно искаженный вид пространства с другой стороны "норы".
- Размеры кротовой норы в фильме: 2 км в диаметре и расстояние переноса - 10 миллиардов световых лет.
Гравитационное замедление времени
Гравитационное замедление времени – это реальное явление, наблюдаемое на Земле. Оно возникает потому, что время относительно . Это означает, что оно течет по-разному для различных систем координат.
Когда вы находитесь в сильной гравитационной среде, время течет медленнее для вас по сравнению с людьми, находящимися в слабой гравитационной среде.
Чудеса из фильма режиссера Кристофера Нолана , снятого по сценарию Джонатана Нолана и физика теоретика Кипа Торна, с точки зрения науки.
Да, Сатурн наш!
Сюжет "Интерстеллара" сложен, но логичен. Физик Кип Торн позаботился о том, чтобы сверхъестественная дурь, свойственная Голливуду, не коробила зрителей, хоть что-то понимающих в науке.
Если предельно все упростить, то вот какая суть останется: Земля все больше становится непригодной для жизни, надо куда-то переселяться. И такой шанс предоставляется. Ученые, оказывается, уже много лет проводят секретные эксперименты с так называемой "кротовой норой" или "червоточиной" - эдаким проходом в ткани пространства-времени, соединяющим места во Вселенной, отстоящие друг от друга на колоссальные расстояния. Проникая в такую "нору" с одной стороны, можно, соответственно переместиться в эту необозримую даль. А пробравшись с другой, вернуться обратно.
Астронавты, пробравшись сквозь "кротовую нору", попадают на другие планеты
Нора обнаружена у Сатурна. И ведет к трем планетам, которые расположены в черной дыре. Туда - к этим планетам - и направляется экспедиция, которую возглавляет фермер Купер, намучившийся от пыльных бурь. С ним летит дочь профессора, обнаружившего "нору", еще несколько ученых и пара роботов. Задача - найти планету, наиболее подходящую для заселения.
Естественно, она оказывается последней из трех. На пути к ней героев ждут многочисленные приключения, битвы, любовь, предательства, катастрофы. И почти счастливый конец. А зрителей - потрясающая компьютерная графика.
Премьера фильма в России состоялась 6 ноября. И вот успевшие посмотреть заспорили. Как попутчики в поезде из песни Макаревича. Одни говорят, что сюжет - просто фантастика, даже не научная. Другие уверяют, что фильм и в мелочах, и по большому счету не противоречит современным представлениям ученых. Так кто прав?
Эта нора - какая надо нора
Главный упрек: никаких "кротовых нор" нет. И быть не может. Особенно внутри Солнечной системы.
Действительно, никто и никогда еще не видел ни одной "кротовой норы". Но их существование не противоречит теории относительности Эйнштейна.
Обычно о "кротовых норах" рассказывают так: мол, представьте, что пространство это лист бумаги. Чтобы попасть из одной его точки в другую, нужно преодолеть, допустим, 20 сантиметров. Но если согнуть лист, совместить точки и проколоть бумагу, то сквозь образовавшуюся дыру можно почти мгновенно оказаться в другой точке. Так и во Вселенной.
Другой вопрос: какие энергетические усилия необходимо приложить, чтобы реально проделать такую нору подходящего размера и поддерживать ее в "проходимом" состоянии? Колоссальные усилия, неподъемные для человечества. Но Кип Торн верит, что задача отнюдь не фантастическая. С 1988 года он доказывает что "кротовые норы" можно открыть при помощи некой отрицательной энергии.
И многие физики его поддерживают. Уверяют, что можно будет, если уж не путешествовать с их помощью, то по крайне мере передавать сообщения из будущего в прошлое. В фильме это в порядке вещей. Огорчает одно: представлений о том, как практически получить эту самую отрицательную энергию ни у кого пока нет.
"Кротовые норы", как полагают некоторые физики, могут соединять даже разные Вселенные
Не исключено, что во Вселенной существуют уже работающие "кротовые норы", которые образовались сами по себе в результате неких энергетических и квантовых флуктуаций. Энтузиасты верят, что такие объекты можно найти даже в Солнечной системе. Кстати, их поиск - одна из целей российского космического телескопа "Радиоастрон".
А живут они в такой дыре…
Еще одна якобы несуразность фильма: планеты в черной дыре. Какие там могут быть планеты?
Сценаристы словно бы ознакомились с работой Вячеслава Докучаева - профессора, доктора физико-математических наук из Института ядерных исследований РАН. Это он не так давно предположил, что внутри черных дыр могут находиться планеты. А на них - разумная жизнь. Статья ученого на эту тему так и называлась "Is there life inside black holes?" (Есть ли жизнь внутри черных дыр?)
Профессор доказывает: внутри некоторых - особенно гигантских - черных дыр при сочетании определенных условий возникает зона, в которой возможно существование обычных пространства и времени. И массивных тел - планет. Они могут вращаться вокруг центральной области - так называемой сингулярности - по весьма сложным, но стабильным замкнутым орбитам. Словно бы вокруг Солнца.
Более того, планеты, находящиеся в дыре, способны получать свет и тепло из световых лучей и энергии центральной сингулярности - области, где пространство и время становятся бесконечными. В фильме как раз и обрисована примерно такая ситуация.
Как уверяют ученые, черная дыра из "Интерстеллара" - самая правильная.
Куда, куда вы провалились?!
По сюжету, главный герой, спасая героиню - дочку профессора - покидает космический корабль, лично проникает в черную дыру, которая в фильме названа Гаргантюа. И остается жив.
Мнение ученых: вот тут сценаристы прихвастнули. По мере приближения к сингулярности, любой живой объект будет разорван гравитационными силами. По крайней мере, таковы современные представления о черных дырах. Но сама дыра в фильме показана весьма правдоподобно. Опять же, если следовать признанным теориям. Очень убедительным выглядит аккреционный диск - светящаяся структура, возникающая в результате падения вещества в массивную черную дыру.
Дополнительные измерения тоже не фантастика. Фермер Купер, например, попадает в пространство с пятью измерениями. А некоторые физические теории предполагают наличие и большего их числа.
И даже критики фильма сходятся в том, что авторы правдоподобно показали так называемый "эффект близнецов". Это когда экипаж быстро летящего космического корабля проводит на борту, скажем, месяц, а для людей, оставшихся на Земле, проходят десятки лет.
В фильме "кротовая нора" расположена у Сатурна
Вывод экспертов: в фильме "Интерстеллар" больше научной правды, чем откровенной выдумки. А прочую - в основном мелодраматическую - чушь, которая, конечно же, имеется можно и потерпеть.
"Кротовая нора" однажды может возникнуть где угодно. Однажды, верят энтузиасты, "нора" появится у Земли. И позовет нас вдаль.
Подпишитесь на нас
