Черная дыра из интерстеллар: внутри черной дыры и тессеракта / Хабр

внутри черной дыры и тессеракта / Хабр

Меня зовут Андрей Колокольцев. По роду деятельности меня давно интересуют истории о том, как именитые режиссеры, продюсеры, студии справляются с созданием тех или иных визуальных картин. Для первой моей публикации я выбрал кинофильм, который стал для меня аудиовизуальным откровением и настоящим эмоциональным аттракционом (это при просмотре в кино на экране IMAX, дома на телевизоре теряется 2/3 впечатлений). Вы не подпрыгните от неожиданности, так как в названии уже все прочитали — это фильма Кристофера Нолана «Интерстеллар». Несмотря на то, что интерес к нему давно угас, я хотел бы представить Вашему вниманию вольный перевод оригинальной статьи Майка Сеймура «Interstellar: inside the black art» от 18 ноября, 2014 года. Эта статья рассказывает о том, как создавалась визуализация «Гаргантюа» и других сцен из фильма — думаю, это будет интересно читателям пусть даже спустя 1,5 года.

Режиссер Интерстеллара Кристофер Нолан объясняет Мэттью Макконахи основы квантовой физики суть сцены

Работники цеха спецэффектов и компьютерной графики очень часто сталкиваются с необходимостью создать визуализацию того, чего еще никто никогда не видел. К этому добавляется требование современной киноиндустрии, чтобы все это выглядело реально, даже несмотря на то, что, собственно, никто толком и не представляет, как это, вообще, может выглядеть. В фильме Кристофера Нолана «Интерстеллар», супервайзер спец.эффектов Пол Франклин и команда Double Negative должны были создать визуализацию вещей не из нашего измерения, при том при всем максимально приближенную не только к квантовой физике и релятивистской механике, но также и к нашему общему пониманию квантовой гравитации.

Стало удачей, что среди основной команды Double Negative был Оливер Джеймс, главный научный сотрудник с Оксфордским образованием в сфере оптики и атомной физики, а также глубоким понимание релятивистских законов Эйнштейна. Также как и Франклин, он работал с главным продюсером и научным консультантом Кипом Торном. 2, продолжая двигаться по круговой экваториальной орбите. Огромная тень от черной дыры искажается в прямоугольную форму из-за преобразования сверического изображения с камеры на плоский дисплей.

Эти ранние образы использовались в виде огромных картин для заднего фона снаружи корабля – таким образом, у актеров было, на что смотреть во время съемки. То есть не использовалось ни одного зеленого экрана, просто позже сотрудники Double Negative заменили используемые ранние образы конечными, подправив некоторые звездные скопления. «Большая часть кадров из-за плеча астронавтов, которые Вы видите в прокатной версии фильма», — отмечает Франклин, — «это реальная съемка. У нас было множество кадров, которые не вошли в общий список кадров с визуальными эффектами, хотя для их создания была проделана грандиозная работа.»

Эти «прямые» съемки на камеру стали возможны благодаря сотрудничеству Double Negative и доктора физических наук Хойте Ван Хойтема. Для подсветки полученных фоновых изображений использовались прожекторы, с совокупным световым потоком в 40 000 люмен за сцену.»

Та же самая симуляция только крупнее. Здесь отчетливо видна структура света звездного неба, пропущенного через гравитационную линзу. На краю черной дыры горизонт движется на нас со скоростью близкой скорости света.

«Нам необходимо было перемещать и перенастраивать прожекторы исходя из задач сцены», — продолжает Франклин, — «Вообще, на то, чтобы все правильно настроить, можно было бы потратить целую неделю, но в некоторых случаях все должно было быть готово за 15 минут. Ребята работали так усердно, ведь прожекторы – это огромные неповоротливые махины – каждый весил порядка 270 килограмм. У нас было две специально изготовленных клетки, закрепленных на большой электрической лебедке с возможностью перемещать ее вдоль и поперек павильона, соответственно, мы могли использовать ее для расстановки прожекторов. По рации я объяснял ребятам с прожекторами, как калибровать их, попутно переговариваясь с человеком, управляющим грузоподъемниками, носящимимся над плотно забитой людьми площадкой.»

Создание волн

В фильме Купер (Мэттью Макконахи), Амелия (Энн Хэтуэй), Дойл (Вес Бентли) и ИИ робот КЕЙС посещают полностью покрытую водой планету, волны на которой из-за очень близкого расположения к Гаргантюа достигают необычайных размеров. Зрители уже видели тридцатиметровые волны в других фильмах, но согласно истории, этого было мало – по сценарию волны должны были быть более километра в высоту. Чтобы дать зрителю почувствовать эту высоту, Double Negative должны были переосмыслить стандартный подход к созданию воды. «Когда Вы берете объекты такого масштаба», — объясняет Франклин, — «все характеристики, которые Вы ассоциируете с волнами, такие как буруны и завитки на вершине, просто пропадают, так как становятся незаметными относительно такой массы воды – то есть волна становится больше похожа на движущуюся гору из воды. Именно поэтому мы потратили много времени, работая над превизуализацией и раздумывая, как мы можем использовать такие масштабы волн и небольшой космический корабль Рэйнджер, смываемый ими. Важнейший момент сцены – когда волна настигает Рэйнджер и поднимает его высоко над поверхностью. И Вы видите, как корабль движется по волне вверх, становится все меньше и вдруг вообще теряется на ней. Это был ключевой момент для ощущения масштаба происходящего.»

Энн Хэтуэй в роли Амелии на водной планете

Художники Double Negative управляли волнами посредством анимации деформаторов, эффектно изменяя их в каждый ключевой кадр. «Это дало нам базовую форму волны,» — говорит Франклин, — «но чтобы воспринять эту картинку, как реальную, мы должны добавить пену на поверхности, интерактивные брызги, водные завихрени и всплески. Для этого мы использовали свою внутреннюю разработку, называемую Squirt Ocean. Ну и, конечно же, после было много дополнительной работы в Houdini. »

Кадры создавались в высоком разрешении IMAX. Это требование несколько ограничивало количество времени, отведенное для всех возможных итераций Double Negative. «Я смотрел часть с анимацией волны, говорил «отлично, давайте добавим все остальное», — смеется Франклин, — «а затем я должен был ждать около полутора месяцев, чтобы все это снова вернулось ко мне – такой длительный процесс был обусловлен именно разрешением IMAX. Как Вы понимаете, мы не могли тратить время впустую, ведь обычно весь процесс делился на множество итераций, а в тот раз у нас было максимум три.»

Робот КЕЙС, спасающий Амелию от приливной волны, и его двойник ТАРС, на самом деле, были 80-ти килограммовыми металлическими куклами, управляемыми исландским артистом Биллом Ирвином. Кристофер Нолан хотел, чтобы в фильме было как можно больше реальных элементов, и вместо того, чтобы, как многие, просто нарисовать его, Double Negative необходимо было заниматься удалением исполнителя, находящегося позади робота.

Когда КЕЙС реконфигурирует себя для прохода по воде, а затем катится к Амелии, хватает ее и уносит прочь, в кадре совмещаются два решения: практическое и цифровое. «В этом кадре», — рассказывает Франклин, — «находилась построенная маленькая водная буровая установка, закрепленная на квадроцикле. То есть мы могли кататься «сквозь» воду и получать прекрасные интерактивные брызги и всплески. Также на квадроцикле у нас был установлен специальный подъемник с руками робота, на котором мы могли перевозить двойника Энн Хэтуэй. То есть вся эта конструкция ездила и «резала» воду, а нам оставалось только убрать ее с изображения и заменить цифровой версией робота.»

Double Negative постаралась максимально ограничить количество моментов с цифровыми роботами, делающими необычные вещи. Таковыми моментами были бег через воду, посадка робота в корабль, бег по леднику и некоторые моменты с отсутствующей гравитацией. «Что мы давно заметили, так это то, что ты можешь заставить цифровые моменты работать только в том случае, если совместишь их с реальными», — говорит Франклин, — «Например, в кадрах, где робот забирается в корабль, в самом конце отрезка мы уже видим реальную версию робота, не цифровую.

То есть сцена заканчивается кадрами с реальностью, а это помогает почувствовать сцену, как действительно настоящую.»

Внутри тессеракта

В фильме некто «они» оказываются «нами», только достаточно продвинутыми, чтобы помочь Куперу связаться с его дочерью, находящуюся на Земле годами ранее. Так как во вселенной квантовых и релятивистских законов путешествия во времени невозможны, история решает этот вопрос так, что Купер покидает наше трехмерное пространство и попадает в гиперпространство высшего порядка. Если наша вселенная отображается как 2D диск или мембрана, то гиперпространство будет коробкой, окружающей эту мембрану в трех измерениях. Путь к осмыслению этого в том, что каждое измерение требует для его отображения на 1 измерение меньше. Таким образом, трехмерное пространство рисуется как 2Д диск, а трехмерное окружение вокруг этого диска (физики называют ее брана) – на одно измерение выше мембраны.

Изображение, нарисованное Кипом Торном, объяснящее, что такое брана и мембрана

В фильме персонаж Майкла Кейна, Профессор Брэнд, пытается разгадать гравитационные аномалии. На досках в фильме отчетливо видна попытка решить задачу в 4-х и 5 измерениях. В фильме говорится, что если Брэнд сможет понять эти аномалии, их можно будет использовать, чтобы менять гравитацию на Земле и поднять огромную спасающую человечество конструкцию в космос.

Тогда как переход из трехмерного пространства в четырехмерное не решает проблемы путешествий во времени, в фильме это позволяет Куперу отправлять гравитационные волны обратно во времени. Он может видеть любое время, но может только вызывать рябь в этих отрезках времени – гравитационная рябь, которую и пытается понять дочь Купера, Мёрфи.

Работой команды Double Negative было визуально продемонстрировать четырехмерный тессеракт, который будущие «мы» предоставляют Куперу, чтобы тот смог вызывать гравитационные волны. Это было бы легко осуществимо, если делать это в символическом смысле или в виде сновидения, но команда Double Negative решила визуализировать четырехмерный тессеракт в более выразительном виде, создав концепт, который был бы, конечно, гипотезой, но ее можно было бы использовать даже для обучения.

Именно в этот момент снова появился Торн.

Формулы Кипа Торна, объясняющие гравитацию в четырех и пяти измерениях. Обратите внимание, что здесь «наша» брана зажата как сэндвич между двумя альтернативными реальностями или другими бранами.

Чтобы понять решение Double Negative, стоит понять природу измерений высшего порядка. Если объект покоится, допустим, мяч – для двухмерного пространства — это круг; для одномерного – линия. Если смотреть на этот круг в трехмерном пространстве, то мы увидим мяч (сферу). А вот что станет с ним, если перейти к четырехмерному пространству? Одна из теорий, которая была основой к нашему ежедневному размышлению, была представить четвертое пространство, как время. Тогда выходит, что тот же самый мяч, но не покоящийся, а прыгающий, и в бесконечно малый промежуток времени виден как тот же мяч. Но на протяжении всего пути он создает фигуру в виде трубы с полусферическими краями. То есть в четырехмерном пространстве мяч – это труба, а сфера – трехмерная проекция этой четырехмерной фигуры.

Если куб в трехмерном пространстве будет с течением времени менять свою форму, например, расти, то он же в четырехмерном пространстве будет изображаться, как коробка, которая со временем перерастает в большую коробку, отображая все состояния трехмерной коробки в течение всего времени ее существования. Она может анимироваться и менять форму так, как показано в этом видео:

По логике фильма, если Вы попадете в этот тессеракт, Вы сможете увидеть трехмерное пространство в любой момент времени его существования, например, в виде линий, уходящих в прошлое и будущее. Более того, если учесть предположение, что существует бесконечное множество параллельных реальностей, Вы увидите все линии всех возможных параллельных реальностей, уходящих в бесконечное множество направлений. Именно это и есть концептуальное решение четырехмерного пространства, с которым работала студия. «Нити» времени, которые видит Купер, выглядят как струны, и касаясь их, он может вызывать гравитационные вибрации, таким образом, общаясь со своей дочерью. Это действительно блестящий кусочек художественной научной визуализации!

Но как это снимать?

Установка Нолана, что при создании видеороликов актеры должны взаимодействовать с окружением распространялась и на тессеракт. После попадания в черную дыру Купер оказывается четырехмерном пространстве, в котором он может видеть любые объекты и их «нить» времени. «Крис сказал, что несмотря на то, что это очень абстрактная концепция, он очень бы хотел построить что-то, что мы могли бы снимать в реальности», — рассказывает Франклин, — «Он хотел увидеть Мэттью, физически взаимодействующего с «нитями» времени, в реальном космосе, а не болтающегося напротив зеленого экрана.»

Это подвигло Франклина обдумать, как воплотить визуализацию тессеракта. «Я провел уйму времени, ломая голову, как же реализовать все это в реальном пространстве», — рассказывает он, — Как показать все эти временные «нити» всех объектов в одной комнате, и чтобы это было понятно в физическом смысле. Ведь опасность была в том, что пространство получится настолько загроможденным «нитями», что придется придумывать, как выделить среди них нужные моменты. Плюс к этому было крайне важно, чтобы Купер не только видел «нити» времени, но и видел их обратную реакцию на взаимодействие, и при этом еще мог сам взаимодействовать с предметами в комнате дочери.»

Финальный вид «открытой решетчатой структуры» был вдохновлен именно концепцией тессеракта. «Тессеракт – трехмерная проекция четырехмерного гиперкуба. Он имеет красивую решетчеподобную структуру, так что мы примерно понимали, что будем делать. Долгое время я рассматривал развертки из выполненных на большой выдержке фотографий (slit-scan photography) и то, как эта техника позволяет отобразить одну и ту же точку в пространстве во все моменты времени. Фотография сама по себе превращает время в одно из измерений конечного изображения. Комбинация этой техники съемки и решетчатой структуры тессеракта позволила нам создать эти трехмерные «нити» времени, как бы вытекающие из объекта. Комнаты – это фотографии, моменты, встроенные в решетчатую структуру «нитей» времени, среди которых Купер может искать нужные, перемещая их назад и вперед.»

«Мы закончили строить одну секцию этой физической модели с четырьмя повторяющимися секциями вокруг», — рассказывает Франклин, — «Затем на компьютере мы размножили эти секции до бесконечности таким образом, что куда бы Вы не взглянули, они уходили в вечность. Также во время съемки мы использовали множество реальных проекций. Мы подкладывали активные «нити» времени под реальные секции, используя проекторы. Это дало нам ощущение дрожи и фебрильной энергии – вся информация перетекала вдоль этих «ните» из секции в секцию и обратно. Но, конечно же, каждое изображение финальной версии фильма помимо всего прочего содержит в себе безумное количество цифровых эффектов, встроенных в сцену.»

Но некоторые моменты вынуждали Double Negative перейти полностью на цифровые визуальные эффекты – таким моментом было, например, движение Купера через тоннели тессеракта. «У нас не было достаточного количества секций тессеракта, чтоб отснять это перемещение, поэтому мы снимали Мэттью среди проекционных экранов, на которых вокруг него отображался предчистовой вариант визуализации этой сцены – так что ему было, с чем взаимодействовать», — рассказывает Франклин, — «Актерам все это безумно нравилось, потому что в противовес изготовлению рекламных роликов или фильма на зеленом экране, у них было, на что смотреть. Позже мы заменили эту версию на высококачественную финальную, только лишь в некоторых моментах оставив предчистовую, так как она просто оказалась не в фокусе и была не видна.»

Франклин также отмечает, что немало цифровых эффектов, удаления троссов и огромное количество ротоскоупинга (roto, rotopaint) потребовалось, чтобы закончить эти сцены. В реализации эффектов, выполненных полностью при помощи компьютерной графики, тоже были определенные сложности. Например, в той части, где тессеракт закрывается и начинает разрушаться. «Мы взяли компьютерную геометрию тессеракта, и пропустили ее через вращение гиперкуба. Ребята работали над тем, как воплотить в жизнь трансформацию вращения гиперкуба и применить ее напрямую к геометрии тессеракта, который мы создали. Для меня это был особенный момент. Когда я увидел результаты, я понял, что это идеально, именно то, что я хотел.»

Другой сложной частью по словам Франклина был момент, когда Купер взаимодействует с пылью и рисует двоичный код на полу во время шторма. «Мы должны были работать с движениями Мэттью на площадке в объеме тессеракта и сделать так, чтобы они взаимодействовали с чем-то, что действительно заставляло эти формы появляться на полу в комнате перед ним.»

Спасибо! Надеюсь, Вам было интересно, и мы встретимся с Вами в следующий раз на рассказе о том, чего так старался избегать Кристофер Нолан — кейинге.

Физик из «Интерстеллара»: фильм помог нам увидеть реальные черные дыры

Они будут гораздо сложнее, чем черные дыры, поведение которых можно полностью описать, используя всего два параметра – массу и скорость вращения вокруг своей оси. В противоположность этому форма и свойства «кротовых нор» могут быть заметно разнообразнее, что не позволит нам предсказывать, какие гравитационные волны они будут вырабатывать при взаимодействии друг с другом, что сильно затруднит их поиски. В целом я не могу сказать, что оптимистично смотрю на проблему их поиска, но загадка их существования или несуществования точно заслуживает внимания с нашей стороны.

— Ваши российские коллеги по LIGO, к примеру Михаил Городецкий, отмечали, что научная команда изначально ожидала увидеть гравитационные волны, порожденные сталкивающимися пульсарами, а не черными дырами. Все произошло наоборот. Почему?

— Да, большинство из нас действительно считало, что мы увидим сначала пульсары, а потом уже черные дыры, но я никогда не входил в их число. С начала 80-х годов прошлого века я считал, что мы увидим то, что мы действительно увидели в сентябре 2015 года. Поводом для подобных мыслей – и причиной тех реальных событий, которые произошли, — является закон, управляющий тем, как далеко мы можем видеть подобные события.

Дело в том, что расстояние до нашего «горизонта зрения» зависит от массы объектов, которые излучают гравитационные волны. Чем она больше, тем дальше мы можем их видеть. Соответственно, так как черные дыры гораздо тяжелее, чем пары пульсаров, мы можем заметить их на более далеком расстоянии, чем сливающиеся нейтронные звезды. Те черные дыры, которые мы увидели, были в 10-15 раз тяжелее, чем пульсары, и поэтому в обозримой Вселенной мы можем увидеть в 15³ раза (~3300 раз) больше слияний черных дыр, чем пульсаров.

Почему мои коллеги думали иначе? Мы не знаем, сколько двойных черных дыр существует во Вселенной, и мы считали, что их гораздо меньше, чем пар пульсаров. Но столь большая разница, о которой я говорил выше, заставляла меня считать, что мы увидим черные дыры раньше, чем пульсары. И это в точности то, что произошло при наблюдениях на LIGO.

— Увидите ли вы пульсары после перезапуска LIGO?

— Да, конечно. Это может произойти как сейчас – мы буквально через несколько недель приступим к повторным наблюдениям после обновления LIGO и замены лазера, вышедшего из строя, — или в ходе последующей кампании наблюдений. Я пока не знаю, когда именно это произойдет, но я абсолютно уверен в том, что это действительно случится. В любом случае, в 2019-2020 годах, когда мы достигнем максимальной для LIGO чувствительности, ее должно хватить, чтобы гарантированно увидеть слияния пульсаров в нашей Галактике.

— Российские физики говорили, что используемые сегодня шаблоны для анализа сигнала, разработанные вашей командой, являются почти идеальными по своему качеству и что их улучшение не позволит вам подтвердить еще одно слияние черных дыр, которые LIGO почти обнаружил в ходе прошлогодней сессии наблюдений. Сможете ли вы когда-нибудь подтвердить, что это событие действительно произошло?

— Точность просчета колебаний гравитационных волн в наших моделях заведомо превышает то, что нам требуется для анализа данных, которые мы получаем при помощи LIGO, и их дальнейшее улучшение не поможет сделать их более достоверными. 

от «Интерстеллара» до «Звездного пути»

«Черная дыра», 1979

«Черная дыра», 1979

Сай-фай, который сегодня выглядит скорее как пародия на «Звездные войны», рассказывает историю о команде космического экспедиционного корабля «Паломино», отправившейся на поиски неизведанных миров. Во время миссии команда обнаруживает космический шаттл, который вращается в опасной близости к черной дыре. На шаттле обнаружили прототип Дарта Вейдера – капитана Ганса Рейнхардта в стеклянном шлеме – и его многочисленных робопомощников. За 20 лет Рейнхардт подготовил свой корабль к проходу сквозь черную дыру, поскольку считал, что по ту сторону можно обнаружить множество неизведанных миров. Команду «Паломино» история увлекает, вот только позже им предстоит узнать, что Ганс Рейнхардт давно сошел с ума, а его робопомощники – это спятившие члены бывшего экипажа корабля «Лебедь». В конце 70-х фильм был номинирован на две премии «Оскар» за лучшие визуальные эффекты и операторскую работу, а также на тот момент «Черная дыра» стала самым дорогим проектом студии Disney.

«Краткая история времени», 1991

«Краткая история времени», 1991

Мы решили включить в подборку знаменитый документальный фильм о жизни и научной деятельности легендарного физика Стивена Хокинга, основанный на его же одноименном бестселлере. В ленте уделяется внимание не только научным теориям Хокинга, но и личности и повседневной жизни самого автора. «Краткая история времени» не совсем экранизация, в документальной ленте полно интервью с родственниками и женой Хокинга, сокурсниками, преподавателями, коллегами и учениками. Но, несмотря на все это, из ленты можно извлечь много полезной информации о чёрных дырах, природе пространства и времени. Это если вдруг вам лень читать книгу.

«Сквозь горизонт», 1997

«Сквозь горизонт», 1997

В 2047 году спасательный экипаж «Льюис и Кларк» получает сигнал бедствия с космического корабля, пропавшего много лет назад. По прибытии спасательная команда обнаруживает, что шаттл, подающий сигнал, – это секретный правительственный проект, занимающийся разработкой перелётов со сверхсветовой скоростью. Им удалось создать искусственную чёрную дыру и использовать её энергию для искривления пространства-времени таким образом, чтобы начальная и конечная точки путешествия наложились друг на друга: кораблю остается пройти через образовавшийся пространственный туннель. В теории все звучит отлично, но на деле у испытателей силы карманной черной дыры начинаются серьезные проблемы. С этих пор можно начинать делать ставки на то, кто же вернется на Землю живым.

«Интерстеллар», 2014

«Интерстеллар», 2014

Полюбившейся многим сай-фай Кристофера Нолана в своем изображении черной дыры подобрался как можно ближе к истине, поскольку сценарий писался вместе со знаменитым американским физиком Кипом Торном. Сюжет разворачивается в недалеком будущем. Когда ресурсы нашей планеты были исчерпаны и она стала непригодной для жизни, трое исследователей отправляются сквозь червоточину, по ту сторону которой исследователи обнаружили несколько звёздных систем. В своей экспедиции они должны будут найти новую планету для жизни. Миссия проходила в рамках строгой секретности, а команда шла на большие риски, экспедиции могли посылать сигналы на Землю только в одну сторону и только раз в год. Из-за замедления времени экспедиция может оказаться очень продолжительной по времени Земли. Если все пройдет удачно, то людей начнут переселять в новый мир, если нет, то на один из миров по ту сторону червоточины отправится ограниченная группа людей и запас замороженных оплодотворённых яйцеклеток с целью основания колонии.

«Высшее общество», 2018

Новый фильм француженки Клер Дени вышел как нельзя кстати. Ведь ее изображение черной дыры в фильме очень похоже на ту самую фотографию, которую вчера презентовали европейские ученые. Инстаграм-аккаунт студии А24 даже опубликовал кадр из фильма для сравнения.

Кадр из фильма «Высшее общество», 2018

По сюжету команда преступников, приговоренных к пожизненному заключению, которым был дан второй шанс в жизни, отправится за пределы Солнечной системы в поисках черной дыры. Их предводительница, космическая ведьма, грезит об искусственном создании новой жизни на борту. Окончательно попрощавшись с рассудком, она вживляет семя главного героя по имени Монте одной из заключенных, в результате чего рождается здоровый ребенок, с которым Монте и суждено долететь до черной дыры.

Взгляд в бездну

Согласно сообщению Европейской южной обсерватории, 10 апреля астрофизики сообщат о важных результатах работы Телескопа горизонта событий — крупной сети радиотелескопов. Этот международный проект затевался с целью детального исследования непосредственных окрестностей сверхмассивных черных дыр, расположенных в центрах каждой галактики, в том числе и Млечного Пути. Ожидается, что совместная работа многих телескопов позволит разглядеть саму черную дыру, точнее ее тень. Как менялось наше представление об образе черных дыр, что в этом контексте означает «увидеть» и как здесь помогут радиотелескопы?

Безусловно, наиболее распространенным в массовой культуре изображением черной дыры является образ Гаргантюа в фильме «Интерстеллар», за научную достоверность которого отвечал известный американский астрофизик Кип Торн. Получившаяся картинка действительно изобилует деталями и проявлениями непривычных оптических эффектов. Однако по настоянию режиссера Кристофера Нолана научная точность была частично принесена в жертву зрелищности, что, тем не менее, не превращает результат в абсурдное творение компьютерной графики. Будут ли впервые полученные астрономами изображения хотя бы отдаленно напоминать порождение цифровых технологий?

Определение черной дыры гласит: это объект с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может отдалиться от него на бесконечное расстояние. Так как скорость света является предельной скоростью движения любого материального объекта, то из черной дыры не может выбраться никакое тело. Сама концепция таких объектов тесно связана с современным взглядом на гравитацию — общей теорией относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна — и представлением тяготения в ней через искривление пространства-времени.

Черные дыры в некотором смысле остаются объектами гипотетическими, но астрономы практически не сомневаются в их реальности, так как получено огромное количество косвенных свидетельств их существования, начиная от наблюдений тесных двойных систем и до гравитационных волн. Однако непосредственных наблюдений черных дыр до сих пор не существовало.

Это связано в первую очередь с их чрезвычайно малым размером и большой удаленностью: так, силуэт сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, согласно оценкам, должен быть виден под углом около 10 микросекунд дуги. Также существуют дополнительные осложнения: находящиеся рядом объекты могут мешать наблюдениям, а распространяющийся сквозь космическую среду сигнал будет поглощаться или рассеиваться, искажая изображение.

Тем не менее, ученые давно задумались над вопросом о том, как могла бы выглядеть черная дыра, — ведь в смысле гравитации это объект с экстремальными свойствами, у которого должны происходить необычные явления.

В частности, притяжение черной дыры будет значительно искривлять траектории лучей света в окрестности, а время будет течь иначе с точки зрения удаленного наблюдателя. Также изучение теней черных дыр позволит исследовать ряд фундаментальных вопросов, таких как точность предсказаний теории Эйнштейна в случае настолько сильных полей, корректность текущего понимания механизмов выделения энергии в их окрестности и многие другие, в том числе связанные с экзотическими теориями вроде кротовых нор.

Жан-Пьер Люмине. Черная дыра (модель, 1979)

Первое научно обоснованное изображение черной дыры получил французский астрофизик Жан-Пьер Люмине (Jean-Pierre Luminet) в 1979 году. Так как сама черная дыра по определению не может быть источником света, на изображении показано свечение газа, вращающегося вокруг черной дыры и постепенно падающего в нее — аккреционного диска. На месте самой черной дыры оказывается темнота — тень.

На этой картинке, сделанной при помощи математических выкладок, расчета на раннем компьютере IBM 7040 и туши, уже заметны основные необычные эффекты: видимый почти с ребра светящийся газовый диск оказывается искривлен из-за действия гравитации на траектории лучей света, а все изображение несимметрично, так как с одной стороны значительно усилено из-за движения вещества в сторону наблюдателя, а с противоположной стороны — ослаблено.

Однако это раннее изображение не учитывает рассеяния на межзвездной среде и сделано для всех длин волн одновременно. Настоящие телескопы регистрируют лишь небольшую часть электромагнитного спектра. Более того, работающие в разных диапазонах приборы значительно отличаются друг от друга по оптическим параметрам, таким как разрешающая способность. Оказывается, что единственным подходящим для подобных наблюдений инструментом является сеть радиотелескопов, а наилучшими объектами — сверхмассивные черные дыры в центрах Млечного Пути и галактики M87.

Центральный объект нашей Галактики, Стрелец A* или Sgr A* — достаточно яркий и компактный источник радиоизлучения. Он излучает и в инфракрасной, рентгеновской и других частях спектра, но в оптическом диапазоне он фактически невидим из-за очень сильного поглощения света межзвездной пылью. Изучать Sgr A* начали еще в середине XX века, но лучше всего понимать его природу мы стали в конце века с открытием звезд на его орбите. Слежение за ними позволило с высокой точностью определить массу центрального тела, которая оказалась равна примерно четырем миллионам солнечных. По современным представлениям, наилучшим кандидатом на роль объекта с такой большой массой и при этом настолько маленького размера является черная дыра. Существует ряд более экзотических вариантов, таких как Q-шары и кротовые норы, но они существуют лишь в специфических теориях и не могут считаться общепризнанными.

Чем же радиотелескопы выгодно отличаются в данном случае? Во-первых, только в случае длинных волн, таких как радиоизлучение, а также миллиметровые и субмиллиметровые волны, на данный момент возможно полноценное объединение приборов в сеть — интерферометр. Во-вторых, в области радиоволн можно подобрать частоту, на которой галактический центр относительно легко просматривается без чрезмерного рассеяния.

Идея интерферометра заключается в том, что один и тот же объект наблюдают несколько инструментов, а затем их данные с указанным точным временем наблюдений сводятся и совместно обрабатываются. Проведя множество таких сеансов при различных расстояниях между принимающими телескопами, можно с высокой точностью восстановить изображение объекта с таким угловым разрешением, как будто его наблюдал инструмент с размером, равным максимальному расстоянию между приемниками.

Расположение отдельных радиотелескопов, образующих вместе Телескоп горизонта событий

eso.org

Наиболее крупный проект подобного типа — это Телескоп горизонта событий, который представляет собой интерферометр, собирающий данные с распределенных по всему земному шару радиотелескопов. Что сможет увидеть этот комбинированный прибор?

Совместные наблюдения должны обладать разрешающей способностью на уровне 15 микросекунд. Диаметр самого горизонта событий Sgr A* — 10 микросекунд, но излучения не должно быть из области размером примерно 53 микросекунды, потому что настолько близко к черной дыре нет устойчивых орбит, все вещество должно быстро поглощаться ей. Следовательно, мы ожидаем увидеть провал в яркости в центре светящегося пятна — это и будет искомая тень черной дыры, такая особенность предсказывается только в случае подобных объектов.

Вид черной дыры в зависимости от угла между лучом зрения и плоскостью диска

J.-A. Marck, 1989

Следующий важный аспект — неизвестная геометрическая ориентация газового диска. Если его плоскость расположена перпендикулярно лучу зрения, то картина должна быть симметричной, а потемнение в центре будет наиболее заметно.

Если же между направлением к наблюдателю и диском будет другой угол, то изображение окажется более сложным, но и потенциально более информативным, так как искажения формы диска будут зависеть от гравитации, что позволит проверить теоретические модели. В случае малого угла между лучом зрения и плоскостью диска связанные со скоростью движения вещества эффекты будут максимальными, что приведет к настолько большой асимметрии, при которой будет наблюдаться только яркое пятно в форме полумесяца сбоку от положения черной дыры.

Вид черной дыры с джетом в зависимости от ориентации и учета рассеяния. Левый столбец — данные моделирования, средний столбец — искаженное рассеянием изображение, правый столбец — предсказываемый вид изображения, восстановленного при помощи наблюдений на Телескопе горизонта событий

F. H. Vincent et al. / Astronomy & Astrophysics, 2019

Еще одним не до конца известным параметром является темп падения вещества на черную дыру в центре Галактики. Существуют оценки этой величины, но весьма неточные, в то время как она определяет степень активности объекта и, в частности, должна быть связана с возможным наличием джетов — узких струй вещества, с большой скоростью двигающихся от черной дыры перпендикулярно плоскости диска. Такие образования также должны вносить значительную асимметрию в распределение яркости.

Компьютерные симуляции возможного вида черной дыры. Слева направо: черная дыра с диском в картинной плоскости без учета рассеяния и с ним, черная дыра с диском вдоль луча зрения без учета рассеяния и с ним

H. Falcke et al. / Classical and Quantum Gravity, 2013

Не стоит забывать и о рассеянии на межзвездной среде. Телескоп горизонта событий наблюдает в наиболее благоприятной области субмиллиметровых волн, но и в ней расположенные между нами и центром Млечного Пути облака заметно размоют изображение и сделают его менее четким, скрыв детали. Астрономы хорошо осведомлены об этой проблеме и умеют ее частично преодолевать, то есть улучшать качество получаемых данных, учитывая при обработке известные по другим измерениям параметры межзвездной среды и создаваемое ею искажение. Тем не менее, полностью избавиться от этого эффекта не получится.

Черная дыра из фильма Кристофера Нолана «Интерстеллар»

В любом случае, мы не увидим картинки, подобной той, что была показана в фильме «Интерстеллар». Во-первых, в ней намеренно не учтены некоторые физические эффекты, а во-вторых, на текущем уровне развития техники нам не хватит разрешающей способности.

Научный консультант фильма Кип Торн, ставший нобелевским лауреатом за открытие гравитационных волн, подробно описывает процесс создания визуального образа черной дыры в книге «Интерстеллар: наука за кадром». Там рассказано как о деталях расчетов, так и о решении режиссера картины Кристофера Нолана не использовать максимально достоверное изображение.

Что же ученые хотят узнать от подобных измерений? Во-первых, как уже говорилось, это позволит протестировать общую теорию относительности и получить очередное, в некотором смысле, наиболее прямое доказательство существования черных дыр.

Во-вторых, ученые хотят лучше разобраться почему одни черные дыры являются центрами колоссальных источников излучения — квазаров, — в то время как другие, в том числе Стрелец A*, ведут себя исключительно скромно и спокойно. С этим связаны как свойства аккреционных дисков из падающего вещества, так и наличие джетов.

В-третьих, будущие более детальные наблюдения помогут проверить экзотические гипотезы, например гипотезу о кротовых норах. В таком случае в центре изображений, где в классическом случае должна быть чернота горизонта событий, могут быть видны отдельные точечные или продолговатые источники — образы объектов с другой стороны туннеля в пространстве-времени.

Тимур Кешелава

Фотография невидимки – Наука – Коммерсантъ

Первый в истории человечества снимок черной дыры вызвал бурю эмоций не только у ученых и любителей астрономии, но даже у тех, кто не смотрел фильм «Интерстеллар». Теперь точно знаем, что дыры существуют. Но как удалось увидеть невидимое? И почему этот снимок так важен?

История

Трудно поверить, но первые расчеты, показавшие существование в космосе тяжелых невидимых объектов, сделал английский естествоиспытатель Джон Мичелл в 1783 году. Уже тогда человечеству было известно, что такое вторая космическая скорость: ее нужно достичь, чтобы полностью оторваться от какого-нибудь тела и улететь в космос. Величина второй космической скорости зависит от отношения массы и размера тела и, например, для Земли равна всего 11,2 км/сек. А еще именно тогда ученые убедились в конечности скорости света и определили ее величину (около 300 тыс. км/сек.) благодаря тому, что Джеймс Брэдли открыл явление аберрации.

Мичелл первым задумался: могут ли существовать звезды, вторая космическая скорость у которых выше скорости света? И рассчитал параметры такого тела: при той же плотности, что и у Солнца, его радиус будет превышать солнечный в 500 раз! Тогда вторая космическая превысит скорость света, и тело станет полностью невидимым для наблюдателя, ибо свет просто не сможет выйти с его поверхности. Мичелл даже предположил, что в космосе может существовать множество подобных невидимых тел, то есть предвидел черные дыры!

Независимо от него величайший французский математик и астроном Пьер-Симон Лаплас в «Изложении системы мира» в 1795 году выдвинул схожую гипотезу: «Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине невидимы».

Но этим идеям не удалось завоевать умы. Только после работ Альберта Эйнштейна в 1905 году стало понятно, что скорость света — предел для любых физических тел, а значит, действительно черные дыры — единственные объекты в природе, у которых вторая космическая скорость превышает скорость света.

В 1915 году Эйнштейн построил полноценную теорию гравитации, которая получила название «Общая теория относительности» (ОТО). Карл Шварцшильд применил ее к расчету гравитационных полей звезд и получил первое описание простейшей, сферически-симметричной черной дыры, без заряда и без вращения.

Но и Шварцшильд, и даже Эйнштейн считали черные дыры математической абстракцией, не надеялись обнаружить их во Вселенной.

А предсказание ОТО относительно черных дыр более чем подтвердилось.

Что это такое

Черная дыра — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, двигающиеся со скоростью света, в том числе и сам свет. То есть она не объект, не вещество, не излучение, а скорее сильно искривленное пространство с сильным гравитационным полем — следствием искривления. Граница этой области называется горизонтом событий, а ее размер — гравитационным радиусом.

Представить себе горизонт событий несложно. Допустим, некто падает в черную дыру и одновременно ведет прямую трансляцию в YouTube. Пока некто остается снаружи горизонта событий, зрители его видят: электромагнитный сигнал может уйти на любое расстояние. Но в момент пересечения горизонта сигнал обязательно прервется — у него не хватит скорости выйти из-под горизонта.

Гравитационный радиус — тот размер, сжавшись до которого, обычный объект непременно станет черной дырой. Скажем, для Земли он составляет около 1 см, а для Солнца — всего 6 км. Представьте себе чудовищную плотность такого объекта!

Еще у черной дыры есть эргосфера, фотонная сфера и другие экзотические элементы. Зато нет ни цвета, ни состава.

Единственный прямой способ отличить черную дыру от другого объекта — определить ее радиус и сравнить с гравитационным радиусом для данной массы. Если радиус тела значительно больше гравитационного — это не черная дыра.

До недавнего времени разрешающая способность телескопов была слишком мала, чтобы различать столь мелкие объекты. Возьмем ближайшую к нам звезду, Солнце: его гравитационный радиус равен 3 км, с расстояния 150 млн км он выглядят как тысячные доли угловой секунды, то есть недоступен даже знаменитому космическому телескопу имени Хаббла. Что говорить про более далекие черные дыры!

Астрономы придумали массу косвенных методов проверки на черную дыру. Например, из третьего закона Кеплера известно о связи между периодами и размерами орбиты вращающихся тел с определенными массами. В центре нашей Галактики мы видим, как звезды и газ вращаются вокруг невидимого объекта. Его относительная близость, всего 26 тыс. световых лет, позволяет точно измерять параметры орбит вращающихся там звезд, что дает довольно точную оценку массы этого скрытого гиганта: 4 млн Солнц. Шила в мешке не утаишь, а звездное скопление такой огромной массы тем более было бы легко наблюдаемо. Но нет! Мы видим в этом месте лишь слабо светящееся крохотное пятнышко.

В центрах других галактик мы тоже наблюдаем вращение звезд и огромных облаков газа вокруг малюсенького центра. Вот только звезды на больших дистанциях уже неразличимы, информацию приходится черпать из спектральных наблюдений ядер галактик. Спектры показывают быстрое движение газа, которое говорит о скрытых массах в десятки и сотни миллионов солнечных масс! А наблюдения в ультрафиолете и в рентгеновских диапазонах выявляют быструю переменность блеска, что говорит о настолько малых размерах излучающей области, что миллионы Солнц в нее либо не поместятся, либо будут двигаться по неустойчивым орбитам, сталкиваясь и разлетаясь. Да и сам по себе спектр очень непохож на звездный — с быстрой переменностью блеска, мощным излучением в рентгене и гораздо более высокими температурами. А если еще учесть, что у некоторых из таких ядер галактик энерговыделение на много порядков больше, чем должны давать просто звезды аналогичной массы, то понятно, что нам следует поискать более экзотический источник этой энергии.

И тут скептики могут предпринять последний шанс спастись от черных дыр: нейтронные звезды! Эти удивительные объекты, как и черные дыры, были предсказаны задолго до их физического открытия, но ученые справедливо полагали, что увидеть их в оптический телескоп не удастся много лет.

Открыты они были совершенно неожиданно — в радиодиапазоне: сигнал от них имел настолько точную повторяемость, что его даже приняли за «маяк» внеземной цивилизации и поначалу называли LGM-1 (Little green man-1). Гипотетическое скопление нейтронных звезд с их малыми размерами — один из очень немногих объектов, который мог бы поместиться в измеренные размеры активных ядер галактик. Но откуда им там взяться? Нейтронные звезды — остатки эволюции массивных звезд, а значит, должны быть и другие следы: планетарные туманности, остатки вспышек сверхновых и характерное излучение пульсаров. Да и непонятно, почему в компактном центре должны быть миллионы нейтронных звезд, а в остальной, гораздо большей части Галактики — тысячи.

Спектры загадочных объектов показывают быстрое движение газа, находящегося глубоко в «гравитационной воронке», но признаков падения на твердую поверхность не наблюдается. То есть газ падает, падает, а потом куда-то «проваливается». Словно в черную дыру!

Последним доказательством стала регистрация гравитационных волн. Первые свидетельства их существования появились еще в 1974 году при исследовании двойных радиопульсаров (нейтронных звезд, излучающих периодические радиоимпульсы). Выявленное уменьшение периода их обращения, связанное с потерей энергии на искривление пространства, было непрямым, но надежным указанием на излучение гравитационных волн — и Нобелевскую премию 1993 года.

Почувствовать гравитационную волну впервые получилось 14 сентября 2015 года у гравитационно-волнового телескопа LIGO. С тех пор детектировано больше десятка гравитационно-волновых событий, и все, кроме одного, объясняются только сталкивающимися черными дырами.

Невидимка в зеркале

Но последний шаг еще не был сделан. Самое главное — изображение черной дыры — оставалось за пределами возможностей человека.

Важность снимка трудно переоценить. Те же гравитационные волны, сильнейшее доказательство существования черных дыр для ученых, мало что значат для широкой публики: они не фотография, а графики. На фотографии все очевидно: вот черный провал — это и есть черная дыра.

Но получить такой снимок непросто, ведь черные дыры — черные! Да еще и очень мелкие, даже самые крупные из них имеют угловой размер в миллионы раз меньше того, что способен разглядеть обычный телескоп: если точно, то это миллионные доли угловой секунды дуги. Задача по сложности сравнима с попыткой разглядеть с Земли яблоко на поверхности Луны.

Решение напрашивается: нужно большое увеличение! Хорошо, а насколько большое? Невооруженным глазом обычный человек может отличить точку с расстояния 30-40 м, а до Луны в среднем 384 тыс. км. Значит, увеличение требуется примерно в 10 млн раз. А максимальное увеличение телескопа — два диаметра объектива в миллиметрах, то есть нужно 5 млн мм, или 5 тыс. км. Но нужно разглядеть еще и какие-то детали, так что лучше взять сразу 10 тыс. км. Это уже сравнимо с диаметром Земли!

Как сделать столь огромное зеркало? Даже если пытаться соорудить десятиметровое зеркало, придется учесть гнутие точной поверхности под действием собственного веса, особенно при поворотах телескопа. Что-то похожее чувствуют киты, когда оказываются на берегу. Выход есть: делать не цельное толстое зеркало, а составленное из отдельных тонких сегментов. Зеркало становится легким, перестает гнуться, остается лишь научиться управлять сегментами, идеально подгоняя их друг к дружке, чтобы составить прецизионную поверхность.

Это удается: вот максимальное увеличение! Но теперь мешает атмосфера — она смазывает картинку. Есть решение: дополнительное адаптивное гибкое зеркало компенсирует атмосферную неоднородность, но требует яркого источника света. Приходится исследовать атмосферу и приделать к телескопу лазер (или телескоп к лазеру?), чтобы создать высоко в атмосфере искусственную яркую «звездочку». И все-таки одиночное зеркало обладает слишком маленькой разрешающей способностью, а цельное зеркало размером с планету построить затруднительно…

Может, построить много отдельных зеркал по всей планете и объединить в систему? Такая технология называется интерферометр, и в межконтинентальном виде ее удалось создать только в радиодиапазоне.

Увидеть невозможное

Самый выдающийся радиотелескоп всех времен — отечественный космический аппарат «Радиоастрон». На нем получен мировой рекорд углового разрешения — восемь миллионных долей угловой секунды (на длине волны 1,3 см)! К сожалению, получить на нем изображение черных дыр не удалось: оказалось, что на длинах волн от одного сантиметра и больше изображение черной дыры невозможно создать из-за летающих там электронов больших энергий.

В миллиметровом диапазоне электроны влияют не так сильно и картинку получить реально. Так родилась идея телескопа горизонта событий — большого количества антенн, работающих на длине волны 1,3 мм с максимальной дистанцией между ними около 10 тыс. км.

Остается свести воедино сигналы со всех приемников. Сделать это крайне трудно: мешают погодные условия, турбулентность атмосферы, малейшие искривления формы зеркал, технические неисправности, помехи и многое-многое другое. К тому же данных, требующихся для получения изображения, нужно гигантское количество: не гигабайты, не терабайты, а полноценные петабайты!

Именно поэтому получить картинку черной дыры стало возможным лишь в XXI веке — с появлением суперкомпьютеров, развитием математических методов обработки информации и созданием высоких технологий, без которых немыслима работа современного телескопа.

Вот она, черная дыра

Французский исследователь Шарль Мессье, впервые заметивший в 1781 году в скромный 100-миллиметровый телескоп в созвездии Девы едва видимое туманное пятнышко, и не подозревал, какие потрясающие открытия таятся в нем.

Стремительное развитие науки и техники в начале ХХ века подарило человечеству громадные телескопы диаметром больше 2 м, снабженные фотокамерами, и сразу посыпались открытия. Уже в 1918 году американский астроном Гебер Дуст Кертис, сразу обративший внимание на полное отсутствие спиральной структуры у М87, разглядел рядом с ней странный тонкий луч. А в 1922 году Эдвин Хаббл в обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии детально сфотографировал этот луч и охарактеризовал Галактику как «внегалактическую шаровую туманность» и, в общем, был недалек от истины.

Гипотеза, что загадочный луч порожден черной дырой, возникла еще в ХХ веке. Подтвердить ее существование и точно взвесить дыру ученые смогли лишь в начале ХХI века. И она оказалась невероятной! Шесть с половиной миллиардов солнечных масс! Надо отметить, она под стать своей родной Галактике, масса которой в несколько раз превосходит Млечный Путь (Галактика, где находится Земля).

Именно такая, близкая к рекордной, масса черной дыры и позволила ей стать главной целью телескопа горизонта событий. Секрет в том, что у черных дыр масса и размер горизонта событий связаны линейно, то есть чем массивнее дыра, тем проще ее разглядеть. Плюс расстояние до нее по космическим меркам небольшое (всего 53 миллиона световых лет), поэтому угловой размер горизонта событий этой дыры гораздо больше всех остальных и сравним только с черной дырой в центре нашей Галактики.

Стоп, стоп, стоп. Как это, «разглядеть»? Это же черная дыра — она по умолчанию свет только поглощает, а не излучает. Как ее увидеть? Ситуацию можно сравнить с ловлей черной кошки в темной комнате: увидеть что-то трудно, но стоит ей оказаться перед белой стеной — и вот она, красавица, как на ладони. Вокруг черных дыр, особенно сверхмассивных, тоже бывают светлые области — это падающий на них разогретый газ. Когда газа много, он формирует целый диск, что-то вроде колец Сатурна, ученые называют его аккреционный диск (от английского accretion — выпадение).

На первом снимке, полученном телескопом горизонта событий, виден прежде всего аккреционный диск в виде широкого светлого кольца. Внешняя граница его нечеткая, поскольку диск простирается далеко за пределы снимка, постепенно снижая свою яркость. Зато внутренняя граница резкая, поскольку там пролегает последняя устойчивая орбита для вращающегося вокруг черной дыры вещества. Подойдя еще ближе, материя падает в черную дыру по крутой спирали настолько быстро, что эта область остается темной. Единственный свет, который еще может оттуда выходить, это так называемая фотонная сфера, то есть сравнительно тонкое и слабое кольцо, в котором пролетающие мимо фотоны захватываются на круговые орбиты гравитацией черной дыры. Получается, что черный провал внутри яркого кольца на фото — это не только сама черная дыра, а еще и довольно большая, почти несветящаяся область вокруг нее.

Для черной дыры в М87 радиус горизонта событий около 20 млрд км, то есть «диаметр» черной дыры — примерно 40 млрд км, а радиус последней устойчивой орбиты — примерно 120 млрд км. Размер темного провала на снимке близок к 100 млрд км, в тысячу раз больше расстояния от Солнца до Венеры и в три раза больше расстояния от Солнца до Нептуна.

Перспективы

Помимо черной дыры в М87, телескоп горизонта событий провел в апреле 2017 года наблюдение за центральной черной дырой Млечного Пути — ближайшей из всех известных сверхмассивных черных дыр. Аккреционный диск вокруг нее слабее, то есть увидеть ее будет сложно, но это может компенсироваться чуть большим угловым размером, чем у объекта в М87. Обработка данных продолжается.

Подключение новых наземных телескопов и усовершенствование оборудования и методов обработки приведут к тому, что изображения станут более четкими, появятся новые детали, возможно, совершенно неожиданные. Через десятилетия станет возможным вести регулярные наблюдения за несколькими сверхмассивными черными дырами и даже мониторинг некоторых из них. Видео с движением разогретого до миллионов градусов газа в гравитационных ловушках черных дыр станет таким же обычным делом, как видео вспышек на Солнце.

Грандиозный рывок в угловом разрешении произойдет, когда Россия запустит уже строящийся радиотелескоп «Миллиметрон». Работая на одной длине волны с телескопом горизонта событий и находясь на расстоянии 1,5 млн км от Земли, «Миллиметрон» обеспечит изображения на порядок более детальные, чем те, что есть сегодня. Резко расширится и список наблюдаемых объектов, и количество решаемых астрофизических задач. При удачном стечении обстоятельств станет возможным даже наблюдение черных дыр звездных масс в двойных системах сравнительно недалеко от Земли. Остается дождаться запуска: из-за нестабильного финансирования он перенесен на вторую половину 2020-х годов.

Чтобы получить изображение черной дыры, потребовалась согласованная работа радиотелескопов по всему миру

Итоги

Астрофизики считают достижение телескопа горизонта событий достойным Нобелевской премии. У человечества появился инструмент, позволяющий добывать ценнейшие данные: независимо оценивать массы сверхмассивных черных дыр, а значит, и калибровать косвенные методы оценки масс, напрямую исследовать динамику вещества в аккреционных дисках, оценивать энерговыделение и размеры дисков, наблюдать за движением неоднородностей в них и обнаруживать изменение яркости, проверять результаты теорий и расчеты гравитационного линзирования вблизи черных дыр, а бонусом — в тысячный раз подтверждать теорию относительности.

Для широкой публики нашумевший снимок прежде всего наглядное подтверждение самого существования черных дыр. Хотя профессионалы уверены в этом уже давно, но финансирование фундаментальной науки в конечном счете обеспечивается обществом, поэтому наглядная демонстрация результата имеет колоссальное значение.

Сергей Назаров, научный сотрудник Крымской астрофизической обсерватории

Как выжить рядом с черной дырой? Отрывок из книги «Чудовища доктора Эйнштейна»

Физики не до конца уверены, что такое черные дыры и как они устроены, несмотря на то что весной у нас появилась первая фотография тени такого объекта. Выглядит эта тень так же, как в фильме «Интерстеллар». Но что если высадиться, как это сделали герои Энн Хэтэуэй и Мэттью Макконахи, или даже обжиться на планете, вращающейся около непроглядной бездны?

Этот вопрос не такой праздный, как кажется: когда-нибудь погаснет и Солнце, и все до единой звезды, так что необходимую для выживания энергию будет больше неоткуда брать. В самом конце своей книги «Чудовища доктора Эйнштейна: О черных дырах, больших и малых» Крис Импи осторожно берется на него ответить.

Обложка книги «Чудовища доктора Эйнштейна: О черных дырах, больших и малых»

© Издательство «Альпина нон-фикшн»

Хотя астрономы еще не нашли следов биологической жизни за пределами Земли, они полны оптимизма. Потенциально обитаемые места Солнечной системы есть на Марсе, Европе и Титане, а также на десятках лун планет-гигантов, где под панцирем из камня и льда течет вода. В 1995 г., после десятилетий безуспешных поисков, была открыта первая экзопланета, то есть планета, обращающаяся вокруг другой звезды. С тех пор словно открылись шлюзы, и нынешний список подтвержденных экзопланет включает больше 3700 позиций. Первые экзопланеты были найдены методом Доплера, суть которого состоит в выявлении притяжения, действующего со стороны планеты на родительскую звезду; впоследствии почти все открытия совершались транзитным методом — во время затмения экзопланета на мгновение делает родительскую звезду более тусклой.

В Млечном Пути находится громадное количество — 10 млрд — землеподобных планет с условиями на поверхности, пригодными для наличия жидкой воды. Многие из 100 млрд звезд Млечного Пути имеют землеподобные планеты. Если для жизни нужны только углеродный материал, жидкая вода и местный источник энергии, то найдется еще несколько сотен миллионов пригодных для обитания мест на менее гостеприимных спутниках и планетах. Время — другой постоянный актив, столь же ценный, что и пространство. Во Вселенной было достаточно углерода для формирования «клона» Земли в пределах миллиарда лет после Большого взрыва, поэтому некоторые землеподобные планеты имели перед Землей эволюционную фору в 8 млрд лет. Мы просто слишком несведущи и не можем вообразить все формы биологической жизни, которые могли развиться в этих бесчисленных мирах.

Поскольку мы не знаем о существовании жизни даже в одном ином мире, возможно, задумываться о перспективах жизни в далеком будущем — это самонадеянно, но мы все-таки попробуем.

На эту тему

Жизни не нужна звезда. Все, что ей нужно, — источник энергии. Согласно второму закону термодинамики, биологические формы нуждаются в разнице температур, создающей пригодный для использования источник энергии. Земля поглощает фотоны Солнца с температурой 6000 кельвинов и излучает в небо в 20 раз больше фотонов с температурой 300 кельвинов. В биологических организмах протекают сложные процессы, локально снижающие энтропию — или хаос, но эти организмы излучают тепло или тратят энергию, которая со временем излучается в космос. Энергетический аргумент применим даже к искусственной (искусственный интеллект), небиологической жизни, поскольку любая обработка информации требует энергии в той или иной форме.

Когда звезды Вселенной исчерпают ядерное топливо, гипотетическая цивилизация далекого будущего все еще сможет использовать разницу температур между последними остывающими угольками — белыми и коричневыми карликами — и глубоким космосом. Физик Фримен Дайсон размышлял о будущем жизни и пришел к такому выводу: биологические организмы могут выжить в эру снижения энергопотока, впадая в спячку на все более долгие промежутки времени. Так можно протянуть около 10 млрд лет, но что будет, когда все звезды окончательно погаснут?

Спасением станут черные дыры. Теоретически энергию можно извлекать из вращения черной дыры. Сразу за горизонтом событий имеется область, которая называется эргосферой. Это слово происходит от греческого «работа» и было предложено, что и неудивительно, Джоном Уилером. Эргосфера увлекается вращающейся черной дырой, как вода водоворотом, и на полюсах черной дыры она тоньше — представьте себе вращающийся воздушный шарик, наполненный водой: из-за вращения образуется выпуклость на экваторе. Роджер Пенроуз в 1969 г. предположил, что из эргосферы можно получать энергию. При правильной траектории тело сумеет проникнуть в эргосферу и покинуть ее с большей энергией, чем на входе. В результате вращение черной дыры только слегка замедлится. Цивилизация, проведя тщательные расчеты, сможет бросать объекты в черную дыру и получать дополнительную энергию, которую объекты обретут, будучи выброшенными обратно.

Другая здравая идея — поменять температуры местами и получить холодную звезду и горячее небо. Черные дыры в сегодняшней Вселенной часто бывают яркими, потому что вещество, падая в них, образует горячий аккреционный диск. Однако в далеком будущем газ уже будет поглощен, и черные дыры станут холодными и темными, за исключением слабенькой «мороси» излучения Хокинга с температурой в долю градуса. По сравнению с этим Вселенная является «комфортно теплой» — ее температура 2,7 кельвина обеспечивается остаточным излучением Большого взрыва, но будет снижаться по мере дальнейшего расширения Вселенной. Теоретики рассчитали, что землеподобная планета на орбите черной дыры — достаточно близкой, чтобы та казалась такого же размера, что и Солнце на нашем небе, — могла бы выиграть около киловатта на разнице температур. Возможно, этого хватит для миниатюрной или очень эффективной цивилизации.

Аналогичная стратегия была использована в фильме «Интерстеллар», в котором мир под названием планета Миллер находился вблизи массивной вращающейся черной дыры Гаргантюа. Гравитация настолько замедляет время, что один час на планете равен семи годам во внешнем мире. В теории обитатели планеты Миллер могли бы добывать 130 ГВт энергии, но то, что люди способны там жить, — смелое кинематографическое допущение. Такая огромная энергия разогреет планету до 900 °C — достаточно, чтобы расплавить металл.

Проблемой использования черных дыр для получения энергии излучения Большого взрыва является скорость расширения космического пространства. Температура этого излучения сейчас составляет 2,7 кельвина, но, поскольку темная энергия вызывает экспоненциальный рост Вселенной, фотоны излучения растягиваются вследствие ее расширения, длина их волны становится очень большой, а их энергия очень малой. Через 100 млрд лет температура излучения Большого взрыва будет равна крохотной доле градуса.

Цивилизациям придется менять стратегии. Излучение Хокинга у черной дыры минимальной массы, составляющей три солнечные, имеет температуру 2×10^–8 кельвинов и светимость 10^–29 Вт. Оно совсем слабое, но, кроме энергии вращения черной дыры, оно будет единственным источником энергии до тех пор, пока черные дыры не испарятся — через 10⁷⁶ лет. Чтобы собрать все это излучение, цивилизация должна будет окружить черную дыру разновидностью сферы, которую, по мнению Фримена Дайсона, могут использовать разумные инопланетяне. Затем внимание будет обращено на сверхмассивную черную дыру в центре Млекомеды (галактика, которая получится после столкновения нашего Млечного Пути и Андромеды через несколько миллиардов лет — прим. ТАСС). При температуре 6×10^–18 кельвинов и светимости 10^–48 Вт она станет угасающим костром, у которого можно будет погреть руки. Жизнь в далеком будущем потребует экономии и терпения, но, пока не испарится последняя черная дыра — что случится через 10¹⁰⁰ лет, — единственным недефицитным ресурсом во Вселенной будет время.

На эту тему

В своих исследованиях я лишь бросил беглый взгляд на черные дыры. Они огромны и непостижимы, видны через безбрежные пространства, разделяющие нас с далекими галактиками. Моя жизнь коротка в сравнении с их жизнью. Сколько они просуществуют? Моргните. Вы могли бы сделать это миллиард миллиардов раз с момента Большого взрыва. Время, за которое большинство массивных черных дыр исчезнет, относится к возрасту Вселенной так, как возраст Вселенной относится к продолжительности моргания глаза. И так еще три раза, пока не пройдет 10¹⁰⁰ лет.

Это непостижимая бездна времени. Английское слово clock («часы») — старинное слово. Оно происходит от слова из среднеанглийского языка (английский язык XI–XV вв. — Прим. пер.), обозначающего колокольчик, и напоминает о временах, когда у часов не было ни стрелок, ни цифр, ведь совсем немногие были грамотными. Далеко в будущем, после эпохи существования человечества, после маятниковых часов, а затем эры механических часов с ее Timex и Rolex, после распада последних радиоактивных атомов и после того, как остановится последний пульсар, настанет время черных дыр.

Я представляю себе, что бессмертен. Если бы я смог дожить до конца времени черных дыр, наблюдая за тем, что делаем мы или цивилизации с других звезд, что бы я увидел?

Сначала была бы эпоха варваров — продолжение той, в которой живем мы, когда цивилизации воюют друг с другом, и худшая судьба для побежденного врага — быть брошенным в черную дыру и мучительно погибнуть, будучи разорванным на части гравитацией. Затем, возможно, наступает эпоха цивилизации, когда живые существа оставляют образы, застывшие на горизонте событий больших черных дыр, в качестве вечных памятников. Я оптимист и воображаю эпоху знания, когда одни учатся считывать информацию, сохраняющуюся в голографической форме на горизонте событий, а другие отваживаются проникать во вращающиеся черные дыры, чтобы обрести убежище на времяподобной поверхности, в зале зеркал времени, где можно путешествовать назад и вперед, встречаясь со своими прошлыми и будущими «я», но откуда невозможно выйти. Наконец, наступает эпоха чувствования, когда жизнь сводится к чистой обработке информации, а черные дыры являются разновидностью информационного хранилища. Приятно думать, что их тайнописью, возможно, поддерживается ритм жизни Вселенной.

Гравитация — слабейшая из сил, но наиболее почитаемая и самая упорная. Другие силы давным-давно перестали действовать. Все субатомные частицы распались, электромагнитное излучение рассеялось и растянулось, превратившись в ничто. Оглушительные раскаты гравитационного излучения, испускаемого при слиянии черных дыр, навсегда отгремели. Последняя музыка сфер — басовое бренчание вращения черных дыр. Они медленно и неуклонно испаряются. Это конец. Вселенная распадается в почти идеальную однородность, и только квантовые флуктуации слегка тревожат вакуум.

Рецензия на фильм Интерстеллар от Арманд 06.03.2019

Давно собирался посмотреть это «культовое кино» и «фильм-религию», как о нем пишут многие. Да и сногсшибательная оценка 10 из 10 безусловно настораживает, но в хорошем смысле этого слова. К тому же этот проект позиционировался, как первая действительно научная фантастика за долгие годы «мститель-джедайскых» сказок. И вот долгожданный миг наступил и я решил посмотреть этот «замечательный» фильмец через 5 лет после его официального выхода в прокат. Но радость была недолгой, точнее уже с первых минут фильма стали видны сквозные сценарные дыры и антинаучный бред… Начнем, по порядку: 1. Мир на грани экологической катастрофы по неизвестной причине, которую озвучивают как желание планеты Земля покончить с человечеством путем распространения некоего патогена, изничтожающего всю пригодную в пищу растительность! В такую «загогулину» можно поверить в фильме Найта Шьямала «Явление», где коллективный разум растительного мира решил нам отомстить за все хорошее. Но здесь!? Это же научная фантастика, машу вать! Не ужастик с акцентом на ужастик, а фантастика с намеком на науку! Так где она!? А главное почему люди такие тупые!? Патоген изничтожает посевы, но никто не стал выращивать на океанском дне морскую капусту, которая хоть на вкус и не очень, но голод утоляет! А главное, что на глубине даже в 5 метров, точно нет НИКАКИХ пылевых бурь! Но людям будущего видимо это невдомек, равно как и построить нечто вроде изолированных от патогена бункеров, тоже догадаться не реально! 2. Дальше хуже… Мало того, что на этой Земле полная экологическая …опа, так они еще и плодят безграмотность, штампуя поколение полных дебилов, которые не только не верят в программу «Аполлон», но и судя по всему не верят даже в современную медицину, так как магнитно-резонансный томограф или МРТ, оказался на свалке вместе с космическими ракетами! Где логика!? Причем здесь высадка на Луну и прибор, который нужен для диагностики заболеваний!? Получается, что государства занимаются не только выращиванием «образованных зомби» из фильма группы Пинк Флойд «Стена», но еще и считают, что человечество должно раньше умереть от болезней, чтобы потом не мучатся от голода! Действительно научно-фантастический подход! Жаль Гитлер до этого фильма не дожил — было бы чему у сценариста поучится! 3. Вопреки предыдущему утверждению — «да подохните вы все поскорее», американское правительство в тайне ото всех вливает триллионы долларов в программу по переселению людей на другие планеты! Хотя даже триллионов могло бы уже и не хватить, ведь на умирающей Земле должна уже быть такая инфляция и цены на еду, что поп-корн продавался бы как белужья икра — в банках из золота 999 пробы! Но нет! Еды нет, а на бейсбол мы все идем смотреть и жрем, как раз-таки этот драгоценный поп-корн, ибо другой еды уже нет вообще! Еды нет, но зрелища нам подавай! Пир во время чумы — не иначе… 4. В борьбе за выживание землян нам помогает Творец всего сущего — не инопланетяне. а именно Бог, про которого ни слова в фильме нет, но который, и только Он, смог бы материализовать «кротовую нору» и поддерживать ее в рабочем состоянии столько лет! И никто другой, я отмечу! НИКТО и НИКОГДА!!! Ибо проделать «кротовую нору» это как зажечь солнце, причем не одно, а сразу много! А потом скармливать их этой гравитационной аномалии в качестве топлива по десяток штук в день. Так что инопланетяне отпадают… Только Высший Разум вселенского масштаба! И вот это уже «сценарная дыра» галактического масштаба! Спрашивается куда смотрел Нобелевский лауреат по физике Кип Торн, когда читал сценарий и продюссировал этот фильм? Знаю куда! Он смотрел в будущее, так как тогда Нобелевскую себе еще не купил! А как хорошо получилось — выпустил кино, собрал бабло, через два года Лауреат! Так еще и использовал ресурсы киностудии на написание 800 терабайт программного обеспечения, чтобы построить модель «черной дыры», а потом их применил куда ему надо! Прямо как наши политики — освоил бюджетные средства на свои нужны, им ведь нужнее! 5. И полетели… Но куда!? В звездную систему со сверхмассивной черной дырой в самом центре!? Да вы шутите!!! И это научная фантастика!? Мало того, что вокруг «черной дыры» вращаются планеты, так тут еще и убогий звездолет вокруг нее орбиты накручивает! Как!? Даже свет с его скоростью света не может покинуть «черную дыру», а корабль который ползет едва ли не скорости звука (если верить картинке), спокойно мимо нее пролетает. .. В реальности все выглядело бы слегка иначе — вылетели бравые исследователи из «кротовой норы», увидели бы перед собой преломленный свет звезд, расположенных за «черной дырой» и саму «черную дыру» без красивого ореола, ибо раз другой звезды в этой системе нет, то и материю для такого гарного «нимба» добывать неоткуда (Кип Торн хреновый физик, раз об этом не знал), но главное, что последние 3 минуты своей бесполезной жизни геройский квартет просто занимался бы «напоследок» групповым сексом, что нормально с точки зрения человеческой психологии. И задолго до оргазма их бы разорвало силой притяжения «дыры» еще на подлете к «горизонту событий», ну. а дальше — Бог его знает, ибо из-за «горизонта» даже свет не вылетает, а не то, чтобы актеры в космических скафандрах. 6. Про остальные ляпы. косяки, огрехи и дебильность на грани полного идиотизма даже не хочу писать, ибо тогда разрешенных 9999 символов просто не хватит! Ну, и в заключение хочу добавить, что пускать слюни счастья на этот «научно-фантастический шедевр» могут только те, кто реально верит, что «черная дыра» это сквозная дыра в континууме, которая ведет в параллельную вселенную, а также в то, что «холодный» термоядерный синтез это выработка энергии при температуре ниже нуля…

«Межзвездный» вид черной дыры, предсказанный Кристофером Ноланом

В ходе революционного открытия космоса астрономы сделали первое изображение черной дыры.

Когда Warner Bros. выпустили фильм Кристофера Нолана «Интерстеллар», актеры и съемочная группа отстаивали научную точность фильма. Нолан хотел, чтобы «Интерстеллар» как можно больше соответствовал реальной науке, когда дело доходило до изображения червоточин и черных дыр, поэтому он нанял физика-теоретика из Калифорнийского технологического института Кипа Торна в качестве исполнительного продюсера и научного консультанта по фильму.Торн тесно сотрудничал с командой VFX, чтобы придать фильму черную дыру по имени Гаргантюа.

С недавним новаторским выпуском первой настоящей фотографии черной дыры, похоже, Торн и команда «Интерстеллар» положительно предсказали первый взгляд мира на космические явления. Астрономы сделали первое изображение реальной черной дыры и обнародовали его 10 апреля.

На фотографии показан красно-оранжевый круг, сделанный из пыли и газа, который образует контур черной дыры, которая находится в 55 миллионах световых лет от Земли в галактике Мессье 87.«Межзвездная» черная дыра была создана с помощью нового программного обеспечения CGI-рендеринга, основанного на теоретических уравнениях, предоставленных Торном и группой исследователей. Новая технология позволила Торну обнаружить информацию о гравитационных линзах и аккреционных дисках, окружающих черные дыры.

Связанные

Связанные

«Межзвездная» черная дыра также представлялась сферой, а не двумерной, с дисками из пыли и газа, которые образовывали кольцевые формы.Похоже, черная дыра Нолана правильно изобразила эффект оранжевой пыли и газа настоящей черной дыры. В сопутствующей книге Торна «Наука о межзвездном пространстве» он написал, что аккреционный диск черной дыры может излучать свет, потому что он «анемичен и имеет низкую температуру — примерно температуру поверхности Солнца».

Черная дыра на настоящей фотографии не видна, но диск выскакивает подобно тому, как это изображено в «Интерстеллар». «Светская жизнь» Клэр Дени, которую сейчас показывают в кинотеатрах, также изображает черную дыру в некотором роде, как у Нолана.Сравните и сравните настоящую черную дыру с фильмами Нолана и Дениса на фотографиях ниже.

Real Black Hole

СОТРУДНИЧЕСТВО С ТЕЛЕСКОПОМ EVENT HORIZON / HANDOUT / EPA-EFE / REX / Shutterstock

«Межзвездная» Черная дыра

Warner Bros.

«Межзвездная» Черная дыра

Warner Bros.

Черная дыра «High Life»

A24

#HighLife черная дыра (слева) #RealBlackHole (справа). Найдите себе космического консультанта, например @AurelienBarrau.pic.twitter.com/diLoDGeFJj

— A24 (@ A24) 10 апреля 2019 г.

Подпишитесь: Будьте в курсе последних последних новостей кино и телевидения! Подпишитесь на нашу рассылку новостей по электронной почте здесь.

Гаргантюа | Межзвездная вики | Фэндом

Миллер на орбите Гаргантюа

Гаргантюа — очень массивная, быстро вращающаяся черная дыра. Он вращается вокруг планет Миллера и Манн, а также безымянной нейтронной звезды. Звезда главной последовательности Пантагрюэль находилась в пределах годового полета от Гаргантюа вместе с обитаемой планетой Эдмундс.Гаргантюа находится в пределах нескольких недель космического полета к Червоточине.

В книге Кипа Торна The Science of Interstellar, он упоминает, что Гаргантюа не имеет струи или перегретого синего аккреционного диска, что указывает на то, что он, вероятно, не пожирал звезду миллионы лет.

История

Одним из первых открытий НАСА после отправки первых зондов через Червоточину, вероятно, был Гаргантюа. Миссии Лазаря очень мало занимались изучением Гаргантюа, но межзвездное реле НАСА определило его гравитационное влияние на его планетную систему.

Черная дыра Гаргантюа использовалась для маневра с мощной рогаткой, чтобы облегчить прибытие Брэнда на планету Эдмундса, поскольку у Endurance не было достаточно топлива, чтобы добраться до Эдмундса самостоятельно. Гаргантюа также доставил Купера и ТАРС к тессеракту, что позволило им увидеть сингулярность черной дыры и передать квантовые данные дочери Купера с помощью кода Морзе. Предположительно, Гаргантюа находится в центре галактики или недалеко от него. Из-за присутствия большого количества нейтронных звезд и IMBH (черных дыр промежуточной массы) это могла быть сверхмассивная черная дыра родной галактики.

2008 скрипт

Названия нейтронной звезды и черной дыры, скорее всего, взяты из, Жизнь Гаргантюа и Пантагрюэля , пентологии романов, написанных в 16 веке Франсуа Рабле и повествующих о приключениях двух гигантов: Гаргантюа и его сына Пантагрюэля. . В сценарии 2008 года Пантагрюэль на самом деле представляет собой меньшую черную дыру с ледяной планетой, вращающейся вокруг нее.

По расчетам Кипа Торна, масса Гаргантюа составляет около 100 миллионов солнечных масс, что делает ее сверхмассивной черной дырой.Кроме того, это крайний случай, поскольку он каким-то образом раскручивается до максимума минус 0,00000000000001 от максимума, перетаскивая пространство вокруг себя при этом. Некоторые визуальные эффекты были сильно приглушены по сравнению с тем, как это могло бы выглядеть на самом деле; горизонт событий будет искажен, а красный и синий будут смещены. Планета Миллера находилась бы ниже уровня аккреционного диска, а горизонт событий покрыл бы 40% видимого неба. По тем же расчетам, орбитальные переходы к Миллеру, вероятно, потребуют маневров с рогаткой вокруг черных дыр промежуточной массы как в начале маневров, так и в конце, поскольку потребности в энергии, по-видимому, исключают другие методы получения необходимой энергии.Частично упоминается в фильме из-за короткой ссылки на нейтронную звезду, полезную для маневров с рогаткой.

Ссылки

Как создание черной дыры для «Межзвездного» привело к удивительному научному открытию

Франклин знал, что его компьютеры сделают все, что он им скажет. Это было проблемой и искушением. «Очень легко попасть в ловушку нарушения правил реальности», — говорит Франклин, старший руководитель отмеченного наградой «Оскар» студии спецэффектов Double Negative.«И эти правила на самом деле довольно строгие».

Поэтому он попросил Торна составить уравнения, которые направили бы их программное обеспечение эффектов так, как физика управляет реальным миром. Они начали с червоточин. Если бы свет вокруг червоточины не вел себя классически, то есть не двигался бы по прямой линии, что бы он делал? Как это можно описать математически?

Торн отправил Франклину свои ответы в виде тщательно исследованных записок. Длинные страницы с обширным исходным кодом, покрытые уравнениями, они больше походили на статьи из научных журналов, чем на что-либо еще. Команда Франклина написала новое программное обеспечение для рендеринга на основе этих уравнений и создала червоточину. Результат был выдающимся. Это было похоже на хрустальный шар, отражающий вселенную, сферическую дыру в пространстве-времени. «Научная фантастика всегда хочет принарядить вещи, как будто ей никогда не нравится обычная вселенная», — говорит он. «То, что мы получали от программного обеспечения, сразу было убедительным».

МакКонахи исследует другой мир в «Интерстеллар» (вверху). Диаграмма Торна, показывающая, как черная дыра искажает свет.

Диаграммы любезно предоставлены Кипом Торном

Их успех с червоточиной вдохновил команду спецэффектов на то, чтобы попробовать тот же подход с черной дырой. Но черные дыры, как следует из названия, — это убийство на свете. Кинематографисты часто используют метод, называемый трассировкой лучей, для визуализации света и отражений на изображениях. «Но программное обеспечение для трассировки лучей делает в целом разумное предположение, что свет движется по прямым путям», — говорит Эжени фон Тунзельманн, супервайзер компьютерной графики в Double Negative.Это была совершенно другая физика. «Нам пришлось написать совершенно новый рендерер», — говорит она.

Для рендеринга некоторых отдельных кадров требовалось до 100 часов, вычисления были перегружены из-за изгибающихся бит искажений, вызванных эффектом Эйнштейна, называемым гравитационным линзированием. В итоге фильм обработал 800 терабайт данных. «Я думал, что на этом мы переступим порог в петабайтах», — говорит фон Тунзельманн.

«Крис действительно хотел, чтобы мы реализовали идею о том, что черная дыра имеет сферическую форму», — говорит Франклин.«Я сказал:« Вы знаете, это будет похоже на диск ». Единственное, что вы можете увидеть, это то, как он искажает звездный свет». Затем Франклин начал читать об аккреционных дисках, скоплениях материи, вращающихся вокруг черных дыр. Франклин решил, что он может использовать это кольцо вращающегося по орбите детрита, чтобы определить сферу.

Фон Тунзельманн попробовал хитрую демонстрацию. Она создала плоское разноцветное кольцо — замену аккреционного диска — и разместила его вокруг вращающейся черной дыры.Случилось что-то очень, очень странное. «Мы обнаружили, что искривление пространства вокруг черной дыры также искажает аккреционный диск», — говорит Франклин. «Таким образом, вместо того, чтобы выглядеть как кольца Сатурна вокруг черной сферы, свет создает этот необычный ореол».

Вот что привело Торна к моменту «почему, конечно», когда он впервые увидел окончательный эффект. Команда Double Negative подумала, что это, должно быть, ошибка в рендерере. Но Торн понял, что они правильно смоделировали феномен, заложенный в математике, которую он предоставил.

Команда по визуальным эффектам «Интерстеллар» опубликовала исследование «Черная дыра»

Специальные эффекты, которые используются в научно-фантастическом блокбастере «Интерстеллар», помогают исследователям лучше понять сверхмассивные черные дыры и другие космические явления в реальном мире.

Команда визуальных эффектов «Интерстеллар» опубликовала научное исследование, описывающее компьютерный код, который оживил червоточину и огромную черную дыру, получившую название «Гаргантюа», сыгравшие центральные роли в фильме.

В исследовании, опубликованном сегодня (13 февраля) в журнале Classical and Quantum Gravity, подробно описывается, как компьютерный код, называемый Double Negative Gravitational Renderer, или DNGR, помог построить научно точный вид Гаргантюа, наметив, как миллионы световых лучей проходят через искривленное пространство-время, окружающее черную дыру. [Объяснение науки «Межзвездного» (Инфографика)]

Команда «Интерстеллар» рано обнаружила, что традиционный способ создания черной дыры на экране вызывает странное мерцание при перемещении звезд и других объектов. Итак, они попробовали что-то новое.

«Чтобы избавиться от мерцания и создать реалистично гладкие изображения для фильма, мы изменили наш код, как никогда раньше», — ведущий автор исследования Оливер Джеймс, главный научный сотрудник английской фирмы по спецэффектам Double Negative , Говорится в сообщении. «Вместо того, чтобы отслеживать пути отдельных световых лучей с помощью уравнений Эйнштейна — по одному на пиксель — мы отслеживали искаженные пути и формы световых лучей».

«Этот новый подход к созданию изображений будет иметь большое значение для таких астрофизиков, как я», — сказал соавтор Кип Торн, известный астрофизик, который был советником и исполнительным продюсером фильма.«Нам тоже нужны гладкие изображения».

Джеймс, Торн и их коллеги также использовали DNGR, чтобы лучше понять, как странные морщинистые поверхности пространства-времени, называемые «каустиками», влияют на изображения далеких звезд, видимые камерой или наблюдателем вблизи быстро вращающейся черной дыры.

«Луч света, испускаемый из любой точки на каустической поверхности, фокусируется черной дырой в яркий световой пучок в данной точке», — сказал Джеймс.

«Все каустики, кроме одной, много раз обвивают небо, когда камера приближается к черной дыре», — добавил он.«Это обволакивание неба вызвано вращением черной дыры, увлекающей пространство в вихревое движение вокруг себя, как воздух в вихре торнадо, и многократным растягиванием каустики вокруг черной дыры».

Вы можете бесплатно прочитать новую статью здесь.

«Интерстеллар», выпущенный в ноябре 2014 года, рассказывает о небольшой группе исследователей, которые намереваются найти новый дом для человечества, существованию которого на Земле угрожают неурожаи во всем мире. Эта команда, возглавляемая бывшим фермером по имени Купер, отправляется в другую галактику через червоточину, загадочным образом появившуюся возле Сатурна.(Команда эффектов использовала DNGR также для визуализации червоточины. )

Режиссер фильма — Кристофер Нолан, в главных ролях — Мэтью МакКонахи, Энн Хэтэуэй, Джессика Честейн и Майкл Кейн.

Следуйте за Майком Уоллом в Twitter @michaeldwall и Google+ . Следуйте за нами @Spacedotcom , Facebook или Google+ . Первоначально опубликовано на сайте Space.ком .

Истинная черная дыра Интерстеллар слишком сбивает с толку

Джейкоб Арон

Classical and Quantum Gravity, 2015. Воспроизведено с разрешения IOP Publishing

Даже черные дыры носят макияж в Голливуде. В прошлогоднем популярном фильме « Interstellar » использовались настоящие научные уравнения, чтобы показать, что происходит, когда группа космических путешественников отваживается приблизиться к сверхмассивной черной дыре.Теперь совместная статья, опубликованная в журнале Classical и Quantum Gravity от команды визуальных эффектов фильма и научного консультанта, показывает, что настоящая черная дыра (см. Выше) была сочтена слишком запутанной для публики, и некоторые научные данные должны были быть изменены. вниз.

Предпосылка Interstellar была впервые задумана физиком Кипом Торном из Калифорнийского технологического института, который хотел снять реалистичный фильм о черных дырах. Он объединился с режиссером и соавтором сценария Кристофером Ноланом, а также с лондонской студией визуальных эффектов Double Negative, чтобы создать черную дыру фильма, Гаргантюа.

«Я задавал ему вопрос и, возможно, через неделю, иногда через месяц, я получал красиво оформленный документ, который он выложил со ссылками на историю проблем, о которых я спрашивал», говорит Оливер Джеймс, главный научный сотрудник Double Negative.

Реклама

«Мы основываем это на науке, но мы всегда даем контроль, чтобы художники могли его изменить»

Это не первый раз, когда физики использовали уравнения общей теории относительности Альберта Эйнштейна для получения изображений и фильмов о свойствах искривления пространства черной дыры. Но это было гораздо более низкое разрешение и менее детализированное, чем голливудское производство, поэтому команде пришлось внести несколько изменений. Чтобы избежать мерцающих разрывов, вместо того, чтобы отслеживать пути отдельных световых лучей для создания изображения, они использовали пучки лучей, которые служат для сглаживания результирующего фильма. «Для этого потребовалось довольно много исследований, чтобы рассчитать, что произойдет», — говорит Джеймс.

Черно-синий

Самый поразительный элемент Interstellar Gargantua — это аккреционный диск, светящееся кольцо материи, которое его окружает.Команда начала использовать простой плоский диск цвета радуги, чтобы выяснить, как он будет искажен черной дырой, а затем заменила его на более тонкий диск с реалистичными цветами.

Результат выглядел хорошо, но центральная черная дыра, казалось, была сдавлена ​​с одной стороны. Это потому, что эффекты замедления времени в фильме означали, что черная дыра должна вращаться очень быстро, заставляя ее утаскивать свет в одну сторону. Нолану не нравилась эта асимметрия, и он думал, что кинозрители не поймут почему, поэтому команда замедлила его, говорит Джеймс.

Classical and Quantum Gravity, 2015. Воспроизведено с разрешения IOP Publishing

Диск Гаргантюа в фильме также краснее и ярче, чем он был бы в реальной жизни (см. Выше). По мере того, как команда работала над фильмом, они добавляли уровни научных деталей. Они обнаружили, что вращение черной дыры превращало светящуюся красную материю в холодную синюю благодаря эффекту Доплера, укорачивающему длину волны испускаемого ею света. Это также сделало одну сторону диска намного более темной, почти невидимой.И снова Нолан наложил вето на эти детали.

«Мы основываем это на науке, но мы всегда даем контроль, чтобы художники могли его изменить», — говорит Джеймс. «В первых изображениях, которые мы ему дали, не было доплеровского сдвига, и я думаю, он влюбился в них».

Вдали от реализма

«Когда я посмотрел фильм, я сразу увидел, что черная дыра не выглядела так, как должна выглядеть для черной дыры, почти максимально вращающейся», — говорит Эндрю Гамильтон из Университета Колорадо в Боулдере. Теперь, когда он прочитал газету, он рад видеть, что они замедлили ее по какой-то причине.«Я не осознавал, насколько осторожна команда Interstellar была со своим рендерингом».

Ален Риазуэло из Парижского института астрофизики говорит, что ценит усилия команды, но в рамках чисто научного проекта все было бы иначе, потому что астрономы хотят создавать модели того, что их телескопы могут видеть издалека. «С точки зрения астрофизики вам нужно смоделировать различные конфигурации материи вокруг черной дыры, а затем попытаться предсказать, что дадут вам ваши наблюдения», — говорит он. Команда просто выбрала диск, который, по их мнению, выглядел хорошо.

Риазуэло встретился с Торном несколько лет назад и дал ему несколько первых визуализаций, поэтому был немного разочарован, когда фильм не был полностью реалистичным. «Через несколько минут я понял, почему они это сделали, но я бы предпочел, чтобы они были немного ближе к реализму», — говорит он, хотя могло быть и хуже. «Вы должны помнить, что ничто не заставляло Кристофера Нолана придерживаться реалистической науки».

Методы, разработанные для Interstellar , могут иметь неожиданные преимущества по сравнению с черными дырами.Джеймс говорит, что ему прислали электронное письмо от исследователей проекта НАСА, планирующего изучение вращающихся нейтронных звезд, которые говорят, что уравнения команды могут помочь им интерпретировать реальные астрономические данные. «Первоначально, когда вышел фильм, все были очень взволнованы тем, что для создания фильмов использовалась настоящая наука», — говорит Джеймс. «Как кинематографисты мы сейчас очень рады тому, что наша наука может быть использована в проектах НАСА для того, чтобы делать вещи, о которых мы никогда не думали».

Ссылка на журнал: Классическая и квантовая гравитация

Прочтите об астрономе, планирующем сфотографировать черную дыру в центре Млечного Пути

Еще по этим темам:

Межзвездный фильм помогает ученым моделировать НАСТОЯЩИЕ черные дыры

Команда, создавшая потрясающие спецэффекты Interstellar, занималась бизнесом, когда они намеревались имитировать факты космоса, небесных объектов и черных дыр как можно более точно с научной точки зрения.В статье, опубликованной в журнале Classical and Quantum Gravity, команда специалистов по спецэффектам подробно описывает инновационный компьютерный код, который они использовали для создания потрясающих изображений, а также для новых научных открытий. Всякий раз, когда научно-фантастический фильм извергает новый научный прогресс, вы знаете, что это хороший фильм!

Визуализация науки о черных дырах

Черная дыра Гаргантюа от Интерстеллар. Предоставлено: Double Negative

Interstellar. Специальными эффектами занималась лондонская компания по визуальным эффектам Double Negative.Руководящие сотрудники по просьбе директора Кристофера Нолана хотели работать как можно более реалистично, поэтому они привлекли всемирно известного физика-теоретика Кипа Торна, бывшего профессора Калифорнийского технологического института, чтобы он направил их к самому точному моделированию того, что когда-либо было черным. дыра будет выглядеть. Итак, Торн начал генерировать уравнения, которые будут направлять их программное обеспечение эффектов так, как физика управляет реальным миром. Все они согласились начать с червоточин. Сотни страниц и заметок были отправлены туда и обратно, и в конце концов все усилия окупились.Они создали потрясающий хрустальный шар, который отражает Вселенную в себя.

«Научная фантастика всегда хочет наряжать вещи, как будто ей никогда не нравится обычная вселенная», — говорит Торн. «То, что мы получали от программного обеспечения, сразу было убедительным».

Диаграмма Торна, показывающая, как черная дыра искажает свет. Предоставлено: Кип Торн.

Черные дыры были намного сложнее. Лучи света, проходящие близко к черной дыре, улавливаются и не могут уйти. Следовательно, область вокруг черной дыры представляет собой темный диск.Лучи света, которые проходят немного дальше, не улавливаются, а изгибаются гравитацией черной дыры. Это заставляет звездное поле казаться искаженным, как в зеркале забавного дома. Он также производит несколько изображений. Вы увидите два дублирующих изображения одной и той же звезды на противоположных сторонах черной дыры, потому что световые лучи, проходящие через черную дыру с обеих сторон, наклоняются к вам. Фактически, существует бесконечно много изображений каждой звезды, соответствующих световым лучам, которые несколько раз огибают черную дыру, прежде чем приблизиться к вам.

Согласно Проводной :

Кинематографисты часто используют метод, называемый трассировкой лучей, для визуализации света и отражений на изображениях. «Но программное обеспечение для трассировки лучей делает в целом разумное предположение, что свет движется по прямым путям», — говорит Эжени фон Тунзельманн, супервайзер компьютерной графики в Double Negative. Это была совершенно другая физика. «Нам пришлось написать совершенно новый рендерер», — говорит она.

Для рендеринга некоторых отдельных кадров требовалось до 100 часов, вычисления были перегружены из-за изгибающихся бит искажений, вызванных эффектом Эйнштейна, называемым гравитационным линзированием.В итоге фильм скрасил 800 терабайт данных

Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что каждый объект изгибает световые лучи под действием своей силы тяжести. Это называется гравитационным линзированием. Для нашего Солнца этот эффект очень слаб, но измерен. Для более массивных и далеких объектов во Вселенной наблюдается гораздо более сильное линзирование. Однако пока не удалось наблюдать этот эффект вблизи черной дыры или непосредственно сфотографировать темный диск, окружающий черную дыру.

Гаргантюа

Рендеринг цилиндра О’Нила, один из моих любимых кадров из фильма. Он вдохновлен кораблем из книги Артура Кларка «Свидание с Рамой», которую я очень рекомендую.

Для своего фильма команда Double Negative пошла по альтернативному пути от обычных спецэффектов для космических фильмов. Вместо того, чтобы отслеживать пути отдельных световых лучей, они моделировали пучки света, которые отлично подходили для имитации гравитационного линзирования. Фактически, их код настолько точен, что астрофизики думают использовать его для моделирования своих космических странностей.

В конце концов, Double Negative сорвал джекпот и создал одно из самых знаковых изображений в научной фантастике, конкурирующее с монолитом Space Odyssey: черную дыру Гаргантюа. Компьютерный код произвел черную дыру, дополненную светящимся аккреционным диском с беспрецедентной четкостью.

Соавтор исследования и главный научный сотрудник Double Negative, Оливер Джеймс, сказал: «Чтобы избавиться от мерцания и создать реалистично плавные изображения для фильма, мы изменили наш код способом, которого никогда раньше не делали.Вместо того, чтобы отслеживать пути отдельных световых лучей с использованием уравнений Эйнштейна — по одному на пиксель, — мы отслеживали искаженные пути и формы световых лучей ».

Соавтор исследования Кип Торн сказал: «Этот новый подход к созданию изображений будет иметь большую ценность для таких астрофизиков, как я. Нам тоже нужны гладкие изображения ».

Оливер Джеймс продолжил: «Когда наш код, названный DNGR для Double Negative Gravitational Renderer, стал зрелым и создавал изображения, которые вы видите в фильме Interstellar , мы поняли, что у нас есть инструмент, который можно легко адаптировать для научных исследований.”

Вот любопытный кусочек статьи. Кажется, что Гаргантюа, хотя и потрясающий и довольно точный, на самом деле не является самым точным изображением черной дыры, которое они могли бы создать. В окончательной версии Гаргантюа есть дополнительный код, который учитывает огромные силы вращения, которые будут создаваться при вращении черной дыры. Гаргантюа теперь выглядит значительно иначе: с одной стороны извергается больше материи, в то время как наблюдатель будет видеть другой цвет из-за эффекта Доплера.

Более точная версия Гаргантюа, недавно опубликованная в научной статье. Кредит: IOP

Как «Интерстеллар» привело к новому открытию о черных дырах

Похоже, что новый фильм Кристофера Нолана «Интерстеллар» не успеет выйти на экраны 7 ноября.В последнее время фильм вызывал много шума — и не зря. Помимо рассказа Кристофера Нолана и впечатляющей операторской работы со спецэффектами, фильм фактически привел к новому научному открытию, связанному с черными дырами. Правильно, фильм не только об исследовании космоса, он также способствует исследованию космоса.

Чтобы помочь со спецэффектами фильма, Нолан нанял Кипа Торна, астрофизика, ушедшего на пенсию из лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института НАСА в 2009 году.Торн и Нолан приступили к объединению «искривленной стороны Вселенной», которую Wired, выражаясь непрофессиональным языком, называет «искривленное пространство-время, дыры в ткани реальности, то, как гравитация искривляет свет». Для этого Торн отправил аниматорам Нолана страницы уравнений, которые они поместили в их программное обеспечение для рендеринга. То, что произошло потом, даже Торн не ожидал. После нескольких часов визуализации уравнений компьютеры вернулись с изображением черной дыры. Конечно, астрофизики вроде Торна теоретически знали, как может выглядеть черная дыра, но они могли только догадываться, и это был шаг вперед.

«Мы обнаружили, что искривление пространства вокруг черной дыры также искажает аккреционный диск», — сказал руководитель отдела спецэффектов Пол Франклин. «Таким образом, вместо того, чтобы выглядеть как кольца Сатурна вокруг черной сферы, свет создает этот необычный ореол».

Это не был какой-то завораживающий образ из научной фантастики, это было настолько близко к визуализации черной дыры, которую когда-либо создавала наука. Реальная сделка. «Научная фантастика всегда хочет принарядить вещи, как будто ей никогда не нравится обычная вселенная», — сказал Франклин.«То, что мы получали от программного обеспечения, сразу было убедительным».

Партнерство Нолана и Торна окупилось колоссально. Нолан получил настоящие космические снимки, которые он хотел сделать своим фильмом по-настоящему популярным, и Торн говорит, что у него достаточно данных, чтобы составить две исследовательские статьи об открытии.