Nel film, intrepidi esploratori utilizzano un wormhole vicino all'orbita di Saturno per entrare in un altro sistema planetario. Allo spettatore viene mostrato che un “wormhole” è un tunnel spazio-temporale attraverso il quale le persone possono percorrere quasi istantaneamente grandi distanze.
Se fori un pezzo di carta - l'Universo immaginario - alle estremità diverse, e poi lo pieghi in modo che i due fori siano uno di fronte all'altro, otterrai lo stesso wormhole.
Ma è possibile viaggiare istantaneamente tra due punti distanti?
Professor Barstow:
Non credo che i wormhole esistano davvero. Questo è qualcosa uscito dalla fantascienza. Non esiste alcuna prova diretta dell'esistenza di tali cose nell'Universo. Sappiamo cosa sono i buchi neri, ma stiamo appena iniziando a esplorare la possibilità della curvatura dello spazio-tempo.
Lee Billings:
Spero davvero che ci siano wormhole nello spazio attraverso i quali puoi viaggiare in cinque dimensioni. Ma non abbiamo idea se esistano wormhole stabili su scala macroscopica. Sembra che sia molto più facile viaggiare alla vecchia maniera senza fare affidamento su un miracolo; Forse le vele solari aiuteranno in questa materia. E non c'è bisogno di correre da nessuna parte.
Non puoi sopravvivere se cadi in un buco nero
In uno degli episodi chiave del film, uno dei personaggi principali, lasciando un'astronave, cade in un buco nero e poi ne esce. Ma è possibile sopravvivere se si cade in un buco nero?
NO. Il campo gravitazionale di un buco nero è estremamente intenso e cambia molto rapidamente. Tutto ciò che vi entra viene allungato per gravità e diventa come una pasta lunga e sottile. Pertanto, tutto ciò che cade in un buco nero non ha alcuna possibilità di sopravvivere. È anche impossibile trasmettere segnali da lì.
Lee Billings:
Avvicinare il disco di accrescimento attorno a un buco nero supermassiccio, come mostrato nel film, è una pessima idea. È un grande malinteso ritenere che la potente radiazione proveniente dal materiale caldo gli consenta di scivolare lungo l'orizzonte degli eventi e di non sciogliersi. Anche i pianeti abitabili sono presentati diversamente qui.
È possibile entrare nell'orbita di un buco nero?
L'eroe del film usa l'orbita di un buco nero per raggiungere uno degli esopianeti. È possibile?
Puoi orbitare attorno a un buco nero finché non ti avvicini molto ad esso. L'astronomia ci mostra molti sistemi in orbita attorno a un buco nero. E, di regola, questi sono sistemi con stelle. Puoi vederli solo se ti trovi all'interno dell'orizzonte degli eventi.
Se ci sono pianeti attorno a un buco nero, probabilmente non sono adatti alla vita.
I ricercatori nel film visitano un sistema planetario che non solo è vicino a un buco nero, ma ha anche pianeti potenzialmente abitabili.
Niente impedisce ai pianeti di orbitare attorno a un buco nero, anche se non esistono ancora esempi del genere. Il problema è la stabilità di tali sistemi planetari. Qualsiasi sistema planetario vicino a un buco nero rischia di essere consumato.
Lee Billings:
Penso che Interstellar sia un film per fisici, non per scienziati planetari. Ci sono molte incongruenze nel film legate ai pianeti.
Sulla “singolarità facile”
L'eroe del film dice che all'interno del buco nero c'è solo una “luce”, che può spiegare alcuni eventi nel sistema planetario che i ricercatori stanno visitando. Ma esiste una “singolarità facile”?
La cosa importante è che i buchi neri possono avere masse diverse. La singolarità è il centro del buco nero. Ma esiste il concetto secondo cui tutti i buchi neri hanno una massa finita che non scompare nello spazio. Li rileviamo effettivamente in questo modo: la massa influenza il materiale circostante.
Matt Kaplan:
Sappiamo poco dei processi vicino a un buco nero. Nessuno sa cosa si nasconde oltre l’orizzonte degli eventi. Per ora ci affidiamo solo alla teoria.
Il processo di invecchiamento dovuto alla dilatazione del tempo viene mostrato accuratamente
Gli astronauti invecchiano molto più lentamente rispetto ai loro colleghi sulla Terra a causa degli effetti della dilatazione del tempo. Secondo la teoria, le persone che viaggiano a velocità vicine a quella della luce rallentano il tempo. C'è una conferma sperimentale di ciò.
Questo è ben noto. La teoria della relatività di Einstein afferma che le persone che viaggiano a velocità diverse percepiscono il tempo in modo diverso. Ad esempio, gli astronauti che volarono sulla Luna invecchiarono leggermente meno di quelli che rimasero sulla Terra, anche se questo era appena percettibile. Ma se raggiungi velocità vicine a quella della luce, cosa abbastanza difficile da fare, la differenza sarà visibile.
Puoi credere nella gravità artificiale sullo Space Shuttle Endurance, ma non nel suo fantastico motore
Secondo gli esperti, l'Endurance sembrava abbastanza realistica. Ma la facilità con cui la navicella spaziale atterrava e si sollevava dalla superficie dei pianeti era considerata da loro non plausibile.
Lee Billings:
Dal punto di vista della gravità artificiale, che impedisce la distruzione delle ossa in assenza di gravità, Endurance sembra abbastanza plausibile. Dubbi sollevano il sistema di propulsione, che ha permesso di ignorare l'influenza delle forze gravitazionali dei pianeti, a seguito della quale gli astronauti invecchiano di dieci anni in un'ora.
Matt Kaplan:
Penso che per una storia così grande, alcune cose possano essere trascurate.
L'universo è pieno di molti misteri. La struttura e le caratteristiche di vari oggetti e la possibilità di viaggi interplanetari attirano l'attenzione non solo degli scienziati, ma anche degli appassionati di fantascienza. Naturalmente, l'attrattiva maggiore è ciò che ha proprietà uniche e che, a causa di varie circostanze, non è stato sufficientemente studiato. Tali oggetti includono i buchi neri.
I buchi neri hanno densità molto elevate e forze gravitazionali incredibilmente forti. Neppure i raggi di luce possono sfuggirgli. Questo è il motivo per cui gli scienziati possono “vedere” un buco nero solo grazie all’effetto che ha sullo spazio circostante. Nelle immediate vicinanze di un buco nero la materia diventa calda e si muove ad altissima velocità. Questo materiale gassoso è chiamato disco di accrescimento, che appare come una nuvola piatta e luminosa. Gli scienziati osservano la radiazione di raggi X proveniente dal disco di accrescimento utilizzando telescopi a raggi X. Registrano anche l'enorme velocità di movimento delle stelle nelle loro orbite, che si verifica a causa dell'elevata gravità di un oggetto invisibile di massa enorme. Gli astronomi distinguono tre classi di buchi neri:
Buchi neri con massa stellare
Buchi neri con massa intermedia,
Buchi neri supermassicci.
Si ritiene che una stella abbia una massa compresa tra tre e cento masse solari. I buchi neri con masse da centinaia di migliaia a diversi miliardi di masse solari sono chiamati supermassicci. Di solito si trovano al centro delle galassie.
La seconda velocità di fuga o velocità di fuga è il minimo che bisogna raggiungere per vincere l'attrazione gravitazionale e andare oltre l'orbita di un dato corpo celeste. Per la Terra, la velocità di fuga è di undici chilometri al secondo, e per un buco nero è di più di trecentomila, tanta è la sua gravità! 
Il confine di un buco nero è chiamato orizzonte degli eventi. Un oggetto una volta al suo interno non può più uscire da quest'area. La dimensione dell'orizzonte degli eventi è proporzionale alla massa del buco nero. Per mostrare quanto sia enorme la densità dei buchi neri, gli scienziati forniscono le seguenti cifre: un buco nero con una massa 10 volte maggiore di quella del Sole avrebbe un diametro di circa 60 km, e un buco nero con la massa della nostra Terra sarebbe solo 2 cm Ma questi sono solo calcoli teorici, poiché gli scienziati non hanno ancora identificato i buchi neri che non hanno raggiunto le tre masse solari. Tutto ciò che entra nella regione dell'orizzonte degli eventi si muove verso la singolarità. Una singolarità, per dirla semplicemente, è un luogo in cui la densità tende all'infinito. È impossibile tracciare una linea geodetica che vi entri attraverso una singolarità gravitazionale. Un buco nero è caratterizzato da una curvatura della struttura dello spazio e del tempo. Una linea retta, che in fisica rappresenta il percorso della luce nel vuoto, diventa curva in prossimità di un buco nero. Quali leggi fisiche agiscono vicino al punto di singolarità e direttamente al suo interno è ancora sconosciuto. Alcuni ricercatori, ad esempio, parlano della presenza dei cosiddetti wormhole, ovvero tunnel spazio-temporali, nei buchi neri. Ma non tutti gli scienziati sono d’accordo nell’ammettere l’esistenza di tali tunnel.
Il tema dei viaggi spaziali e dei tunnel spazio-temporali funge da fonte di ispirazione per scrittori, sceneggiatori e registi di fantascienza. Nel 2014 è stato presentato in anteprima il film Interstellar. Un intero gruppo di scienziati ha lavorato alla sua creazione. Il loro leader era il famoso scienziato, specialista nel campo della teoria della gravità e dell'astrofisica, Kip Stephen Thorne. Questo film è considerato uno dei più scientifici tra i film di fantascienza e, di conseguenza, gli vengono poste elevate esigenze. Si è discusso molto sulla misura in cui i vari aspetti del film corrispondono a fatti scientifici. È stato addirittura pubblicato un libro, “The Science of Interstellar”, in cui il professor Stephen Thorne spiega varie scene del film da un punto di vista scientifico. Ha detto che gran parte del film si basa sia su fatti scientifici che su presupposti scientifici. Esiste però anche la semplice finzione artistica. Ad esempio, il buco nero Gargantua è rappresentato come un disco luminoso che si piega attorno alla luce. Ciò non è in contrasto con la conoscenza scientifica, perché... Non è il buco nero stesso ad essere visibile, ma solo il disco di accrescimento, e la luce non può viaggiare in linea retta a causa della potente gravità e della curvatura dello spazio.
Il buco nero di Gargantua contiene un wormhole, che è un wormhole o tunnel attraverso lo spazio e il tempo. La presenza di tali tunnel nei buchi neri è solo un presupposto scientifico, con il quale molti scienziati non sono d'accordo. È una fantasia artistica poter viaggiare attraverso un tunnel del genere e tornare indietro.
Il buco nero di Gargantua è una fantasia dei creatori di Interstellar, che corrisponde in gran parte a oggetti spaziali reali. Pertanto, per i critici particolarmente accaniti, vorrei ricordare che il film è, dopo tutto, fantascienza e non scienza popolare. Mostra la bellezza e la grandezza del mondo che ci circonda e ci ricorda quanti problemi irrisolti abbiamo ancora. E pretendere che un film di fantascienza rifletta accuratamente fatti scientificamente provati è alquanto ingiusto e ingenuo.
Cercherò di rispondere ad alcune domande che gli spettatori hanno sul film.
1) Perché nel film il buco nero di Gargantua appare così?
Il film Interstellar è il primo lungometraggio nella storia del cinema a visualizzare un buco nero sulla base di un modello fisico e matematico. La simulazione è stata effettuata da un team di 30 persone (il dipartimento degli effetti visivi di Paul Franklin) in collaborazione con Kip Thorne, fisico teorico di fama mondiale noto per il suo lavoro nella teoria della gravità, nell'astrofisica e nella teoria della misurazione quantistica. Sono state spese circa 100 ore su un frame e in totale sul modello sono stati spesi circa 800 terabyte di dati.
Thorne non solo creò un modello matematico, ma scrisse anche un software specializzato (CGI), che permise di costruire un modello di visualizzazione computerizzata.
Ecco cosa ha inventato Thorne:
Naturalmente è giusto chiedersi: la simulazione di Thorne è la prima nella storia della scienza? E l'immagine di Thorne è qualcosa di mai visto prima nella letteratura scientifica? Ovviamente no.
Jean Pierre Luminet dell'Osservatorio Paris-Mudon, Dipartimento di Astrofisica e Cosmologia Relativistica, rinomato a livello internazionale anche per il suo lavoro nel campo dei buchi neri e della cosmologia, è uno dei primi scienziati a immaginare un buco nero utilizzando la simulazione al computer. Nel 1987 è stato pubblicato il suo libro “Black Holes: A Popular Introduction” dove scrive:
“Le prime immagini computerizzate di un buco nero circondato da un disco di accrescimento sono state ottenute da me (Luminet, J.-P. (1979): Astron. Astrophys.). Calcoli più raffinati furono effettuati da Marck (Marck, J.-A. (1993): Class. Quantum Grav) sia per la metrica di Schwarzschild che per il caso di un buco nero rotante. Immagini plausibili - cioè calcolate tenendo conto della curvatura dello spazio, del redshift e delle proprietà fisiche del disco - possono essere ottenute per un punto arbitrario, anche situato all'interno dell'orizzonte degli eventi. È stato anche creato un filmato che mostra come queste distorsioni cambiano mentre ci si muove lungo una traiettoria temporale attorno a un buco nero (Delesalle, Lachieze-Rey e Luminet, 1993). Il disegno è uno dei suoi fotogrammi per il caso di movimento lungo una traiettoria parabolica sospesa"
Spiegazione del motivo per cui l'immagine risulta in questo modo:
“A causa della curvatura dello spazio-tempo in prossimità del buco nero, l’immagine del sistema differisce significativamente dalle ellissi che vedremmo se sostituissimo il buco nero con un normale corpo celeste di piccola massa. Il lato superiore del disco forma un'immagine diretta e, a causa della forte distorsione, vediamo "L'intero disco (il buco nero non ci nasconde le parti del disco dietro di esso). Anche la parte inferiore del disco è visibile a causa di la significativa flessione dei raggi luminosi."
L'immagine di Lumine ricorda sorprendentemente il risultato di Thorne, ottenuto più di 30 anni dopo il lavoro del francese!
Perché in altre numerose visualizzazioni: sia negli articoli che nei film scientifici popolari, un buco nero può spesso essere visto in modo completamente diverso? La risposta è semplice: il "disegno" al computer di un buco nero basato su un modello matematico è un processo molto complesso e dispendioso in termini di tempo che spesso non rientra in budget modesti, quindi gli autori molto spesso si accontentano del lavoro di un designer piuttosto che un fisico.
2) Perché il disco di accrescimento di Gargantua non è così spettacolare come si può vedere in numerose immagini e film scientifici popolari? Perché il buco nero non potrebbe essere mostrato più luminoso e più impressionante?
Combinerò questa domanda con la seguente:
3) È noto che il disco di accrescimento di un buco nero è una sorgente di radiazione molto intensa. Gli astronauti semplicemente morirebbero se si avvicinassero al buco nero.
E infatti lo è. I buchi neri sono i motori delle fonti di radiazione più luminose e ad alta energia nell’Universo. Secondo i concetti moderni, il cuore dei quasar, che a volte brillano più luminosi di centinaia di galassie messe insieme, è un buco nero. Con la sua gravità attrae enormi masse di materia, costringendola a comprimersi in una piccola area sotto una pressione inimmaginabilmente elevata. Questa sostanza si riscalda, al suo interno si verificano reazioni nucleari che emettono potenti raggi X e radiazioni gamma.
Ecco come viene spesso disegnato il classico disco di accrescimento del buco nero:
Se Gargantua fosse così, un simile disco di accrescimento ucciderebbe gli astronauti con le sue radiazioni. L'accrescimento nel buco nero di Thorne non è così denso e massiccio; secondo il suo modello, la temperatura del disco non è superiore a quella della superficie del Sole. Ciò è in gran parte dovuto al fatto che Gargantua è un buco nero supermassiccio, del peso di almeno 100 milioni di masse solari, con un raggio di un'unità astronomica.
Questo non è solo un buco nero supermassiccio, ma ultramassiccio. Anche il buco nero al centro della Via Lattea ha, secondo varie stime, una massa di 4-4,5 milioni di masse solari.
Anche se Gargantua è ben lungi dall'essere un detentore del record. Ad esempio, il buco nella galassia NGC 1277 ha la massa di 17 miliardi di soli.
L’idea di immaginare un simile esperimento, in cui le persone esplorano un buco nero, infastidisce Thorne dagli anni ’80. Già nel suo libro “Buchi neri e pieghe del tempo. The Audacious Legacy of Einstein, pubblicato nel 1990, Thorne esamina un ipotetico modello di viaggio interstellare in cui i ricercatori studiano i buchi neri, volendo avvicinarsi il più possibile all'orizzonte degli eventi per comprenderne meglio le proprietà.
I ricercatori iniziano con un piccolo buco nero. Non è affatto adatto a loro perché le forze di marea che crea sono troppo grandi e pericolose per la vita. Cambiano l'oggetto di studio in un buco nero più massiccio. Ma neanche lei li soddisfa. Infine, si dirigono verso il gigante Gargantua.
Gargantua si trova vicino al quasar 3C273 - che permette di confrontare le proprietà dei due buchi.
Osservandoli, i ricercatori si chiedono:
"La differenza tra Gargantua e 3C273 sembra sorprendente: perché Garnatua, mille volte la sua massa e dimensione, non ha una ciambella rotonda di gas e giganteschi getti quasar?"
Il disco di accrescimento di Gargantua è relativamente freddo, non massiccio e non emette tanta energia quanto un quasar. Perché?
"Dopo la ricerca al telescopio, Bret trova la risposta: ogni pochi mesi, una stella nell'orbita del buco centrale 3C273 si avvicina all'orizzonte e viene fatta a pezzi dalle forze di marea del buco nero. I resti della stella, con un massa di circa 1 massa solare, vengono schizzati in prossimità del buco nero. Gradualmente, l'attrito interno spinge il gas spruzzato all'interno. Questo gas fresco compensa il gas che la ciambella fornisce costantemente al buco e ai getti, quindi la ciambella e i getti mantengono le loro riserve di gas e continuano a brillare.
Bret spiega che le stelle possono avvicinarsi a Gargantua. Ma poiché Gargantua è molto più grande di 3C273, le sue forze di marea sopra l’orizzonte degli eventi sono troppo deboli per fare a pezzi la stella. Gargantua inghiotte le stelle intere senza schizzare le loro viscere nella ciambella circostante. E senza la ciambella, Gargantua non può creare getti e altre caratteristiche del quasar."
Affinché attorno a un buco nero esista un disco radiante massiccio, deve esserci un materiale da costruzione da cui può formarsi. In un quasar, queste sono dense nubi di gas molto vicine al buco nero della stella. Ecco il modello classico per la formazione di un disco di accrescimento:
In Interstellar, è chiaro che semplicemente non c’è nulla da cui possa emergere un enorme disco di accrescimento. Nel sistema non ci sono nubi dense o stelle vicine. Se c'era qualcosa, era stato tutto mangiato molto tempo fa.
L’unica cosa di cui Gargantua si accontenta sono le nubi di gas interstellare a bassa densità, che creano un disco di accrescimento debole, “a bassa temperatura” che non si irradia così intensamente come i dischi classici nei quasar o nei sistemi binari. Pertanto, la radiazione proveniente dal disco di Gargantua non ucciderà gli astronauti.
Thorne scrive in The Science of Interstellar:
"Un tipico disco di accrescimento ha un'emissione di raggi X, raggi gamma e radio molto intensa. Così forte che friggerà qualsiasi astronauta che decida di trovarsi nelle vicinanze. Il disco di Gargantua mostrato nel film è un disco estremamente debole. "Debole" - non secondo gli standard umani, ovviamente, ma secondo gli standard dei tipici quasar: invece di essere riscaldato a centinaia di milioni di gradi, come vengono riscaldati i dischi di accrescimento dei quasar, il disco di Gargantua viene riscaldato solo di poche migliaia di gradi, più o meno come la superficie del Sole. Emette molta luce, ma non emette quasi raggi X o raggi gamma. Tali dischi possono esistere nelle ultime fasi dell'evoluzione dei buchi neri. Pertanto, il disco di Gargantua è molto diverso dal immagine che puoi spesso vedere su varie risorse di astrofisica popolari."
Kip Thorne è l'unico a suggerire l'esistenza di dischi freddi di accrescimento attorno ai buchi neri? Ovviamente no.
I dischi freddi di accrescimento dei buchi neri sono studiati da molto tempo nella letteratura scientifica:
Secondo alcuni dati, il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea, Sagittarius A* (Sgr A*), ha proprio lo stesso disco di accrescimento freddo:
Potrebbe esistere un buco nero inattivo attorno al nostro buco nero centrale. disco di accrescimento freddo, residuo (a causa della bassa viscosità) dalla “turbolenta gioventù” di Sgr A*, quando il tasso di accrescimento era elevato. Ora questo disco “aspira” il gas caldo, impedendogli di cadere nel buco nero: il gas si deposita nel disco a distanze relativamente grandi dal buco nero.
(c) Stelle vicine e disco di accrescimento inattivo in Sgr A∗: eclissi e brillamenti
Sergei Nayakshin1 e Rashid Sunyaev. // 1. Max-Planck-Institut für Astrofisica, Karl-Schwarzschild-Str. Garching, Germania 2. Istituto di ricerca spaziale, Mosca, Russi
O Cygnus X-1:
È stata eseguita un'analisi spettrale e temporale di un gran numero di osservazioni da parte dell'osservatorio RXTE dei buchi neri in accrescimento Cygnus X-1, GX339-4 e GS1354-644 in uno stato spettrale basso durante il periodo 1996-1998. Per tutte e tre le sorgenti è stata trovata una correlazione tra le frequenze caratteristiche della variabilità caotica e i parametri spettrali: la pendenza dello spettro della radiazione Comptonizzata e l'ampiezza relativa della componente riflessa. La relazione tra l'ampiezza della componente riflessa e la pendenza dello spettro di Comptonizzazione mostra che il mezzo riflettente ( disco di accrescimento freddo) è il principale fornitore di fotoni molli nel campo della Comptonizzazione.
(c) Rapporto alla conferenza dell'organizzazione SPIE "Astronomical Telescopes and Instrumentation", 21-31 marzo 2000, Monaco, Germania
Interazione tra stelle e un Disco di accrescimento inattivo in un nucleo galattico // Vladimır Karas. Istituto Astronomico, Accademia delle Scienze, Praga, Repubblica Ceca e
(c) Università Carolina, Facoltà di Matematica e Fisica, Praga, Repubblica Ceca // Ladislav Subr. Charles University, Facoltà di Matematica e Fisica, Praga, Repubblica Ceca
I buchi neri silenziosi sono simili al buco nella nebulosa di Andromeda, uno dei primi buchi neri supermassicci scoperti. La sua massa è di circa 140 milioni di masse solari. Ma l'hanno trovato non grazie a una forte radiazione, ma al caratteristico movimento delle stelle attorno a quest'area. I nuclei di tali galassie non possiedono un’intensa radiazione “quasar”. E gli astrofisici sono giunti alla conclusione che la materia semplicemente non cade in questo buco nero. Questa situazione è tipica delle galassie “tranquille”, come la Nebulosa di Andromeda e la Via Lattea.
Le galassie con buchi neri attivi sono chiamate galassie attive, o galassie di Seyfert. Le galassie di Seyfert rappresentano circa l'1% di tutte le galassie a spirale osservate.
Il modo in cui è stato trovato un buco nero supermassiccio nella Nebulosa di Andromeda è ben mostrato nel popolare film scientifico della BBC “Supermassive Black Holes”.
4) È noto che i buchi neri hanno forze di marea mortali. Non farebbero a pezzi sia gli astronauti che il pianeta di Miller, che nel film è troppo vicino all'orizzonte degli eventi?
Anche la laconica Wikipedia scrive di un'importante proprietà del buco nero supermassiccio:
“Le forze di marea vicino all’orizzonte degli eventi sono significativamente più deboli a causa del fatto che la singolarità centrale si trova così lontano dall’orizzonte che un ipotetico astronauta in viaggio verso il centro di un buco nero non sentirebbe gli effetti delle forze di marea estreme finché non sarà molto in profondità».
Tutte le fonti scientifiche e popolari che descrivono le proprietà dei buchi neri supermassicci concordano con questo.
La posizione del punto in cui le forze di marea raggiungono una grandezza tale da distruggere un oggetto che cade lì dipende dalla dimensione del buco nero. Per i buchi neri supermassicci, come quelli situati al centro della Galassia, questo punto si trova all'interno del loro orizzonte degli eventi, quindi un ipotetico astronauta può attraversare il loro orizzonte degli eventi senza notare alcuna deformazione, ma dopo aver attraversato l'orizzonte degli eventi, la sua caduta verso il centro del buco nero è inevitabile. Per i piccoli buchi neri, il cui raggio di Schwarzschild è molto più vicino alla singolarità, le forze di marea uccideranno l'astronauta prima che raggiunga l'orizzonte degli eventi
(c) Buchi neri di Schwarzschild // Relatività generale: un'introduzione per i fisici. - Cambridge University Press, 2006. - P. 265. - ISBN 0-521-82951-8.
Naturalmente, la massa di Gargantua è stata scelta in modo che gli astronauti non venissero dilaniati dalle maree.
Vale la pena notare che Gargantua di Thorne del 1990 è un po' più massiccio che in Interstellar:
“I calcoli hanno dimostrato che più grande è il buco, minore è la spinta necessaria al razzo per mantenerlo su una circonferenza di 1,0001 orizzonte degli eventi. Per una spinta dolorosa ma tollerabile di 10 g terrestri, la massa del buco deve essere di 15 trilioni di masse solari. Il più vicino di questi buchi si chiama Gargantua, situato a 100.000 anni luce dalla nostra galassia e a 100 milioni di anni luce dall’ammasso di galassie della Vergine attorno al quale orbita la Via Lattea. Si trova infatti nei pressi del quasar 3C273, a 2 miliardi di anni luce dalla Via Lattea...
Entrando nell'orbita di Gargantua e facendo le consuete misurazioni, ci si convince che la sua massa è effettivamente pari a 15 trilioni di masse solari e che ruota molto lentamente. Da questi dati si calcola che la circonferenza del suo orizzonte è di 29 anni luce. Alla fine, calcola che si tratta di un buco, le cui vicinanze si possono esplorare, sperimentando le forze di marea e l'accelerazione consentite!"
Nel libro “The Science of Interstellar” del 2014, in cui Kip Thorne descrive gli aspetti scientifici del lavoro sul film, fornisce già una cifra di 100 milioni di masse solari, ma sottolineando che questa è la massa minima che una persona “a proprio agio” può hanno in relazione alle influenze delle maree, alle forze del buco nero.
5) Come può il pianeta di Miller esistere così vicino a un buco nero? Sarà distrutto dalle forze delle maree?
L'astronomo Phil Plaint, noto come "il cattivo astronomo" per il suo sfrenato scetticismo, semplicemente non riusciva a superare Interstellar. Inoltre, prima di ciò, aveva brutalmente distrutto molti film acclamati, ad esempio “Gravity”, con il suo scetticismo penetrante.
“Non vedevo l'ora che arrivasse Interstellar... Ma quello che ho visto è stato terribile. Questo è un completo fallimento. Davvero, davvero non mi è piaciuto.- scrive nel suo articolo del 6 novembre.
Phil dice che la parte scientifica del film è una totale stronzata. Il che, anche in un quadro ipotetico, non può corrispondere alle moderne idee scientifiche. Ha viaggiato soprattutto sul pianeta di Miller. Secondo lui, un pianeta può orbitare stabilmente attorno a un buco nero di questo tipo, ma la sua orbita deve essere almeno tre volte più grande della stessa Gargantua. L’orologio funzionerà più lentamente che sulla Terra, ma solo del 20%. La stabilità di un pianeta vicino a un buco nero, come mostrato nel film, è una fantasia impossibile. Inoltre, sarà completamente distrutto dalle forze di marea del buco nero.
Ma il 9 novembre Plaint appare con un nuovo articolo. La chiama Seguito: Mea Culpa interstellare. L'incomparabile critico scientifico ha deciso di pentirsi.
“Ho fatto di nuovo un pasticcio. Ma qualunque sia l’entità dei miei errori, cerco sempre di ammetterli. Alla fine, è la scienza stessa a costringerci ad ammettere i nostri errori e a imparare da essi!”
Phil Plaint ha ammesso di aver commesso degli errori nel suo modo di pensare e di essere giunto a conclusioni sbagliate:
“Nella mia recensione, ho parlato del pianeta di Miller in orbita vicino a un buco nero. Un'ora trascorsa sul pianeta equivale a sette anni terrestri. La mia tesi era che con una tale dilatazione del tempo, un’orbita planetaria stabile sarebbe impossibile.
E questo è vero... per un buco nero non rotante. Il mio errore è stato questo. che non ho usato le equazioni corrette per un buco nero che girava velocemente! Ciò cambia notevolmente l’immagine dello spazio-tempo vicino al buco nero. Ora capisco che potrebbe benissimo esistere un'orbita stabile di questo pianeta attorno a un buco nero, e così vicina all'orizzonte degli eventi che la dilatazione temporale indicata nel film è possibile. In generale, mi sbagliavo.
Nella mia analisi originale ho anche affermato che le maree gravitazionali avrebbero fatto a pezzi questo pianeta. Ho consultato un paio di astrofisici che hanno anche detto che le maree di Gargantua probabilmente distruggerebbero il pianeta, ma questo non è stato ancora confermato matematicamente. Stanno ancora lavorando per risolvere questo problema e non appena sarà risolto pubblicherò la soluzione. Io stesso non posso dire se ho avuto ragione o torto nella mia analisi - e anche se avessi ragione, le mie considerazioni si applicherebbero comunque solo a un buco nero non rotante, quindi non si applicano a questo caso.
Per risolvere un problema del genere è necessario discutere molti problemi matematici. Ma non so esattamente quanto fosse lontano il pianeta di Miller da Gargantua, quindi è molto difficile dire se le maree lo avrebbero distrutto o meno. Non ho ancora letto il libro del fisico e produttore esecutivo del film Kip Thorne "The Science of Interstellar" - penso che farà luce su questo problema.
Tuttavia, mi sbagliavo riguardo alla stabilità dell'orbita e ora ritengo necessario annullare questa lamentela sul film.
Quindi, per riassumere: l'immagine fisica mostrata nel film vicino a un buco nero è in realtà coerente con la scienza. Ho commesso un errore del quale mi scuso.
Ikjyot Singh Kohli, un fisico teorico dell'Università Yor, ha fornito soluzioni alle equazioni sulla sua pagina, dimostrando che l'esistenza del pianeta di Miller è del tutto possibile.
Ha trovato una soluzione in cui il pianeta esisterebbe nelle condizioni dimostrate nel film. Ma ha anche discusso il problema delle forze di marea, che presumibilmente dovrebbero fare a pezzi il pianeta. La sua soluzione mostra che le forze di marea sono troppo deboli per distruggerlo.
Ha anche dimostrato la presenza di onde giganti sulla superficie del pianeta.
I pensieri di Singh Kohli con esempi di equazioni sono qui:
Ecco come Miller Thorne mostra la posizione del pianeta nel suo libro:
Ci sono punti in cui l'orbita non sarà stabile. Ma Thorne ha anche trovato un’orbita stabile:
Le forze delle maree non distruggono il pianeta, ma lo deformano:
Se un pianeta ruota attorno a una fonte di forze di marea, queste cambieranno costantemente direzione, deformandola in modo diverso in diversi punti dell'orbita. In una posizione, il pianeta sarà appiattito da est a ovest e allungato da nord a sud. In un altro punto dell'orbita è compresso da nord a sud e allungato da est a ovest. Poiché la gravità di Gargantua è molto forte, le mutevoli deformazioni interne e l'attrito riscalderanno il pianeta, rendendolo molto caldo. Ma come abbiamo visto nel film, il pianeta di Miller appare molto diverso.
Pertanto, sarebbe giusto presumere che il pianeta sia sempre rivolto da un lato verso Gargantua. E questo è naturale per molti corpi che ruotano attorno a un oggetto gravitante più forte. Ad esempio, la nostra Luna, molti satelliti di Giove e Saturno sono sempre rivolti al pianeta con un solo lato.
Thorne ha sottolineato anche un altro punto importante:
“Se guardi il pianeta di Miller dal pianeta di Mann, puoi vedere come ruota attorno a Gargantua con un periodo orbitale di 1,7 ore, coprendo quasi un miliardo di chilometri durante questo periodo. È circa la metà della velocità della luce! A causa della dilatazione del tempo per l'equipaggio del Ranger, questo periodo è ridotto ad un decimo di secondo. È molto veloce! E non è molto più veloce della velocità della luce? No, perché nel sistema di segnalazione dello spazio in movimento simile a un vortice attorno a Gargantua, il pianeta si muove più lentamente della luce.
Nel mio modello scientifico del film, il pianeta è sempre rivolto verso il buco nero con un lato e ruota a una velocità vertiginosa. Le forze centrifughe faranno a pezzi il pianeta a causa di questa velocità? No: viene nuovamente salvata dal vortice rotante dello spazio. Il pianeta non sentirà le forze centrifughe distruttive, poiché lo spazio stesso ruota con esso alla stessa velocità."
6) Come sono possibili onde così gigantesche sulla superficie del pianeta di Miller?
Thorne risponde a questa domanda in questo modo:
“Ho fatto i calcoli fisici necessari e ho trovato due possibili interpretazioni scientifiche.
Entrambe queste soluzioni richiedono che la posizione dell'asse di rotazione del pianeta sia instabile. Il pianeta dovrebbe oscillare entro un certo intervallo, come mostrato nella figura. Ciò avviene sotto l'influenza della gravità di Gargantua.
Quando ho calcolato il periodo di questo dondolio, ho ottenuto un valore di circa un'ora. E questo ha coinciso con l'orario scelto da Chris, che non aveva ancora saputo della mia interpretazione scientifica!
Il mio secondo modello è uno tsunami. Le forze di marea di Gargantua possono deformare la crosta del pianeta di Miller, con lo stesso periodo (1 ora). Queste deformazioni possono creare terremoti molto forti. Possono causare tsunami che supereranno di gran lunga quelli mai visti sulla Terra."
7) Come sono possibili manovre così incredibili dell'Endurance e del Ranger nell'orbita di Gargantua?
1) L'Endurance si sta muovendo in un'orbita di parcheggio con un raggio pari a 10 volte il raggio di Gargantua, e l'equipaggio diretto a Miller si sta muovendo ad una velocità di C/3. Il pianeta di Miller si muove al 55% di C.
2) Il Ranger deve rallentare da C/3 per abbassare l'orbita e avvicinarsi a Miller Point. Rallenta fino a c/4, e arriva alla periferia del pianeta (ovviamente qui bisogna seguire calcoli rigorosi per arrivarci. Ma questo non è un problema per il computer)
Il meccanismo per un cambiamento così significativo di velocità è descritto da Thorne:
“Stelle e piccoli buchi neri ruotano attorno a buchi neri giganti, come Gargantua. Sono loro che possono creare le forze determinanti che devieranno il Ranger dalla sua orbita circolare e lo dirigeranno verso Gargantua. Una manovra gravitazionale simile viene spesso utilizzata dalla NASA nel sistema solare, sebbene utilizzi la gravità dei pianeti anziché quella di un buco nero. I dettagli di questa manovra non vengono rivelati in Interstellar, ma la manovra stessa viene menzionata quando si parla dell'uso di una stella di neutroni per rallentare la velocità."
Una stella di neutroni è mostrata da Thorne nella figura:
L'appuntamento con una stella di neutroni consente di modificare la velocità:
“Un simile approccio può essere molto pericoloso, ad es. Il ranger deve avvicinarsi abbastanza alla stella di neutroni (o al piccolo buco nero) per percepire una forte gravità. Se la stella frenante o il buco nero hanno un raggio inferiore a 10.000 km, le persone e il Ranger verranno dilaniati dalle forze delle maree. Pertanto, una stella di neutroni deve avere una dimensione di almeno 10.000 km.
Ho discusso questo problema con Nolan durante la produzione della sceneggiatura, suggerendo la scelta tra un buco nero o una stella di neutroni. Nolan ha scelto una stella di neutroni. Perché? Perché non voleva confondere il pubblico con due buchi neri”.
“I buchi neri, chiamati IMBH (Intermediate-Mass Black Holes), sono diecimila volte più piccoli di Gargantua, ma mille volte più pesanti dei normali buchi neri. Cooper ha bisogno di un deviatore del genere. Si ritiene che alcuni IMBH si formino negli ammassi globulari, mentre altri si trovano nei nuclei delle galassie, dove si trovano buchi neri giganti. L'esempio più vicino è la Nebulosa di Andromeda, la galassia più vicina a noi. Nascosto nel nucleo di Andromeda c'è un buco simile a Gargantua: circa 100 milioni di masse solari. Quando l'IMBH attraversa una regione con una densa popolazione stellare, l'effetto di “attrito dinamico” rallenta la velocità dell'IMBH, che cade sempre più in basso, avvicinandosi al gigantesco buco nero. Di conseguenza, IMBH si trova in prossimità di un buco nero supermassiccio. Pertanto, la natura avrebbe potuto benissimo fornire a Cooper una tale fonte di deflessione gravitazionale."
Per un'applicazione nella vita reale della "fionda gravitazionale", guarda l'esempio della navicella spaziale interplanetaria, ad esempio, controlla la storia dei Voyager.
La scienza
Il film visivamente accattivante Inresttellar, uscito di recente, si basa su concetti scientifici reali come buchi neri rotanti, wormhole e dilatazione del tempo.
Ma se non hai familiarità con questi concetti, potresti rimanere un po’ confuso durante la visione.
Nel film, una squadra di esploratori spaziali va a viaggio extragalattico attraverso un wormhole. D’altra parte, si ritrovano in un sistema solare diverso, con un buco nero rotante al posto di una stella.
Sono in una corsa contro lo spazio e il tempo per completare la loro missione. Questo tipo di viaggio spaziale può sembrare un po’ confuso, ma si basa su principi basilari della fisica.
Ecco i principali 5 concetti di fisica Cose che devi sapere per capire Interstellar:
Gravità artificiale
Il problema più grande che gli esseri umani affrontano durante i viaggi spaziali a lungo termine è assenza di gravità. Siamo nati sulla Terra e i nostri corpi si sono adattati a determinate condizioni gravitazionali, ma quando rimaniamo nello spazio per lungo tempo, i nostri muscoli iniziano a indebolirsi.
Anche gli eroi del film Interstellar affrontano questo problema.
Per far fronte a questo, gli scienziati stanno creando gravità artificiale nei veicoli spaziali. Un modo per farlo è far girare l'astronave, proprio come nel film. La rotazione crea una forza centrifuga che spinge gli oggetti verso le pareti esterne della nave. Questa repulsione è simile alla gravità, solo nella direzione opposta.
Questa è una forma di gravità artificiale che si sperimenta quando si percorre una curva di piccolo raggio e si ha la sensazione di essere spinti verso l'esterno, lontano dal punto centrale della curva. In un'astronave rotante, le pareti diventano il pavimento.
Buco nero rotante nello spazio
Gli astronomi, anche se indirettamente, hanno osservato il nostro Universo buchi neri rotanti. Nessuno sa cosa c'è al centro di un buco nero, ma gli scienziati gli hanno dato un nome...singolarità .
I buchi neri rotanti distorcono lo spazio attorno a loro in modo diverso rispetto ai buchi neri stazionari.
Questo processo di distorsione è chiamato “trascinamento del fotogramma inerziale” o effetto Lense-Thirring, e influenza l’aspetto del buco nero distorcendo lo spazio e, soprattutto, lo spazio-tempo attorno ad esso. Basta il buco nero che vedi nel filmmolto vicino al concetto scientifico.
- L'astronave Endurance si dirige verso Gargantua - buco nero supermassiccio immaginario con una massa 100 milioni di volte maggiore di quella del Sole.
- Dista 10 miliardi di anni luce dalla Terra e ha diversi pianeti che orbitano attorno ad essa. Gargantua ruota ad una sorprendente velocità pari al 99,8% della velocità della luce.
- Il disco di accrescimento di Garagantua contiene gas e polvere con la temperatura della superficie del Sole. Il disco fornisce luce e calore ai pianeti Gargantua.
L'aspetto complesso del buco nero nel film è dovuto al fatto che l'immagine del disco di accrescimento è distorta dalla lente gravitazionale. Nell'immagine compaiono due archi: uno formato sopra il buco nero e l'altro sotto di esso.
Foro della talpa
Il wormhole o wormhole utilizzato dall'equipaggio in Interstellar è uno dei fenomeni del film la cui esistenza non è stata dimostrata. È ipotetico, ma molto conveniente nelle trame delle storie di fantascienza in cui è necessario superare una grande distanza spaziale.
Solo i wormhole sono una specie di percorso più breve attraverso lo spazio. Qualsiasi oggetto dotato di massa crea un buco nello spazio, il che significa che lo spazio può essere allungato, deformato e persino piegato.
Un wormhole è come una piega nel tessuto dello spazio (e del tempo) che collega due regioni molto distanti, il che aiuta i viaggiatori spaziali percorrere una lunga distanza in un breve periodo di tempo.
Il nome ufficiale di un wormhole è “ponte Einstein-Rosen”, come fu proposto per la prima volta da Albert Einstein e dal suo collega Nathan Rosen nel 1935.
- Nei diagrammi 2D, l'imbocco di un wormhole è mostrato come un cerchio. Tuttavia, se potessimo vedere il wormhole, sembrerebbe una sfera.
- Sulla superficie della sfera sarebbe visibile una visione gravitazionalmente distorta dello spazio dall’altra parte del “buco”.
- Le dimensioni del wormhole nel film: 2 km di diametro e la distanza di trasferimento è di 10 miliardi di anni luce.
Dilatazione gravitazionale del tempo
La dilatazione gravitazionale del tempo è un fenomeno reale osservato sulla Terra. Sorge perché il tempo è relativo. Ciò significa che scorre in modo diverso per diversi sistemi di coordinate.
Quando ti trovi in un ambiente con forte gravità, il tempo scorre più lentamente per te rispetto alle persone in un ambiente gravitazionale debole.
Miracoli dal film del regista Cristoforo Nolan, basato su una sceneggiatura di Jonathan Nolan e del fisico teorico Kip Thorne, da una prospettiva scientifica.
Sì, Saturno è nostro!
Complotto "Interstellare" complicato ma logico. Il fisico Kip Thorne si è assicurato che le sciocchezze soprannaturali tipiche di Hollywood non offendessero gli spettatori che capiscono almeno qualcosa della scienza.
Se semplifichiamo tutto estremamente, allora questa è l'essenza che rimane: la Terra sta diventando sempre più inadatta alla vita, dobbiamo spostarci da qualche parte. E questa possibilità viene data. Si scopre che gli scienziati conducono da molti anni esperimenti segreti con il cosiddetto "wormhole" o "wormhole" - una sorta di passaggio nel tessuto dello spazio-tempo che collega luoghi nell'Universo distanti enormi distanze. Penetrando in un simile "buco" da un lato, puoi, di conseguenza, spostarti in questa vasta distanza. E dopo esserti allontanato dall'altro, torna indietro.
Gli astronauti, dopo essersi fatti strada attraverso un wormhole, finiscono su altri pianeti
Una tana è stata scoperta vicino a Saturno. E porta a tre pianeti che si trovano in un buco nero. È lì, su questi pianeti, che è diretta la spedizione, guidata dal contadino Cooper, che ha sofferto di tempeste di polvere. Con lui volano la figlia del professore che ha scoperto il “buco”, diversi altri scienziati e una coppia di robot. Il compito è trovare il pianeta più adatto all'insediamento.
Naturalmente lei finisce per essere l'ultima dei tre. Lungo il percorso, gli eroi affronteranno numerose avventure, battaglie, amore, tradimenti e disastri. E quasi un lieto fine. E il pubblico: grafica computerizzata straordinaria.
Il film è stato presentato in anteprima in Russia il 6 novembre. E chi è riuscito a guardare ha cominciato a discutere. Come i compagni di viaggio su un treno della canzone di Makarevich. Alcuni dicono che la trama è semplicemente fantasy, nemmeno scientifica. Altri sostengono che il film, sia nei piccoli dettagli che nel complesso, non contraddice le idee moderne degli scienziati. Allora chi ha ragione?
Questo buco è quello che dovrebbe essere
Il rimprovero principale: non esistono “wormhole”. E non può essere. Soprattutto all'interno del sistema solare.
In effetti, nessuno ha mai visto un singolo “wormhole”. Ma la loro esistenza non contraddice la teoria della relatività di Einstein.
Di solito si parla di “wormhole” in questo modo: dicono, immagina che lo spazio sia un foglio di carta. Per passare da un punto all'altro, devi superare, diciamo, 20 centimetri. Ma se pieghi il foglio, unisci i punti e fori la carta, attraverso il foro risultante puoi ritrovarti quasi immediatamente in un altro punto. Così è nell'Universo.
Un'altra domanda: quali sforzi energetici devono essere compiuti per realizzare effettivamente un tale buco di dimensioni adeguate e mantenerlo in uno stato “percorribile”? Uno sforzo colossale, troppo da gestire per l’umanità. Ma Kip Thorne ritiene che il compito sia tutt’altro che fantastico. Dal 1988 ha dimostrato che i wormhole possono essere aperti utilizzando una sorta di energia negativa.
E molti fisici lo sostengono. Affermano che sarà possibile, se non viaggiare con il loro aiuto, almeno trasmettere messaggi dal futuro al passato. Questo è normale nel film. Una cosa è sconvolgente: nessuno ha ancora idea di come ricevere praticamente questa energia molto negativa.
I "wormhole", come credono alcuni fisici, possono persino connettere diversi universi
È possibile che nell'Universo esistano già dei "wormhole" funzionanti, che si sono formati da soli a seguito di determinate fluttuazioni energetiche e quantistiche. Gli appassionati ritengono che tali oggetti possano essere trovati anche nel sistema solare. A proposito, cercarli è uno degli obiettivi del telescopio spaziale russo Radioastron.
E vivono in un tale buco...
Un'altra presunta assurdità del film: i pianeti in un buco nero. Quali pianeti potrebbero esserci?
Gli sceneggiatori sembravano aver acquisito familiarità con il lavoro di Vyacheslav Dokuchaev, professore, dottore in scienze fisiche e matematiche presso l'Istituto di ricerca nucleare dell'Accademia delle scienze russa. È stato lui a suggerire recentemente che potrebbero esserci pianeti all'interno dei buchi neri. E su di loro c'è vita intelligente. L'articolo dello scienziato su questo argomento si chiamava "C'è vita all'interno dei buchi neri?" (C'è vita all'interno dei buchi neri?)
Il professore dimostra: all'interno di alcuni buchi neri, soprattutto giganti, quando si combinano determinate condizioni, appare una zona in cui è possibile l'esistenza dello spazio e del tempo ordinari. E corpi massicci: i pianeti. Possono ruotare attorno a una regione centrale – la cosiddetta singolarità – in orbite chiuse molto complesse ma stabili. Come intorno al sole.
Inoltre, i pianeti situati nel buco sono in grado di ricevere luce e calore dai raggi luminosi e dall'energia della singolarità centrale, la regione dove lo spazio e il tempo diventano infiniti. Il film descrive esattamente questa situazione.
Secondo gli scienziati, il buco nero di Interstellar è il più corretto.
Dove, dove sei andato?!
Secondo la trama, il personaggio principale, salvando l'eroina - la figlia di un professore - lascia l'astronave e penetra personalmente nel buco nero, che nel film si chiama Gargantua. E rimane vivo.
Opinione degli scienziati: è qui che si vantavano gli sceneggiatori. Man mano che ci avviciniamo alla singolarità, qualsiasi oggetto vivente verrà fatto a pezzi dalle forze gravitazionali. Almeno questa è l’attuale comprensione dei buchi neri. Ma il buco stesso è mostrato in modo molto credibile nel film. Ancora una volta, se segui le teorie accettate. Molto convincente sembra un disco di accrescimento: una struttura luminosa risultante dalla caduta della materia in un enorme buco nero.
Anche le dimensioni extra non sono fantascienza. Il contadino Cooper, ad esempio, si ritrova in uno spazio a cinque dimensioni. E alcune teorie fisiche ne suggeriscono la presenza.
E anche i critici del film concordano sul fatto che gli autori hanno plausibilmente mostrato il cosiddetto “effetto gemello”. Questo è il momento in cui l'equipaggio di un veicolo spaziale in volo veloce trascorre, diciamo, un mese a bordo, ma per le persone rimaste sulla Terra passano decenni.
Nel film, il wormhole si trova vicino a Saturno
Conclusione degli esperti: il film "Interstellar" contiene più verità scientifica che pura finzione. E altre sciocchezze, per lo più melodrammatiche, che, ovviamente, esistono e possono essere tollerate.
Un wormhole un giorno potrebbe apparire ovunque. Un giorno, credono gli appassionati, vicino alla Terra apparirà un “buco”. E ci chiamerà in lontananza.
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