от «Интерстеллара» до «Звездного пути»
«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
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
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
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.
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.
Почему первое изображение черной дыры не похоже на то, что было в «Интерстеллар»
До вчерашнего дня никто не знал точно, как выглядят черные дыры. Мы думали, что знаем, представляли их в художественном виде, создавали симуляции и даже использовали их в кино, формируя у самих себя образ того, как должен выглядеть этот космический объект. После просмотра «Интерстеллара», пожалуй, у всех сложились определенные представления о черных дырах.
Однако группа ученых, входящих в проект «Телескоп Горизонта Событий» представила изображение гиганта, масса которого в 6.5 миллиардов раз больше нашего Солнца, а расположен он в центре «соседней» галактики M87. Эта черная дыра вовсе не похожа на Гаргантюа — аналог из фильма Нолана с МакКонахи в главной роли.
Для начала небольшое введение для тех, кто имеет смутные представления об этих странных космических телах.
Черные дыры — это объекты, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна. Они имеют столь огромную массу, что ни свет, ни материя не способны вырваться за пределы гравитационного влияния. А граница, за которую уже ничто не способно выбраться, называется горизонт событий. Вчера ученые продемонстрировали изображение этого феномена — не фотографию, а реконструированное изображение «тени», которую черная дыра отбрасывает на свет, находящийся по другую сторону.
Представленная черная дыра выглядит почти так, как и ожидали ученые, полагаясь на теорию относительности.
Слева — изображение черной дыры в центре M87. В центре — изображение, полученное путем симуляции, справа — размытое изображение симуляции для соответствия разрешению телескопа.
Однако обычные люди, складывающие впечатления о черных дырах на основе фильмов, могли ожидать что-то подобное кадру из «Интерстеллар»:
Однако в действительности разница не столь большая, как кажется.
Но это еще не все. Мы не видим черную дыру под прямым углом и это причина еще одного из значительных отличий. Черная дыра M87 имеет более яркие акценты в левой нижней части. Это косвенное доказательство, что скорее всего черная дыра вращается. Материя вокруг черной дыры тоже вращается, при этом пространство-время само по себе будет обернуто вокруг черной дыры. Это значит, что материал, двигающийся в нашем направлении, выглядит ярче, тогда как та материя, что удаляется от нас, выглядит тусклее.
В «Интерстеллар» этой разницы в яркости нет, так как человеческий глаз, скорее всего, не смог бы выделить разницу на двух сторонах черной дыры из-за общей яркости.
Кроме того в фильме Кристофера Нолана присутствуют художественные элементы, вроде бликов. Еще одно значительное отличие — диск реальной черной дыры оказался значительно «толще», чем в кино, при этом он пропускает больше света, тогда как в «Интерстеллар» диск был значительно плотнее.
Проект Event Horizon Telescope продолжит делать изображения черной дыры в M87, а также в центре нашей галактики. Этот процесс позволит получить более четкие изображения, открывающие новые особенности черных дыр.
Больше статей на Shazoo
- Черную дыру обнаружили всего в 1560 световых годах от Земли
- Черная дыра выплюнула звезду, поглощенную несколько лет назад
- Настоящая черная дыра «звучит» как Жнецы из Mass Effect
Тэги:
Объяснение науки о «Интерстеллар» (инфографика)
Когда вы совершаете покупку по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать комиссионные.
Вот как это работает.
(открывается в новой вкладке)
Внимание: СПОЙЛЕР! Эта инфографика содержит подробности о новом космическом фильме «Интерстеллар».
Пункт назначения космического корабля Endurance — Гаргантюа, вымышленная сверхмассивная черная дыра с массой в 100 миллионов раз больше солнечной. Он находится в 10 миллиардах световых лет от Земли и вращается вокруг нескольких планет. Гаргантюа вращается с поразительной скоростью 99,8 процента скорости света.
«Интерстеллар» в картинках: Галерея космической эпопеи
Аккреционный диск Гаргантюа содержит газ и пыль с температурой поверхности Солнца. Диск обеспечивает светом и теплом планеты Гаргантюа.
Сложный внешний вид черной дыры в фильме связан с тем, что изображение аккреционного диска деформируется гравитационным линзированием на два изображения: одно зацикливается над черной дырой, а другое под ней.
Одной из особенностей уравнений Эйнштейна является то, что время течет медленнее в более сильных гравитационных полях. Так что на планете, вращающейся близко к черной дыре, часы идут гораздо медленнее, чем на космическом корабле, вращающемся дальше.
Варп-двигатели и червоточины (Видео)
Нашу трехмерную вселенную можно представить как плоскую мембрану (или «брану»), плавающую в четырехмерной пустоте, называемой «Балк». Присутствие массы искажает мембрану, как будто это резиновый лист.
Если в точке сконцентрировано достаточно массы, образуется сингулярность.
Объекты, приближающиеся к сингулярности, проходят через горизонт событий, из которого они никогда не смогут вернуться. Если бы две сингулярности в далеких друг от друга местах могли быть объединены, то мог бы образоваться туннель червоточины через Балк. Однако такие червоточины не могут образоваться естественным путем.
Существа, способные управлять гравитацией и путешествовать сквозь Балк, могут создавать червоточины и пересекать пространство намного быстрее скорости света.
На двухмерных диаграммах устье червоточины показано в виде круга. Если смотреть лично, червоточина будет сферой. На поверхности сферы виден гравитационно искаженный вид пространства с другой стороны.
Червоточина в фильме имеет диаметр 1,25 мили (2 километра) и длину 10 миллиардов световых лет.
- Как работает межзвездное космическое путешествие (инфографика)
- Последние новости о Black Holes
- Галерея: Видения межзвездного Starship Travel
Следуйте США @Specedotcom , Facebook и Google .
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Связь Карла со Space.com восходит к 2000 году, когда его наняли для создания интерактивной флэш-графики. С 2010 по 2016 год Карл работал специалистом по инфографике во всех редакционных ресурсах Purch (ранее известной как TechMediaNetwork). До прихода в Space.com Карл провел 11 лет в нью-йоркской штаб-квартире Associated Press, создавая новостную графику для использования в газетах и в Интернете по всему миру. Он получил степень в области графического дизайна в Университете штата Луизиана и сейчас работает графическим дизайнером-фрилансером в Нью-Йорке.
Building Gargantua – CERN Courier
Оливер Джеймс из DNEG, снявший поразительную черную дыру в фильме 
Оливер Джеймс — главный научный сотрудник крупнейшей в мире студии визуальных эффектов DNEG, которая создала впечатляющие визуальные эффекты для Интерстеллар . Работа DNEG, выполненная в сотрудничестве с космологом-теоретиком Кипом Торном, привела к получению одних из самых физически точных изображений вращающейся черной дыры из когда-либо созданных, что принесло фирме премию Оскар и премию BAFTA. Для Джеймса все началось с получения степени бакалавра физики в Оксфордском университете в конце 1980-х — период, который он описывает как один из самых увлекательных и интеллектуально стимулирующих в своей жизни. «Это столкнуло меня с разрывом между тем, что вы наблюдаете, и реальностью. Я чувствую, что это был тот же самый разрыв, с которым я столкнулся, работая в Интерстеллар . Мне пришлось много учиться, чтобы понять физику черных дыр и искривленного пространства-времени».
Большая часть визуальных эффектов связана с пониманием того, как свет взаимодействует с поверхностями и объемами и в конечном итоге попадает в объектив камеры. Будучи студентом, Оливер интересовался атомной физикой, квантовой механикой и современной оптикой. Это, в дополнение к двум другим его увлечениям — компьютерам и фотографии — привело его к его первой работе в небольшой фотостудии в Лондоне, где он познакомился с техническими и операционными аспектами отрасли. Пропустив интеллектуальный вызов, предлагаемый физикой, в 19В 95 году он связался и получил место в группе исследований и разработок Computer Film Company — нишевой студии, специализирующейся на цифровом кино, которая была частью зарождающейся лондонской индустрии визуальных эффектов.
Внезапно эти тряпичные куклы оживали, и вы морщились от сочувствия, когда их избивали около
Оливер Джеймс
Решающий момент наступил в 2001 году, когда один из его бывших коллег пригласил его присоединиться к ESC Entertainment Warner Bros в Аламеде, Калифорния, для работы над Перезагрузка Матрицы и Обороты .
Его основной задачей была работа над моделированием твердого тела — нетривиальная задача, учитывая множество боевых сцен. «Есть сцена большой драки под названием Burly Brawl, где сотни цифровых актеров разбрасываются, как кегли», — говорит он. «Мы хотели добавить реализма, симулируя физику этих сталкивающихся тел. Первоначальные тесты выглядели физическими, но безжизненными, поэтому мы улучшили симуляцию, введя крутящий момент в каждом суставе, рассчитанный на примерах реальной локомоции. Внезапно эти тряпичные куклы оживали, и вы морщились от сочувствия, когда их избивали». Для создания всего нескольких секунд фильма потребовались месяцы работы десятков художников и техников.
После работы в ESC Entertainment Джеймс вернулся в Лондон и, после короткого периода работы в Moving Picture Company, наконец присоединился к «Double Negative» в 2004 году (переименованном в DNEG в 2018 году). Его привлек фильм Кристофера Нолана «Бэтмен: начало », для которого фирма создавала визуальные эффекты, и это было началом долгого творческого пути, кульминацией которого станет научно-фантастическая эпопея .
Interstellar , рассказывающий историю астронавта, ищущего пригодные для жизни планеты в открытом космосе.
Физика оживляет невидимое
«Нам нужно было создать новое изображение черных дыр; это большая проблема даже для человека с опытом работы в области физики», — вспоминает Джеймс. Учитывая, что в студенческие годы он не изучал общую теорию относительности, а касался только специальной теории относительности, он решил обратиться за помощью к Кипу Торну из Калифорнийского технологического института. «В какой-то момент я задал [Кипу] очень конкретный вопрос: «Не могли бы вы дать мне уравнение, описывающее траекторию света от далекой звезды, вокруг черной дыры и, наконец, в глаз наблюдателя?» Обратите внимание, что на следующий день я получил электронное письмо — это было больше похоже на научную статью, в которой были уравнения, отвечающие на мои вопросы». В общей сложности Джеймс и Торн обменялись примерно 1000 электронными письмами, часто с подробным математическим формализмом, который DNEG затем могла использовать в своем коде.
«Я часто формулировал свои вопросы довольно неуклюже, и Кип настаивал: «Что именно вы имеете в виду»? говорит Джеймс. «Это заставило меня переосмыслить то, что лежало в основе моих вопросов».
Результат для червоточины был подобен хрустальному шару, отражающему каждую точку вселенной
Oliver James
DNEG вскоре смогла разработать новое программное обеспечение для визуализации черных дыр и червоточин. Режиссер хотел червоточину с регулируемой формой и размером, поэтому мы разработали червоточину с тремя свободными параметрами, а именно длиной и радиусом внутренней части червоточины, а также третий вариант, описывающий плавность перехода от ее внутренней части к внешней, объясняет Джеймс. «Результат для червоточины был подобен хрустальному шару, отражающему каждую точку вселенной; представьте себе сферическую дыру в пространстве-времени». Моделирование черной дыры представляло собой более сложную задачу, поскольку по определению это объект, который не пропускает свет.
Вместе со своими коллегами он разработал совершенно новый рендерер, который имитирует путь света через гравитационно искривленное пространство-время, включая эффекты гравитационного линзирования и другие физические явления, происходящие вокруг черной дыры.
Стандарты качества
В Интернете можно найти множество изображений черных дыр, «поедающих» другие звезды или звезд, сталкивающихся с образованием черной дыры. Но создание изображения для фильма требует совершенно других стандартов качества. Высокое качество, требуемое от изображения IMAX, означало, что команде пришлось устранить любые артефакты, которые могли проявиться в окончательном изображении, и, следовательно, время рендеринга составляло до 100 часов по сравнению с типичными 5–6 часами, необходимыми для других фильмов. В отличие от основной цели большинства астрофизических визуализаций, заключающейся в достижении высокой пропускной способности, их главной целью было создание изображений, которые выглядели бы так, как будто они действительно были сняты на пленку.
«Эта цель привела нас к использованию набора методов визуализации, отличного от тех, что используются в астрофизическом сообществе — методов, основанных на распространении пучков лучей (лучей света) вместо дискретных световых лучей, и на тщательно разработанной пространственной фильтрации для сглаживания перекрытий соседних лучей. «, — говорит Джеймс.
Команда DNEG создала плоское разноцветное кольцо, обозначающее аккреционный диск, и расположила его вокруг вращающейся черной дыры. Результатом стало искривленное пространство-время вокруг черной дыры, включая ее аккреционный диск. Позже Торн написал в своей книге 9 2014 г.
0049 Наука Интерстеллар : «Вы не представляете, в каком восторге я был, когда Оливер прислал мне свои первые видеоклипы. Впервые — и раньше любого другого ученого — я увидел в сверхвысоком разрешении, как выглядит быстро вращающаяся черная дыра. Что он визуально делает с окружающей средой». В следующем году Джеймс и его коллеги из DNEG опубликовали вместе с Торном две статьи о науке и визуализации этих объектов (Am. J. Phys 83 486 и Class. Quantum Grav. 32 9).0010 065001).
Еще одна задача заключалась в том, чтобы зафиксировать тот факт, что пленочная камера должна двигаться со скоростью, составляющей значительную часть скорости света. Релятивистская аберрация, доплеровское смещение и гравитационное красное смещение должны были быть интегрированы в код рендеринга, влияя на то, как слои диска будут выглядеть вблизи камеры, а также на цветокоррекцию и изменения яркости в конечном изображении. Все становится еще сложнее ближе к черной дыре, где пространство-время более искажено; гравитационное линзирование становится более экстремальным, и вычисление занимает больше шагов.
Торн разработал процедуры, описывающие, как сопоставить луч света и пучок лучей от источника света с локальным небом камеры, и создал изображения низкого качества в Mathematica, чтобы проверить свой код, прежде чем передать его в DNEG для создания быстрого рендеринга с высоким разрешением. . Это использовалось для моделирования всех изображений, которые нужно было объективировать: поля звезд, пылевые облака и туманности, а также аккреционный диск вокруг Гаргантюа, 9Гигантская черная дыра 0049 Interstellar . В общей сложности фильм собрал почти 800 ТБ данных. Чтобы смоделировать звездный фон, DNEG использовала звездный каталог Tycho-2 от Европейского космического агентства, содержащий около 2,5 миллионов звезд, а совсем недавно команда приняла каталог Gaia, содержащий 1,7 миллиарда звезд.
Творческая индустрия
С увеличением использования визуальных эффектов все больше и больше ученых работают в этой области, включая математиков и физиков. А визуальные эффекты важны не только для научно-фантастических фильмов, но и в драматических или исторических фильмах.
Кроме того, растет число компаний, создающих специализированные пакеты моделирования для конкретных процессов. Только DNEG увеличилась с 80 человек в 2004 году до более чем 5000 человек сегодня. В то же время, это увеличение числа означает, что программное обеспечение должно быть масштабируемым и адаптируемым для широкого круга квалифицированных художников, объясняет Джеймс. «Разработка специализированного программного обеспечения для моделирования, которое используется небольшой группой квалифицированных художников на местном уровне, — это одно, но для того, чтобы сделать его пригодным для использования широким кругом художников по всему миру, требуются гораздо большие усилия — сделать его надежным и гораздо более доступным».
На вопрос, являются ли вычислительные ресурсы ограничивающим фактором для будущих визуальных эффектов, Джеймс считает, что любое увеличение вычислительной мощности будет быстро поглощено художниками, добавляющими дополнительные детали или создающими более сложные симуляции.