Гаргантюа это черная дыра: Тайны черных дыр: 6 занимательных вопросов астрофизикам

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

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

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

Показанная в фильме ситуация с пыльными бурями для США не в новинку. В тридцатые в прериях США и Канады разразилась серия катастрофических пыльных бурь. Регион, ставший их центром — западная часть Канзаса, южного Колорадо, Техаса, Оклахомы и Нью-Мексико, — прозвали «Пылевым котлом» (Dust bowl)

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

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

КОНТРАРГУМЕНТ: Но кислород-то куда из воздуха денется?

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

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

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

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

Нет, но наука допускает их существование или, по крайней мере, не отрицает его.

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

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

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

Наука признаёт сам факт существования кротовых нор. Будут ли они достаточно большими и стабильными, чтобы ими можно было пользоваться для путешествий туда и обратно на огромные расстояния, — совсем другой вопрос

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

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

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

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

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

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

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

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

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

На съёмочной площадке Кип Торн сам писал на доске, принадлежащей героям, чтобы надписи были осмысленными

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

На планету Миллер должны регулярно падать огромные метеориты. Гаргантюа не всегда сможет поглощать космический мусор, чаще он будет попадать на орбиту и вращаться там. Если траектория астероида изменится под воздействием другого небесного тела, возможны столкновения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

***

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

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

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

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

Невесомые облака на планете Манна — одна из «натяжек» фильма

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В первоначальной версии сценария, ещё до переработки Ноланом, появлялась раса существ, живущих в пятимерном пространстве

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

При создании этой статьи использовалась информация из книги Кипа Торна «Наука Интерстеллара»

Гаргантюа черная дыра.

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

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

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

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

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

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

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

Изображение дыры:

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

Чтобы аккреционный диск не зажарил всех заживо всеми возможными лучами, его сделал температурой всего пару тысяч градусов, как Солнце, он излучает свет и совсем чуть-чуть гамма и рентгеновских лучей. 2, законам.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Оказавшись на обратной стороне кротовой норы, космический корабль входит в трехпланетную систему, вращающуюся вокруг сверхмассивной чёрной дыры, которую исследователи называют Гаргантюа. Предполагается, что сверхмассивные чёрные дыры, с массами от миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца, сидят в ядрах всех галактик. Вероятно, что и в центре нашего Млечного Пути есть такой объект — Sagittarius А, чья масса превышает 4 миллиона Солнечных масс (4,31 106 M;). По Торну, Гаргантюа скорее похож на ещё более массивную сверхмассивную чёрную дыру, которая предположительно находится в ядре туманности Андромеды и которая оценивается в 100 миллионов солнечных масс (1.1–2.3 ; 108 M;). Её размер приблизительно пропорционален массе, а радиус такого гиганта охватывал бы орбиту Земли вокруг Солнца.
Такие огромные чёрные дыры не являются фантастическим преувеличением, поскольку у нас есть наблюдательные данные, подтверждающие существование таких «монструозных» чёрных дыр в далеких галактиках (Behemoth). Самой большой из обнаруженных на данный момент является чёрная дыра в галактике NGC 1277, находящейся в 250 миллионах световых лет от нас. Её масса может быть оценена в 17 миллиардов солнечных, а её размер сравним с орбитой Нептуна.
Ещё одной важной характеристикой Гаргантюа является то, что это быстро вращающаяся чёрная дыра. Все объекты во Вселенной, исключая саму Вселенную, имеют свойство вращаться. Естественно, что и чёрные дыры тоже вращаются, что описывается геометрией Керра. Последнее зависит от двух параметров: массы чёрной дыры (М) и момента количества движения (J). Важным отличием от обычных звёзд, которые вращаются по-разному, является то, что чёрные дыры по Керру вращаются с необычной устойчивостью: все точки на её условной поверхности (горизонте событий) вращаются с одной и той же угловой скоростью. Однако существует такой предельный момент количества движения Jmax , выше которого горизонт событий пропадет: это ограничение соответствует тому, что скорость вращения горизонта будет равна скорости света. В такой чёрной дыре, называемой «экстремальной», гравитационное поле у горизонта событий исчезнет, потому что внутреннее влияние гравитации будет компенсироваться за счет огромных отталкивающих центробежных сил. Тем не менее, вполне возможно, что большинство чёрных дыр во Вселенной имеет момент количества движения, довольно близкий к предельному. Например, типичная чёрная дыра звёздной массы (около 3 солнечных), считающаяся движущим механизмом в двойных рентгеновских источниках, должна вращаться на 5000 оборотах в секунду. Предположительно, чёрная дыра Гаргантюа, показанная в «Интерстелларе» как раз имеет момент количества движения на 10 в -10 степени близкий к предельному Jmax. Даже если это теоретически возможно, данная конфигурация всё равно выглядит нереалистичной с физической точки зрения. Потому что чем быстрее вращается чёрная дыра, тем тяжелее увлечь за собой вещество, вращающееся в том же направлении под воздействием центробежных сил, в то время как вещество, вращающееся в противоположном, легко «всасывается» в чёрную дыру, замедляя вращение. Вследствие этого слишком быстро вращающаяся чёрная дыра будет иметь тенденцию к замедлению до равновесной скорости, меньшей, чем у Гаргантюа (по релятивистским общим расчетам, чёрные дыры должны вращаться не быстрее, чем 0,998 Jmax). Однако преимуществом очень быстро вращающихся чёрных дыр является то, что планеты могут вращаться в непосредственной близости от горизонта событий, не падая под него. Это является ключевым моментом в фильме, а также позволяет очень сильное замедление времени.
Для шварцшильдовской чёрной дыры (то есть для дыры с моментом количества движения J=0), устойчивая внутренняя круговая орбита, в которой любой объект пройдет по спирали и врежется в чёрную дыру, расположена на расстоянии трех радиусов самой чёрной дыры. Для чёрной дыры с массой, равной 100 миллионам солнечных масс, это расстояние должно быть около 900 миллионов километров, чуть больше, чем расстояние от Юпитера до Солнца. Но для чёрной дыры Керра, вращающейся очень близко к предельному Jmax, устойчивая внутренняя круговая орбита может быть также близко, как сам горизонт событий, всего 100 миллионов километров. Это объясняет почему в «Интерстелларе» планета Миллер может вращаться над самым горизонтом событий и не падать.
Стоит также отметить, что чёрная дыра Керра это не волчок, крутящийся в стационарном внешнем пространстве; вращаясь, она задерживает всё полотно пространства-времени вместе с собой. Как следствие, планета Миллер должна вращаться со скоростью, близкой к световой.

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

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

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

Вот что получилось у Торна:

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

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

Объяснение, почему изображение получается именно таким:

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

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

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

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

Этот вопрос я объединю со следующим:

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

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

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

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

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

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

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

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

Торн пишет в The Science of Interstellar:

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

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

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

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

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

Или Лебедь X-1:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Соображения Сингха Коли с примерами уравнений тут:

Так показывает нахождение планеты Миллера Торн в своей книге:

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

Приливные силы не разрывают планету, но деформируют ее:

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

Также Торн остановился на еще одном важном моменте:

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

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

На этот вопрос Торн отвечает так:

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

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

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

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

Механизм для столь существенного изменения скорости описан Торном:

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

Нейтронная звезда показана Торном на рисунке:

Свидание с нейтронной звездой позволяет изменить скорость:

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

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

Реальное применение «гравитационной рогатки» смотрите на примере межпланетных космических аппаратов, — например, ознакомьтесь с историей Вояджеров.

Линзирование быстровращающейся черной дыры – Гаргантюа

Пространственный вихрь, образующийся из-за огромной скорости вращения Гаргантюа, влияет на гравитационное линзирование. Звездный узор на рис. 8.1 (Гаргантюа) заметно отличается от изображенного на рис. 8.4 (невращающаяся черная дыра), а эффект при движении камеры отличается еще больше.

Для Гаргантюа (рис. 8.5) при движении камеры проявляются два кольца Эйнштейна, обозначенных на рисунке фиолетовыми замкнутыми кривыми. Снаружи внешнего кольца звёзды «движутся» вправо (в частности, вдоль двух пар красных кривых), так же как и для невращающейся черной дыры на рис. 8.4. Однако у заднего края тени пространственный вихрь сжимает поток движения в узкие полосы, которые довольно резко изгибаются у экватора, и ускоряет его. Также вихрь образует в потоке «водовороты» (замкнутые красные кривые).

Рис. 8.5. Эффект перетекания звезд рядом с быстровращающейся черной дырой, подобной Гаргантюа, «вид через камеру». В этой модели студии Double Negative дыра вращается со скоростью в 99,9 процента от предельной, а камера движется по круговой экваториальной орбите, окружность которой в шесть раз превышает окружность горизонта. См. видеоролик на странице Interstellar.withgoogle.com

Вторичное изображение каждой звезды появляется в области между кольцами Эйнштейна, и циркулирует вдоль замкнутой кривой (пример – две желтые кривые), двигаясь при этом в направлении, противоположном красным потокам снаружи внешнего кольца.

Здесь есть две особенные звезды, для которых гравитационное линзирование не действует. Одна из них расположена прямо над северным полюсом Гаргантюа, другая – прямо под южным. Это аналоги Полярной звезды, которая расположена прямо над Северным полюсом Земли. Я нарисовал пятиконечные звездочки рядом с первичными (красная звездочка) и вторичными (желтая) изображениями полярных звезд Гаргантюа. С Земли кажется, будто все звезды циркулируют вокруг Полярной звезды – поскольку мы вращаемся вместе с Землей. Аналогично по мере движения камеры по орбите вокруг дыры все первичные изображения звезд рядом с Гаргантюа циркулируют вокруг первичных изображений полярных звезд, но пути их движения (например, две замкнутые красные кривые) сильно искажены пространственным вихрем и гравитационным линзированием. Тем же образом вторичные изображения звезд циркулируют вокруг вторичных изображений полярных звезд (например, вдоль двух желтых кривых).

Почему в случае невращающейся черной дыры (рис. 8.4) кажется, что вторичные изображения звезд возникают из-за тени черной дыры, огибают ее и возвращаются обратно к тени, а не циркулируют вдоль замкнутых кривых, как в случае Гаргантюа (рис. 8.5)? На самом деле они все же циркулируют вдоль замкнутых кривых, но внутренний край этих кривых находится так близко к краю тени, что его невозможно увидеть. Вращение Гаргантюа завихряет пространство, и этот вихрь сдвигает внутреннее кольцо Эйнштейна наружу, проявляя его и показывая полный путь движения вторичных изображений (желтые кривые на рис. 8.5).

В пределах внутреннего кольца Эйнштейна движения узора звезд еще более сложны. Звезды в этой области являются изображениями третьего и более высоких порядков для всех звезд во Вселенной – звезд, первичные изображения которых видны снаружи внешнего кольца Эйнштейна, а вторичные – между внутренним и внешним кольцами.

На рис. 8.6 выделено пять участков экваториальной плоскости Гаргантюа, сама Гаргантюа показана черным, орбита камеры – фиолетовым пунктиром, а луч света – красным. Этот луч формирует для камеры изображение звезды, на которую указывает синяя стрелка. Камера движется вокруг Гаргантюа против часовой стрелки.

Рис. 8.6. Лучи света, формирующие изображения звезд, на которые указывают синие стрелки (Модель Double Negative, та же, что на рис. 8.1 и 8.5.)

Последовательно изучая эти рисунки, можно многое понять о гравитационном линзировании. Имейте в виду: действительное направление к звезде – вверх и вправо (внешние концы красных лучей). Стрелка, идущая от значка камеры, указывает на изображение звезды. Десятеричное изображение находится очень близко к левому краю тени, а правое вторичное изображение – рядом с правым краем; сравнивая направления камеры для этих изображений, можно увидеть, что тень покрывает примерно 150 градусов направления вверх, несмотря на то что действительное направление от камеры к центру Гаргантюа – влево и вверх. Эффект гравитационного линзирования сдвинул тень относительно действительного направления к Гаргантюа.

Муравей на батуте: искривленное пространство черной дыры Представьте, что вы муравей, который живет на детском батуте – резиновом полотнище, натянутом между высокими шестами. Под тяжестью лежащего на нем камня батут прогибается вниз (рис. 5.1). Вы – слепой муравей

Из книги автора

Искривления пространства и времени у черной дыры в точных цифрах Все три аспекта искривления пространства – времени (искривление пространства, замедление и искажение времени, пространственный вихрь) описываются математическими формулами. Эти формулы были выведены

Из книги автора

II. Гаргантюа

Из книги автора

6. Анатомия Гаргантюа Если мы знаем массу черной дыры и скорость ее вращения, то, воспользовавшись законами теории относительности, мы можем узнать и все остальные ее свойства: размер, силу гравитационного притяжения, насколько сильно ее горизонт событий вытянут

Из книги автора

Масса Гаргантюа Планета Миллер (о которой я подробно расскажу в главе 17) находится настолько близко к Гаргантюа, насколько это возможно без того, чтобы планете угрожала гибель. Мы знаем об этом, поскольку экипаж, находясь там, тратит очень много «земного времени» –

Из книги автора

Вращение Гаргантюа Когда Кристофер Нолан сказал мне, какое замедление времени на планете Миллер ему нужно – один час там на семь земных лет, – я был ошарашен. Я полагал это невозможным, о чем и сказал Крису. «Это не обсуждается», – отрезал он. Что ж, не в первый

Из книги автора

Анатомия Гаргантюа Узнав массу и скорость вращения Гаргантюа, я использовал уравнения Эйнштейна, чтобы рассчитать ее анатомию. Так же как и в главе 5, здесь мы рассмотрим только внешнюю анатомию, отложив внутреннее строение (особенно сингулярность) Гаргантюа до глав

Из книги автора

8. Внешний вид Гаргантюа Черные дыры не светятся, поэтому увидеть Гаргантюа можно лишь постольку, поскольку черная дыра влияет на излучения от других объектов. В «Интерстеллар» эти объекты – аккреционный диск (см. главу 9) и галактика, в которой находится Гаргантюа,

Из книги автора

Линзирование невращающейся черной дыры Чтобы разобраться с узором из гравитационно линзированных звезд вокруг тени, а также с мнимым движением звезд при перемещении камеры, рассмотрим сначала невращающуюся черную дыру и лучи света, исходящие от единственной звезды

Из книги автора

Гравитационные пращи у двойной черной дыры Третий способ – это моя собственная сумасбродная – крайне сумасбродная! – вариация одной из идей Дайсона . Представьте, что вы решили за несколько лет облететь изрядную часть Вселенной, совершив не просто

Из книги автора

Нейтронная звезда на орбите вокруг черной дыры Волны исходили от нейтронной звезды, вращающейся вокруг черной дыры. Звезда весила в 1,5 раза больше Солнца, а черная дыра – в 4,5 раза больше Солнца, при этом дыра быстро вращалась. Образованный этим вращением

Из книги автора

V. Исследуем окрестности Гаргантюа

Из книги автора

Вид Гаргантюа с планеты Миллер Когда в фильме «Рейнджер» приближается к планете Миллер, мы видим в небе Гаргантюа, которая занимает 10 градусов обзора (в 20 раз больше, чем Луна, если смотреть на нее с Земли!) и окружена ярким аккреционным диском (рис. 17.9). Как бы

Из книги автора

18. Вибрации Гаргантюа Пока Купер и Амелия Брэнд находятся на планете Миллер, Ромилли остается на «Эндюранс» и изучает черную дыру Гаргантюа. Он надеется, что точные данные позволят ему больше узнать о гравитационных аномалиях. Но более всего (как мне кажется) он

Из книги автора

Резонансные колебания Гаргантюа На рис. 18.1 – первая страница данных, собранных Ромилли. Каждая строчка чисел на этой странице относится к одной из резонансных частот колебаний Гаргантюа. Рис. 18.1. Первая страница данных, подготовленных Янгом и Циммерманом, чтобы

Из книги автора

28. Внутрь Гаргантюа Немного о смене убеждений В 1985 году, когда Карл Саган решил отправить свою героиню Элинор Эрроуэй (актриса Джоди Фостер) к звезде Вега через черную дыру, я сказал ему: нет! Она погибнет внутри черной дыры, безжалостная сингулярность растерзает ее

Совсем недавно науке стало достоверно известно, что же такое черная дыра. Но едва ученые разобрались с этим феноменом Вселенной, на них свалился новый, куда более сложный и запутанный: сверхмассивная черная дыра, которую и черной-то не назовешь, а скорее ослепительно белой. Почему? А потому, что именно такое определение дали центру каждой галактики, который светится и сияет. Но стоит туда попасть, и кроме черноты, ничего не остается. Что же это за головоломка такая?

Памятка о черных дырах

Доподлинно известно, что простая черная дыра — это некогда светившая звезда. На определенном этапе существования ее стали непомерно увеличиваться, при этом радиус оставался прежним. Если раньше звезду «распирало», и она росла, то теперь силы, сосредоточенные в ее ядре, начали притягивать к себе все остальные составляющие. Ее края «заваливаются» на центр, образуя невероятной силы коллапс, который и становится черной дырой. Такие «бывшие звезды» уже не светят, а являются абсолютно внешне незаметными объектами Вселенной. Но они весьма ощутимы, так как поглощают буквально все, что попадает в их гравитационный радиус. Неизвестно, что кроется за таким горизонтом событий. Исходя из фактов, любое тело столь огромная гравитация буквально раздавит. Однако в последнее время не только фантасты, но и ученые придерживаются мысли о том, что это могут быть своеобразные космические тоннели для путешествий на большие расстояния.

Что же такое квазар

Подобными свойствами обладает сверхмассивная черная дыра, иными словами, ядро галактики, у которого есть сверхмощное гравитационное поле, существующее за счет своей массы (миллионы или миллиарды масс Солнца). Принцип формирования сверхмассивных черных дыр пока установить не удалось. Согласно одной версии, причиной такого коллапса служат слишком сжатые газовые облака, газ в которых предельно разряжен, а температура невероятно высока. Вторая версия — это приращение масс различных малых черных дыр, звезд и облаков к единому гравитационному центру.

Наша галактика

Сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути не входит в разряд самых мощных. Дело в том, что сама галактика имеет спиралевидную структуру, что, в свою очередь, заставляет всех ее участников находиться в постоянном и достаточно быстром движении. Таким образом, гравитационные силы, которые могли бы быть сосредоточены исключительно в квазаре, как бы рассеиваются, и от края к ядру увеличиваются равномерно. Несложно догадаться, что дела в эллиптических или, скажем, неправильных галактиках, обстоят противоположным образом. На «окраинах» пространство крайне разряженное, планеты и звезды практически не движутся. А вот в самом квазаре жизнь буквально бьет ключом.

Параметры квазара Млечного Пути

Используя метод радиоинтерферометрии, исследователи смогли рассчитать массу сверхмассивной черной дыры, ее радиус и гравитационную силу. Как было отмечено выше, наш квазар тусклый, супермощным его назвать трудно, но даже сами астрономы не ожидали, что истинные результаты будут такими. Итак, Стрелец А* (так названо ядро) приравнивается к четырем миллионам солнечных масс. Более того, по очевидным данным, эта черная дыра даже не поглощает материю, а объекты, которые находятся в ее окружении, не нагреваются. Также был подмечен интересный факт: квазар буквально утопает в газовых облаках, материя которых крайне разряжена. Возможно, в настоящее время лишь начинается эволюция сверхмассивной черной дыры нашей галактики, и через миллиарды лет она станет настоящим гигантом, который будет притягивать не только планетарные системы, но и другие, более мелкие

Насколько малой ни была бы масса нашего квазара, более всего ученых поразил его радиус. Теоретически такое расстояние можно преодолеть за несколько лет на одном из современных космических кораблей. Размеры сверхмассивной черной дыры немного превышают среднее расстояние от Земли до Солнца, а именно составляют 1,2 астрономические единицы. Гравитационный радиус этого квазара в 10 раз меньше основного диаметра. При таких показателях, естественно, материя просто не сможет сингулировать до тех пор, пока непосредственно не пересечет горизонт событий.

Парадоксальные факты

Галактика относится к разряду молодых и новых звездных скоплений. Об этом свидетельствует не только ее возраст, параметры и положение на известной человеку карте космоса, но и мощность, которой обладает ее сверхмассивная черная дыра. Однако, как оказалось, «смешные» параметры могут иметь не только молодые Множество квазаров, которые обладают невероятной мощностью и гравитацией, удивляют своими свойствами:

• Обычный воздух зачастую имеет большую плотность, чем сверхмассивные черные дыры.
• Попадая на горизонт событий, тело не будет испытывать приливных сил. Дело в том, что центр сингулярности находится достаточно глубоко, и дабы достичь его, придется проделать долгий путь, даже не подозревая, что обратной дороги уже не будет.

Гиганты нашей Вселенной

Одним из самых объемных и старых объектов в космосе является сверхмассивная черная дыра в квазаре OJ 287. Это целая лацертида, расположенная в созвездии Рака, которая, к слову, очень плохо видна с Земли. В ее основе лежит двойная система черных дыр, следовательно, имеется два горизонта событий и две точки сингулярности. Больший объект имеет массу 18 миллиардов масс Солнца, практически как у небольшой полноценной галактики. Этот компаньон статичен, вращаются лишь объекты, которые попадают в его гравитационный радиус. Меньшая система весит 100 миллионов масс Солнца, а также имеет период обращения, который составляет 12 лет.

Опасное соседство

Галактики OJ 287 и Млечный Путь, как было установлено, являются соседями — расстояние между ними составляет примерно 3,5 миллиарда световых лет. Астрономы не исключают и той версии, что в ближайшем будущем эти два космических тела столкнутся, образовав сложную звездную структуру. По одной из версий, именно из-за сближения с подобным гравитационным гигантом движение планетарных систем в нашей галактике постоянно ускоряется, а звезды становятся горячее и активнее.

Сверхмассивные черные дыры на самом деле белые

В самом начале статьи был затронут весьма щекотливый вопрос: цвет, в котором перед нами постают самый мощные квазары, сложно назвать черным. Невооруженным глазом даже на самой простенькой фотографии любой галактики видно, что ее центр — это огромная белая точка. Почему же тогда мы считаем, что это сверхмассивная черная дыра? Фото, сделанные через телескопы, демонстрируют нам огромное скопление звезд, которые притягивает к себе ядро. Планеты и астероиды, которые вращаются рядом, из-за непосредственной близости отражают, тем самым преумножая весь присутствующий рядом свет. Так как квазары не затягивают с молниеносной скоростью все соседние объекты, а лишь удерживают их в своем гравитационном радиусе, они не пропадают, а начинают еще больше пылать, ведь их температура стремительно растет. Что же касается обычных черных дыр, которые существуют в открытом космосе, то их название полностью оправдано. Размеры относительно невелики, но при этом сила гравитации колоссальна. Они попросту «съедают» свет, не выпуская из своих берегов ни единого кванта.

Кинематограф и сверхмассивная черная дыра

Гаргантюа — этот термин человечество стало широко употреблять по отношению к черным дырам после того, как на экраны вышел фильм «Интерстеллар». Просматривая эту картину, сложно понять, почему выбрано именно это название и где связь. Но в первоначальном сценарии планировали создать три черных дыры, две из которых носили бы названия Гаргантюа и Пантагрюэль, взятые из сатирического романа После внесенных изменений осталась лишь одна «кроличья нора», для обозначения которой было выбрано первое наименование. Стоит заметить, что в фильме черная дыра изображена максимально реалистично. Так сказать, дизайном ее внешнего вида занимался ученый Кип Торн, который базировался на изученных свойствах данных космических тел.

Как мы узнали о черных дырах?

Если бы не теория относительности, которая была предложена Альбертом Эйнштейном в начале ХХ века, никто бы, наверное, даже не обратил внимания на эти загадочные объекты. Сверхмассивная черная дыра расценивалась бы как обычное скопление звезд в центре галактики, а рядовые, маленькие, вовсе бы осталась незамеченными. Но сегодня, благодаря теоретическим расчетам и наблюдениям, которые подтверждают их правильность, мы можем наблюдать такой феномен, как искривление пространства-времени. Современные ученые говорят, что найти «кроличью нору» не так уж и сложно. Вокруг такого объекта материя ведет себя неестественно, она не только сжимается, но порой и светится. Вокруг черной точки образуется яркий ореол, который виден в телескоп. Во многом природа черных дыр помогает нам постичь историю становления Вселенной. В их центре находится точка сингулярности, подобная той, из которой ранее развился весь окружающий нас мир.

Доподлинно неизвестно, что может случиться с человеком, который пересечет горизонт событий. Раздавит ли его гравитация, или же он окажется в совершенно ином месте? Единственное, что можно утверждать с полной уверенностью, — гаргантюа замедляет время, и в какой-то момент стрелка часов окончательно и бесповоротно останавливается.

Интерстеллар — отзывы и рецензии — КиноПоиск

Космос: Наука и техника: Lenta.

На планете, вращающейся вокруг черной дыры, может существовать жизнь. К такому выводу пришли чешские физики, опубликовавшие свое исследование на сайте arXiv.org. Кратко суть работы излагает издание New Scientist. «Лента.ру» рассказывает подробности исследований ученых, посвященных возможности жизни вблизи черных дыр.

Гравитационный объект может быть дружелюбнее, чем ожидается. Планета, вращающаяся вокруг черной дыры, подобно Миллеру из научно-фантастического фильма режиссера Кристофера Нолана «Интерстеллар», может поддерживать жизнь. По крайней мере, это не противоречит второму началу термодинамики.

Материалы по теме

09:24 — 20 ноября 2014

Оно определяет направление физических процессов. В частности, как показал немецкий физик Рудольф Клаузиус, делает невозможной самопроизвольную передачу (то есть без совершения работы) тепла от более холодного тела более горячему или, что по сути то же самое, уменьшение энтропии (меры беспорядка) изолированной системы.

Согласно второму закону термодинамики, для поддержания жизни необходима разность температур, которая обеспечит источник полезной энергии. Жизнь на Земле также требует такого источника, роль которого играет разница температур между горячим Солнцем и холодным безвоздушным пространством.

В своей статье чешские физики задались вопросом, что будет, если источником энергии послужит разница температур между холодной черной дырой и реликтовым излучением. Несмотря на свое название черные дыры приводят к образованию одних из самых ярких и горячих объектов во Вселенной.

Это связано с наличием аккреционного диска, состоящего из разогретой материи, вращающейся вокруг черной дыры и поглощаемой ею. Это приводит к мощному излучению, которое могут регистрировать обсерватории. Тем не менее температура самой (экстремальной) черной дыры равна нулю кельвинов (не считая ненулевой температуры излучения Хокинга).

Для планеты черная дыра в этом случае может выступать в роли холодного светила. Сам гравитационный объект при этом, по мнению ученых, должен быть достаточно старым и не иметь в своих окрестностях обломков звезд и других небесных тел, которые бы угрожали существованию экзотической жизни на планете.

По сравнению со старой и холодной черной дырой окружающее ее пространство имеет температуру 2,7 кельвина, отвечающую космическому микроволновому фоновому излучению.

Чешские ученые подсчитали, что землеподобная планета, вращающаяся вокруг черной дыры, из-за разницы температур между гравитационным объектом и реликтовым излучением может извлекать около 900 ватт полезной мощности. Этого достаточно для поддержания жизни, но мало для ее зарождения.

Как отмечает Ави Леб из Гарвардского университета, ранее температура реликтового излучения была выше, чем сейчас. Например, спустя 15 миллионов лет после Большого взрыва она равнялась 300 кельвинам (27 градусам Цельсия). Этого достаточно для наличия на гипотетической планете жидкой воды и обеспечения ее 130 гигаваттами полезной мощности.

Материалы по теме

00:08 — 12 января 2016

Последняя величина в миллион раз меньше мощности, которой Солнце обеспечивает Землю. Этого достаточно для поддержания существования сложной жизни на планете, хотя маловероятно, что она успела бы развиться за такой короткий промежуток времени. Для проверки своих расчетов чешские ученые обратились к Миллеру из «Интерстеллара».

В картине планета Миллер вращается вокруг сверхмассивной черной дыры Гаргантюа массой 100 миллионов солнц, удаленной от Земли на 10 миллиардов световых лет. Радиус дыры сравним с радиусом орбиты Земли вокруг Солнца, а окружающий ее аккреционный диск простирался бы далеко за орбиту Марса.

Из-за сильного гравитационного поля черной дыры один час, проведенный на поверхности планеты Миллер, оказывается равен семи годам на Земле, то есть время на ней течет в 60 тысяч раз медленнее, чем на Голубой планете. Энергия фотона пропорциональна его частоте, которая увеличивается в такое же число раз, в какое замедляется время.

Черная дыра с рентгеновским излучением

Фото: JPL-Caltech / NASA

Это приводит к тому, что Миллер будет разогрет до 900 градусов Цельсия, хотя в фильме планета покрыта океаном. На роль жидкости в нем подходит алюминий, а не вода. Условия на Миллере были бы лучше, если бы планета располагалась дальше от Гаргантюа и замедление времени на ней не было бы таким сильным.

С выводами чехов согласен Лоуренс Краусс из Университета штата Аризона, а Леб подчеркивает, что его теория о холодном солнце и горячем небе для поддержания жизни не противоречит науке, но на практике представляется малоосуществимой. Что ждет землян, когда Солнце закончит существование и станет белым карликом?

Спустя сто триллионов лет яркие звезды умрут, и во Вселенной останутся только черные дыры. Разумные существа будут до последнего пытаться черпать энергию от излучения аккреционного диска черной дыры, а не из механизма Леба. «Когда звезды исчезнут, черные дыры станут последним источником энергии во Вселенной», — заключает Краусс.

реальна ли черная дыра в Интерстеллар? Как появились черные дыры

Черные дыры — единственные космические тела, способные притягивать силой гравитации свет. Они же являются самыми большими объектами Вселенной. Мы вряд ли в ближайшее время узнаем, что происходит возле их горизонта событий (известного как «точка невозврата»). Это самые таинственные места нашего мира, о которых, несмотря на десятилетия исследований, до сих пор известно очень мало. В этой статье собраны 10 фактов, которые можно назвать наиболее интригующими.

Черные дыры не втягивают в себя материю

Многие представляют черную дыру своеобразным «космическим пылесосом», втягивающим в себя окружающее пространство. На самом деле, черные дыры — это обычные космические объекты, обладающие исключительно сильным гравитационным полем.

Если бы на месте Солнца возникла черная дыра таких же размеров, Земля не была бы втянута внутрь, она вращалась бы по той же орбите, что и сегодня. Расположенные рядом с черными дырами звезды теряют часть массы в виде звездного ветра (это происходит в процессе существования любой звезды) и черные дыры поглощают только эту материю.

Существования черных дыр было предсказано Карлом Шварцшильдом

Карл Шварцшильд был первым, кто применил общую теорию относительности Эйнштейна, для того, чтобы обосновать существование «точки невозврата». Сам Эйнштейн не задумывался о черных дырах, хотя его теория позволяет предсказать их существование.

Шварцшильд сделал свое предположение в 1915 году, сразу вслед за тем, как Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности. Тогда же возник термин «радиус Шварцшильда» — это величина, которая показывает, как сильно вам придется сжать объект, чтобы он стал черной дырой.

Теоретически, черной дырой может стать все, что угодно, при достаточной степени сжатия. Чем плотнее объект, тем более сильное гравитационное поле он создает. Например, Земля стала бы черной дырой, если бы ее массой обладал объект величиной с арахис.

Черные дыры могут порождать новые вселенные

Мысль о том, что черные дыры могут порождать новые вселенные кажется абсурдной (тем более, что мы все еще не уверены в существовании других вселенных). Тем не менее, подобные теории активно разрабатываются учеными.

Очень упрощенная версия одной из этих теорий заключается в следующем. Наш мир обладает исключительно благоприятными условиями для появления в нем жизни. Если бы какие-либо из физических констант изменились хотя бы чуть-чуть, нас бы не было в этом мире. Сингулярность черных дыр отменяет обычные законы физики и может (по крайней мере, в теории) породить новую вселенную, которая будет отличаться от нашей.

Черные дыры могут превратить вас (и все, что угодно) в спагетти

Черные дыры растягивают предметы, которые находятся рядом с ними. Эти предметы начинают напоминать спагетти (есть даже специальный термин — «спагеттификация»).

Это происходит благодаря тому, как работает сила притяжения. В настоящий момент ваши ноги находятся к центру Земли ближе, чем голова, поэтому они притягиваются сильнее. На поверхности черной дыры разница в силе притяжении начинает работать против вас. Ноги притягиваются к центру черной дыры все быстрее, так, что верхняя половина туловища не успевает за ними. Результат: спагеттификация!

Черные дыры испаряются со временем

Черные дыры не только поглощают звездный ветер, но и испаряются. Это явление было открыто в 1974 году и было названо излучением Хокинга (по имени Стивена Хокинга, сделавшего открытие).

Со временем черная дыра может отдать всю свою массу в окружающее пространство вместе с этим излучением и исчезнуть.

Черные дыры замедляют время вблизи себя

По мере приближения к горизонту событий время замедляется. Чтобы понять, почему это происходит, нужно обратиться к «парадоксу близнецов», мысленному эксперименту, часто используемому для иллюстрации основных положений общей теории относительности Эйнштейна.

Один из братьев-близнецов остается на Земле, а второй улетает в космическое путешествие, двигаясь со скоростью света. Вернувшийся на Землю близнец обнаруживает, что его брат постарел больше, чем он, потому что при движении на скорости, близкой к скорости света, время идет медленнее.

Приближаясь к горизонту событий черной дыры, вы будете двигаться с такой высокой скоростью, что время для вас замедлится.

Черные дыры являются самыми совершенными энергетическими установками

Черные дыры генерируют энергию лучше, чем Солнце и другие звезды. Это связано с материей, вращающейся вокруг них. Преодолевая горизонт событий на огромной скорости, материя на орбите черной дыры разогревается до крайне высоких температур. Это называется излучением абсолютно черного тела.

Для сравнения, при ядерном синтезе в энергию превращается 0,7% материи. Вблизи черной дыры энергией становятся 10% материи!

Черные дыры искривляют пространство рядом с собой

Пространство можно представить себе как растянутую резиновую пластинку с нарисованными на ней линиями. Если на пластинку положить какой-нибудь объект, она изменит свою форму. Так же работают и черные дыры. Их экстремальная масса притягивает к себе все, включая свет (лучи которого, продолжая аналогию, можно было бы назвать линиями на пластинке).

Черные дыры ограничивают количество звезд во Вселенной

Звезды возникают из газовых облаков. Для того, чтобы началось формирование звезды, облако должно остыть.

Излучение абсолютно черных тел мешает газовым облакам остывать и предотвращает появление звезд.

Теоретически, любой объект может стать черной дырой

Единственное отличие нашего Солнца от черной дыры — сила гравитации. В центре черной дыры она намного сильнее, чем в центре звезды. Если бы наше Солнце было сжато до примерно пяти километров в диаметре, оно могло бы быть черной дырой.

Теоретически, черной дырой может стать все, что угодно. На практике же мы знаем, что черные дыры возникают только в результате коллапса огромных звезд, превышающих Солнце по массе в 20-30 раз.

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

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

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

Вот что получилось у Торна:

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

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

Объяснение, почему изображение получается именно таким:

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

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

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

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

Этот вопрос я объединю со следующим:

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

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

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

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

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

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

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

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

Торн пишет в The Science of Interstellar:

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

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

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

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

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

Или Лебедь X-1:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Соображения Сингха Коли с примерами уравнений тут:

Так показывает нахождение планеты Миллера Торн в своей книге:

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

Приливные силы не разрывают планету, но деформируют ее:

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

Также Торн остановился на еще одном важном моменте:

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

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

На этот вопрос Торн отвечает так:

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

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

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

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

Механизм для столь существенного изменения скорости описан Торном:

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

Нейтронная звезда показана Торном на рисунке:

Свидание с нейтронной звездой позволяет изменить скорость:

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

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

Реальное применение «гравитационной рогатки» смотрите на примере межпланетных космических аппаратов, — например, ознакомьтесь с историей Вояджеров.

Космос таит в множество загадок. Черная дыра — одно из самых поразительных космических явлений. Несмотря на то, что оно пока мало изучено, ученые обнаружили ряд интересных фактов о черных дырах.

Space holds many mysteries. One of the most fascinating of these is black holes. Although there are still many unanswered questions about black holes, scientists have discovered many interesting things about them.

Почему черные дыры – черные?

Черные дыры не отражают свет, а цвет, в свою очередь, является результатом отражения света. Этот феномен имеет естественную природу, поэтому мы воспринимаем различные объекты в красном, голубом или зеленом цвете.

Why do black holes appear black?

Color is an effect of light reflection – a natural phenomenon. It is why we perceive some things as red, some as blue, and others as green. Black holes do not reflect light.

Почему черные дыры являются дырами?

Гравитация помогает нам ходить по Земле, на Луне же она в 6 раз слабее. Вот почему мы наблюдаем, как астронавты «зависают» в воздухе. В черных дырах очень мощная гравитация; настолько мощная, что предмет может исчезнуть, попав в них.

Why are they holes?

On Earth, gravity helps us stay grounded. On the moon, for example, there is very low gravity. That is astronauts can jump very high on the moon. Black holes have very strong gravity – so strong that no object can escape being sucked into it.

Как появились черные дыры?

Фактически, черные дыры являются погасшие звездами. Однако, черными дырами становятся только те из звёзд, масса которых после взрыва превышает массу Солнца. Не волнуйтесь: Солнце, звезда в центре нашей солнечной системы, не превратится в черную дыру.

How do black holes come into existence?

One way black holes form is from gravitational collapse. When stars run out of fuel, they die, collapsing in on themselves. If these stars have a very large mass, they form black holes.

Существует ли способ, который позволит заметить черную дыру?

За черными дырами очень тяжело наблюдать, потому что они не отражают свет. Однако, ученым удалось найти несколько решений этой проблемы: черную дыру можно заметить, когда в нее попадают частицы, в этот момент выделяется много энергии; также её можно обнаружить по движению объектов вокруг чёрной дыры, так как орбиты объектов изменятся.

Is there any way to spot a black hole?

Because they do not reflect light, black holes are very difficult to observe. But scientists have found a solution. Black holes can be noticed when particles fall into them. Because a lot of energy is created when this happens, it can be detected. Black holes can also be discovered by observing the movement of other objects around them. The direction of their orbit changes when they are near a black hole.

Меняются ли черные дыры в размере?

Да, меняются. Существует четыре типа черных дыр: маленькие, звездные, промежуточной массы и сверхмассивные.

Если черные дыры притягивают другие звезды или сливаются с другими черными дырами, они становятся просто огромными. Такие гиганты называются сверхмассивными черными дырами. Ученые утверждают, что в центре Млечного Пути нашей галактики находится такая сверхмассивная черная дыра.

Do black holes differ in size?

Yes, they do. There are four types of black holes: micro, stellar, intermediate mass and supermassive. If black holes attract many stars or combine with other black holes, they become very big. These are called supermassive black holes. Scientists say there is a supermassive black hole at the center of the Milky Way, our galaxy.

Могут ли черные дыры исчезнуть?

Ученые считают, что черные дыры очень медленно “испаряются”, излучая частитцы. Но происходит это так медленно, что увидеть это пока не удалось.

Can black holes disappear?

A theory claims that yes, they can disappear due to radiation. But this has not been proven yet.

Нам еще так много не известно о космосе, и ученые активно работают над открытием новых интересных фактов. Возможно, именно ты станешь тем ученым, который ответит на все вопросы о космосе!

There are many things we don’t know about space, and scientists are still working on discovering new and interesting things. Maybe you will become a scientist and be the one to find answers to these questions!

Изучая мир, дети, а затем и повзрослевшие уже люди, постепенно расширяют свои горизонты, вовлекая в круг своих интересов все более глобальные понятия. Когда дело доходит до изучения Космоса и Вселенной, одним из первых вопросов становится – почему черная дыра черная? Чтобы дать ответ на него, необходимо хоть немного разобраться в природе этого явления.

Почему образуются черные дыры

Любой предмет во Вселенной устроен из частиц, составляющих его материю. Обладая определенным зарядом, они удерживаются на расстоянии друг от друга, не разлетаясь в пространстве, но и не слипаясь между собой.

Применительно к звездам происходит тоже самое. Частицы материи, из которых они состоят, сохраняют свое положение благодаря излучаемой светилом энергии термоядерных реакций. Но, поскольку она имеет конечное значение, с течением времени она иссякает и начинается процесс уплотнения материи. В результате происходит медленное, но неотвратимое сжимание звезды, сопровождающееся нарастанием плотности составляющего ее вещества.

Такое катастрофическое «схлопывание» светила называется коллапсом. Итогом становится появление небесного тела небольшого размера с огромной массой. Для большей наглядности такого явления достаточно представить себе Земной шар, вес которого вмещен в сферу диаметром 1 см.

Чтобы образовалась устойчивая черная дыра, исходная масса схлопывающейся звезды должна быть не меньше тройной массы нашего Солнца. Ученые называют цифры гораздо большие. Для возникновения новой дыры масса коллапсирующего светила должна быть больше солнечной минимум в 10 раз.

Почему черная дыра неплотная

Из курса физики каждому известно, что любые предметы, обладающие массой, способны притягивать другие объекты. И чем масса больше, тем сильнее возникающее вокруг них поле, в приложении к крупным космическим объектам названное гравитацией. Благодаря наличию гравитационного поля, вокруг звезд вращаются планеты, которые, в свою очередь, имеют спутники.

При возникновении черной дыры сила гравитационного поля достигает огромных значений, что приводит к искривлению пространства-времени. Центр новообразования получил название сингулярность, а расстояние от него до границы, или горизонта событий, называется радиус Шварцшильда. Для Солнца, превратившегося в новую черную дыру, этот показатель соответствовал бы 3 км.

Это позволяет говорить о том, что черная дыра не что иное, как область Вселенной, в которой прекращают действовать обычные законы физики, а любая материя в обычном понимании исчезает. Время внутри этого объема останавливается, а линейное пространство скручивается. Это является ответом на вопрос, часто возникающий при знакомстве с подобным космическим явлением, – почему в черной дыре нет времени?

Почему черная дыра черная

Черная дыра также является небесным телом. Только ее ядро имеет настолько огромную массу, что возникшее вокруг него гравитационное поле способно притягивать частицы материи со скоростью, превышающую скорость света. Поскольку световые лучи представляют собой поток квантов, они также подвергаются воздействию силы притяжения. Попадая в горизонт событий (зону, где гравитация становится больше скорости света), световые частицы не могут противостоять гравитационному полю и поглощаются черной дырой. В результате образуется область полной темноты, из которой не выходит никакого света. Вот почему черная дыра черная — для наблюдателя она выглядит как непроглядное пятно на фоне окружающей Вселенной.

Почему невозможно обнаружить черную дыру

Полное поглощение любых частиц и лучей, попадающих в горизонт событий, приводит к тому, что черную дыру невозможно увидеть с помощью всевозможных приборов. Не имея отражения, не испуская никаких излучений видимого спектра, она остается невидимой.

Обнаружить ее можно только благодаря искажениям окружающего пространства, вызванным воздействием . А также наблюдая за расположенными рядом с ней космическими телами и частицами.

Единственным излучением, которое можно уловить с помощью современной аппаратуры являются рентгеновские лучи. Этот вид энергии способен преодолеть горизонт событий и показать, в каком месте Вселенной когда-то произошло «схлопывание» сверх тяжелой звезды.

Самое загадочное явление Вселенной

Несмотря на то, что ученые активно прорабатывают различные теории о природе , информации о них все еще недостаточно. И исследователи не могут полностью гарантировать истинность своих научных выкладок. В большинстве своем – это математические расчеты и допущения. И даже ответ на простой «детский» вопрос «почему черная черная дыра?» – это кропотливо просчитанные математические анализы и теории.

7 403

Если вы не спали на уроках астрономии и смотрели фильм «Интерстеллар», то вам известно кое-что о черных дырах. Эти межзвездные пылесосы имеют такое безумно сильное гравитационное притяжение, что все, что засасывается внутрь не имеет никаких шансов когда-либо вырваться.

Наше понимание о черных дырах резко увеличилось, начиная с Эйнштейна, в 1915 году, но они остаются одними из самых загадочных и мощных явлений в известной нам Вселенной. Вот 10 вещей, которые вы вероятно не знали о них.

1. Они совершенно незаметны

Есть причина, почему черные дыры называются черными. Их гравитация настолько сильна, что не может вырваться даже свет, так что без каких-либо выбросов света, их невозможно наблюдать. Но мы можем увидеть некоторые эффекты, которые воздействуют в результате этой экстремальной гравитации на объекты поблизости.

2. Прямо сейчас, вероятно, мы вращаемся вокруг черной дыры

Наш астрономический дом, вращается вокруг суперкрупной черной дыры, которая, находится прямо в центре галактики. Звезды и горячие газы вокруг черной дыры — все вместе образует так называемое созвездие «Стрелец А».

3. Они образуются от остатков взрывающихся массивных звезд

Когда большая звезда (и под большой имеется в виду, во много раз превышающую размер нашего солнца) умирает, она яростно взрывается в сверхновую. Поверхность разрушается, а достаточно массивное ядро коллапсирует в точку бесконечной плотности. Так рождаются черные дыры.

4. Они бывают самых разных размеров

Астрономы предполагают, что они могут быть в диапазоне от микро-черных дыр с массами минимум 22 мкг, до супер-массивных объектов с массами в 40 млрд (нет, это не опечатка) раз больше .

5. Черные дыры едят звезды на завтрак

С их огромной гравитацией они притягивают все объекты, находящиеся поблизости, в том числе и .

6. Они испускают мощные струи плазмы

Иногда черная дыра пытается съесть слишком много сразу, и производит некоторую отдачу. Представьте себе, как вы пытаетесь заполнить водой крошечное ведро мощным пожарным шлангом. Аналогичным образом черная дыра стреляет огромными плазменными потоками, называемые релятивистские струи, которые могут достигать сотен и тысяч световых лет в длину.

7. Они создают Квазары, самые яркие объекты во Вселенной

Квазары являются наиболее энергичными и яркими объектами . Квазар, известный как S5 0014+81 в 300 триллионов раз ярче, чем солнце, или 25 000 раз ярче, чем все звезды в Млечном пути вместе взятые. Всю эту энергию производит, откармливаемая на убой суперкрупная черная дыра, находящаяся в центре каждого Квазара.

8. Черная дыра на самом деле не дыра

Это сфера. И, по крайней мере, насколько мы знаем, в ней нет тоннелей в

Гаргантюа — это черная дыра или червоточина?

TL; DR The Bulk Существа настолько технологически продвинуты, что могут манипулировать Black Hole и Worm Holes, как детская игра, создавая новые или изменяя их, чтобы спасти Купера.

Согласно этой инфографике Space.com об этой статье Space.com , полученной из различных книг, включая научное руководство к фильму «Наука межзвездного», подготовленное консультантом по физике фильма Кипом Торном:

Червоточина — это не что иное, как искусственно связанный набор черных дыр, которые сами создают огромные гравитационные силы.

Массовые Существа, будущие люди, способные выжить в пространстве 5-го измерения, имеют контроль над гравитацией в нашем 3-мерном пространстве. Они создали червоточину между Сатурном и системой Гаргантюа . Они манипулировали временем и пространством, чтобы Купер мог манипулировать гравитацией во времени. Они вытащили Купера из сверхмассивной черной дыры в конструкцию, тессеракт, пространство 4-го измерения.

Таким образом, есть два простых для рассмотрения метода, которые они спасли Купера.

1. Они вытащили его из черной дыры Гаргантюа и отправили обратно через червоточину Сатурна, управляя гравитацией. Подумайте о том, чтобы Купер стал серфером в кармане пространства / воздуха, который является его доской для серфинга. Гравитация, которой управляют, и нормальное пространство, являющееся волной.

2. Поскольку они способны спроектировать червоточину шириной 1,25 мили и длиной 10 миллиардов световых лет, что, как показывает вышеприведенная инфографика, является искусственной манипуляцией с черными дырами, Bulk Существа манипулировали Гаргантюа, чтобы соединиться с Червоточиной Сатурна и / или новой сингулярностью достаточно долго. высадить Купера.

Чтобы объяснить Будущего Купера, касающегося Прошлого Бренда, Bulk Существа в какой-то момент вытащили Купера и TARS после того, как они пройдут горизонт событий, и TARS получит необходимые им Квантовые Данные, и до того, как они достигнут конца сингулярности в своих смертях от спагетти. Честно говоря, Купер и TARS не могли бы войти в Горизонт событий, не умерев, если бы массовые существа не защищали их от гравитации ВСЁ ВРЕМЯ .

Межзвездная черная дыра Изображение Гаргантюа не так уж далеко от реальности

«Интерстеллар», возможно, является одним из самых великолепных космических эпосов всех времен. Кинематографический гений Кристофера Нолана совершил интригующее психологическое и инженерное путешествие, дав нам представление о кинематографическом изображении черной дыры — умирающей звезды Гаргантюа. Приятно то, что отчет, опубликованный Gizmodo, раскрыл некоторые детали из фильма — изображение черной дыры в нем было поразительно близко к реальности.Это первое в истории изображение черной дыры, полученное командой ученых телескопа Event Horizon. Это настоящий подвиг с научной точки зрения, и упомянутые в нем научные факты не менее удивительны.

Согласно отчету, Гаргантюа в «Интерстеллар» — невероятно близкое изображение реальной черной дыры, и хотя оно действительно сильно отличается от восстановленного изображения черной дыры M87, которое мы видели вчера, они во многом похожи. .Чтобы понять это, сначала важно понять главное отличие — черная дыра из Интерстеллар имела тонкую полосу светового вещества вокруг своей середины, внешне похожую на то, как выглядят кольца вокруг планеты. Кроме того, у Гаргантюа в «Интерстеллар» был более заметный и четкий фотонный круг, в то время как свет на изображении, сшитом телескопом Event Horizon (EHT), имел более тусклый отпечаток. Interstellar также изобразил более однородный световой круг вокруг черной дыры, в то время как изображение реальной черной дыры показывает неравномерность фотонного круга вокруг нее.

Первое отличие состоит в том, что основная причина заключается в том, что, хотя мы получили вид спереди на черную дыру в Интерстеллар, черная дыра M87 наблюдалась нами вблизи от ее полюсов. В результате полоса материи через центр черной дыры, которую мы наблюдали в галактике, которая находится не слишком далеко, появилась в расширенном световом круге, окружающем центр черной дыры. Наклонный угол на полюсах, где мы наблюдали черную дыру, также объясняет неправильность фотонного круга, который можно увидеть вокруг умирающей звезды.В результате полоса светлой материи, проходящая через центр Гаргантюа, довольно близка к фактической точности, абсолютное подтверждение которой мы найдем в ближайшие месяцы при продолжении наблюдений за ней и черной дырой в Стрельце-А с помощью EHT. .

Кроме того, реальное изображение черной дыры показывает различную интенсивность света вокруг ее верхнего левого края с более ярким серпом в нижнем правом углу. Это объясняется тем, что, пока эта сверхмассивная черная дыра коллапсирует, она также вращается.В результате свет вокруг него будет вращаться, а пространство-время будет искажаться вокруг него. В результате есть две части вращения: одна, где свет движется к нам, и другая, где свет падает в направлении, противоположном нам. Это объясняет оптическую разницу в реальном изображении, поскольку вращение создает значительную разницу во времени, которое требуется двум источникам света, чтобы добраться до Земли.

В «Интерстеллар» эта одна деталь не была включена, потому что кинематографически мы смотрели на черную дыру с гораздо более близкого расстояния по сравнению с тем, что мы видели с Земли.Из-за этого свету потребуется гораздо меньшее расстояние, чтобы пройти от источника до точки падения. Кроме того, интенсивность света будет намного, намного выше на близком расстоянии. Из-за этого внешний вид фотонного кольца вокруг черной дыры выглядел бы довольно однородным, если бы вы, гипотетически, взглянули на него с близкого расстояния. Это, конечно, принимается во внимание, если вам удается противостоять силам, которые приводят к изгибу света с таким огромным гравитационным притяжением.

В результате, хотя изображение черной дыры умирающей звезды M87 является абсолютной реальностью, похоже, что кинематографическое изображение одной, примерно за четыре года до того, как мы впервые увидели настоящую умирающую звезду, было довольно близко к реальности. . Конечно, были определенные несоответствия, такие как свойства падающего света и его поведение в космосе, по сравнению с тем, что было показано на экране, но по большей части научные исследования Нолана вокруг черных дыр были очень, очень близки к реальность.

Здание Гаргантюа — Курьер ЦЕРН

Оливер Джеймс из DNEG, создавший поразительную черную дыру в фильме « Interstellar », описывает науку, лежащую в основе визуальных эффектов, и проблемы этой быстрорастущей отрасли.

Оливер Джеймс — главный научный сотрудник крупнейшей в мире студии визуальных эффектов DNEG, создавшей впечатляющие визуальные эффекты для фильма «Интерстеллар».Работа DNEG, выполненная в сотрудничестве с теоретиком-космологом Кипом Торном, позволила получить одни из самых физически точных изображений вращающейся черной дыры, когда-либо созданных, что принесло фирме премию Оскар и BAFTA. Для Джеймса все началось с получения степени бакалавра физики в Оксфордском университете в конце 1980-х годов — период, который он описывает как один из самых увлекательных и интеллектуально стимулирующих в своей жизни. «Это поставило меня перед разрывом между тем, что вы наблюдаете, и реальностью.Я чувствую, что это был тот же пробел, с которым я столкнулся, работая над Interstellar . Мне пришлось много изучать, чтобы понять физику черных дыр и искривленного пространства-времени ».

Большая часть визуальных эффектов заключается в понимании 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 — вычислениям и фотографии — привело его к своей первой работе в небольшой фотостудии в Лондоне, где он познакомился с техническими и эксплуатационными аспектами отрасли.Пропустив интеллектуальный вызов, предлагаемый физикой, в 1995 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 ожили, и вы почувствовали, что вздрагиваете от сочувствия, когда их побили около

Оливер Джеймс

Решающий момент наступил в 2001 году, когда один из его бывших коллег пригласил его присоединиться к ESC Entertainment компании Warner Bros в Аламеда, Калифорния, для работы над The ​​Matrix Reloaded & Revolutions.Его основной задачей было работать над симуляцией твердого тела — нетривиальная задача, учитывая множество боевых сцен. «Есть большая сцена драки, которая называется« Крепкая драка », где сотни цифровых актеров разбрасываются, как кегли, — говорит он. «Мы хотели добавить реализма, моделируя физику этих сталкивающихся тел. Первоначальные испытания выглядели физически, но безжизненными, поэтому мы улучшили моделирование, добавив крутящий момент на каждый сустав, рассчитанный на примерах реальных движений. Внезапно эти тряпичные куклы ожили, и вы почувствовали, что вздрагиваете от сочувствия, когда их бьют ».Чтобы создать несколько секунд фильма, десятки художников и технических специалистов потратили несколько месяцев работы.

. 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 (переименованной в DNEG в 2018 году). Его привлек фильм Кристофера Нолана «: Бэтмен: начало », для которого компания создавала визуальные эффекты, и это было началом долгого творческого пути, который завершился научно-фантастической эпопеей « Interstellar », рассказывающей история космонавта, ищущего обитаемые планеты в космическом пространстве.

Физика оживляет невидимое
«Нам пришлось создать новые образы черных дыр; — большая проблема даже для человека с физическим образованием », — вспоминает Джеймс. Поскольку в студенческие годы он не изучал общую теорию относительности и касался только специальной теории относительности, он решил позвонить Кипу Торну из Калифорнийского технологического института за помощью. «В какой-то момент я задал [Кипу] очень конкретный вопрос:« Не могли бы вы дать мне уравнение, которое описывает траекторию света от далекой звезды, вокруг черной дыры и, наконец, в глаз наблюдателя? »Это должно было быть правильным. обратите внимание, как на следующий день я получил электронное письмо — это было больше похоже на научную статью, которая включала уравнения, отвечающие на мои вопросы.В общей сложности Джеймс и Торн обменялись примерно 1000 электронными письмами, часто включая подробный математический формализм, который DNEG мог затем 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

Оливер Джеймс

DNEG вскоре смогла разработать новое программное обеспечение для визуализации черных дыр и червоточин.Директор хотел червоточину с регулируемой формой и размером, и поэтому мы разработали одну с тремя свободными параметрами, а именно длиной и радиусом внутренней части червоточины, а также третий вариант, описывающий плавность перехода от ее внутренней части к ее 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 позволяет свету уходить.Вместе со своими коллегами он разработал совершенно новый модуль визуализации, который имитирует путь света через гравитационно искаженное 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, при столкновении которых образовалась черная дыра. Но создание изображения для кино требует совершенно других стандартов качества.Высокое качество, которое требовалось от изображения IMAX, означало, что команде пришлось устранить любые артефакты, которые могли появиться на окончательном изображении, и, следовательно, время рендеринга составило до 100 часов по сравнению с типичными 5-6 часами, необходимыми для других фильмов. Вопреки основной цели большинства астрофизических визуализаций, заключающейся в достижении высокой производительности, их главной целью было создание изображений, которые выглядели так, как будто они действительно могли быть сняты. «Эта цель заставила нас использовать набор методов визуализации, отличный от тех, что используются в астрофизическом сообществе, — методы, основанные на распространении пучков лучей (световых лучей) вместо дискретных световых лучей и на тщательно продуманной 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. Позднее Торн написал в своей книге « The Science of Interstellar » 2014 года: «Вы не можете себе представить, в каком восторге я был, когда Оливер прислал мне свои первые видеоклипы. Впервые — и раньше, чем любой другой ученый — я увидел в сверхвысоком разрешении, как выглядит быстро вращающаяся черная дыра. Что он делает визуально с окружающей средой ». В следующем году Джеймс и его коллеги по DNEG опубликовали две статьи с Торном о науке и визуализации этих объектов (Am.J. Phys 83 486 и Class. Квантовая гравитация. 32 065001).

Другой задачей было уловить тот факт, что пленочная камера должна двигаться со скоростью, составляющей значительную часть скорости света. Релятивистская аберрация, доплеровские сдвиги и гравитационные красные смещения должны быть интегрированы в код рендеринга, влияя на то, как слои диска будут выглядеть близко к камере, а также на градацию цвета и изменения яркости в окончательном изображении. Все становится еще сложнее, ближе к черной дыре, где пространство-время более искажено; гравитационное линзирование становится более экстремальным, и вычисления требуют большего количества шагов.Торн разработал процедуры, описывающие, как отобразить световой луч и пучок лучей от источника света на местное небо камеры, и создал изображения низкого качества в системе Mathematica для проверки своего кода, прежде чем передать его DNEG для создания быстрой визуализации с высоким разрешением. . Это использовалось для моделирования всех изображений, которые нужно было линзировать: звездных полей, пылевых облаков и туманностей, а также аккреционного диска вокруг Гаргантюа, гигантской черной дыры Interstellar . Всего в фильме было записано почти 800 ТБ данных.Чтобы смоделировать звездный фон, DNEG использовала звездный каталог каталога Tycho-2 Европейского космического агентства, содержащий около 2,5 миллионов звезд, а совсем недавно команда приняла каталог Gaia, содержащий 1,7 миллиарда звезд.

Творческая индустрия
С ростом использования визуальных эффектов все больше и больше ученых работают в этой области, включая математиков и физиков. А визуальные эффекты жизненно важны не только для научно-фантастических фильмов, но и в драматических или исторических фильмах.Кроме того, растет число компаний, создающих пакеты моделирования для конкретных процессов. Только DNEG увеличилось 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 работы с широким кругом опытных художников, — объясняет Джеймс. «Одно дело — разработать специализированное программное обеспечение для моделирования, которое используется небольшой группой квалифицированных художников на местном уровне, но для того, чтобы сделать его доступным для широкого круга художников по всему миру, необходимо приложить гораздо больше усилий — сделать его надежным и более доступным».

. На вопрос, являются ли вычислительные ресурсы ограничивающим фактором для будущего визуальных эффектов, Джеймс считает, что любое увеличение вычислительной мощности будет быстро поглощено художниками, добавляющими дополнительные детали или создающими более сложные симуляции.По его словам, все изменится в области моделирования и рендеринга в реальном времени. Сегодня видеоигры визуализируются в реальном времени с помощью видеокарты компьютера, тогда как визуальные эффекты в фильмах почти полностью создаются как пакетные процессы, а затем результаты кэшируются или предварительно визуализируются, поэтому их можно воспроизводить в реальном времени. «Переход к рендерингу в реальном времени означает, что рабочий процесс не будет полагаться на рендеринг за ночь, и позволит художникам сделать намного больше итераций во время производства. Мы только прикоснулись к поверхности, и для ученых существует масса возможностей ».Даже машинное обучение обещает сыграть свою роль в отрасли, и Джеймс в настоящее время занимается исследованиями и разработками, чтобы использовать его для создания более естественных движений тела или мимики. Открытые данные и открытый доступ — это также область, которая растет и в которой DNEG принимает активное участие.

«Визуальные эффекты — это увлекательная отрасль, в которой технологии и наука используются для решения творческих задач», — говорит Джеймс. «Иногда роли меняются, и наше творчество может реально повлиять на науку.”

Что мы узнали о черных дырах с

• Голливудский блокбастер Кристофера Нолана «Интерстеллар» только что отметил пятилетие.
• В фильме Мэттью МакКонахи играет астронавта, который путешествует в сверхмассивную черную дыру Гаргунтуа.
• Чтобы сделать «Интерстеллар» точным с научной точки зрения, Нолан нанял физика Кипа Торна, чтобы он сделал наиболее реалистичное изображение черной дыры.
• Но после выхода фильма ученые узнали больше о том, как на самом деле выглядят черные дыры, и даже впервые сфотографировали их.
• Эти открытия показали, что, несмотря на все усилия Нолана и Торна, Гаргантюа не был абсолютно точным.
• Посетите домашнюю страницу Business Insider, чтобы узнать больше.

В центре каждой галактики находится сверхмассивная черная дыра, гравитация в которой настолько сильна, что ничто — даже свет — не может покинуть ее границы.

В фильме «Интерстеллар» вымышленная черная дыра под названием Гаргантюа занимает центральное место. Фильм вышел ровно пять лет назад, в ноябре 2014 года. В нем Мэтью МакКонахи и Энн Хэтэуэй играют астронавтов, которые путешествуют через червоточину — туннель, позволяющий почти мгновенно перемещаться между далекими точками — для исследования трех планет, вращающихся вокруг Гаргантюа. , В 10 миллиардах световых лет от Земли.

В конце персонаж МакКонахи направляет свой корабль в сверхмассивную черную дыру, внутри которой он обнаруживает пятое измерение, межпространственных всеведущих существ и способность общаться со своей отчужденной дочерью во времени и пространстве.

Директор Кристофер Нолан и его команда по визуальным эффектам стремились к высшей научной точности в «Интерстеллар» — они даже наняли в качестве консультанта физика-теоретика и нобелевского лауреата Кипа Торна.

«Ни кротовые норы, ни черные дыры не были изображены ни в одном голливудском фильме в том виде, в каком они должны были бы выглядеть на самом деле», — сказал Торн в интервью перед выпуском фильма. «Впервые изображение началось с уравнений общей теории относительности Эйнштейна».

Действительно, изображение Гаргантюа в фильме было признано самым точным изображением черной дыры в истории.

Но за последние пять лет несколько крупных открытий, касающихся черных дыр, дали физикам новое понимание того, как выглядят эти массивные объекты и как они себя ведут. Основываясь на этой информации, Гаргантюа не был полностью точным, хотя во многих отношениях он все же близок. Вот что «Интерстеллар» поняла правильно и неправильно.

Первое когда-либо полученное изображение черной дыры

Сверхмассивные черные дыры образуются, когда звезды схлопываются сами по себе в конце своего жизненного цикла. В среднем они в миллионы раз массивнее Солнца.

Ученые десятилетиями пытались запечатлеть одну на камеру, потому что черные дыры настолько массивны и вращаются так быстро, что искажают пространство-время, гарантируя, что ничто не сможет вырваться из-под их гравитационного притяжения. Поскольку даже свет не может уйти, эти силы создают уникальную тень в форме идеального круга в центре черной дыры.

Внешняя граница этого центра известна как горизонт событий черной дыры или «точка невозврата».

Но в апреле группа ученых из международной коллаборации Event Horizon Telescope (EHT) опубликовала первую в истории фотографию сверхмассивной черной дыры. Хотя изображение было нечетким, оно показало, что, как и предполагалось, черные дыры выглядят как темные сферы, окруженные светящимся кольцом света.

«Когда облако газа приближается к черной дыре, оно ускоряется и нагревается», — сообщила ранее Business Insider астрофизик из Оксфордского университета Жозефина Петерс.«Он светится тем ярче, чем быстрее и горячее становится. В конце концов, газовое облако приближается настолько близко, что притяжение черной дыры растягивает его в тонкую дугу».

На этом беспрецедентном снимке показана сверхмассивная черная дыра в центре галактики Мессье 87, которая находится на расстоянии около 54 миллионов световых лет от Земли. Масса черной дыры эквивалентна 6,5 миллиардам солнц.

Чтобы сделать снимок, астрономы использовали данные, полученные за годы с восьми телескопов, синхронизированных по всему миру. Таким образом, изображение — это реконструированный вид, а не фотография.

«Такое ощущение, что смотришь на врата ада на краю пространства и времени», — сказал Хейно Фальке, сотрудник телескопа Event Horizon Telescope, когда фотография была опубликована.

Следующей целью команды EHT, вероятно, станет Стрелец A *, черная дыра в центре нашей галактики.

Мы смоделировали, как могло бы выглядеть болтание возле черной дыры.

Поскольку апрельское изображение EHT было очень размытым, ученые НАСА создали визуализацию того, как черная дыра может выглядеть крупным планом и в действии.

Анимация показывает, как гравитация, окружающая черную дыру, искривляет свет из вращающегося облака газа, пыли, мертвых звезд и другого космического мусора (называемого аккреционным диском). Это выглядело бы как огненная радуга, огибающая темную бездну.

Черная дыра будет меняться по внешнему виду в зависимости от того, как на нее смотреть. Вид сбоку, подобный приведенному ниже, показал бы, как аккреционный диск скользит по горизонту событий.

Диск будет казаться ярче с одной стороны, чем с другой, потому что черная дыра M87, вероятно, вращается, что также вращает облако пыли и газа, вращающееся вокруг нее.Таким образом, материал, движущийся к нашим глазам, будет казаться ярче, чем материал, движущийся вдали — немного похоже на маяк на маяке.

Однако, если вы посмотрите на черную дыру сверху или снизу, аккреционный диск образует почти идеальный круг, и свет будет казаться более равномерно распределенным.

По словам Торна, причина того, что черная дыра в «Интерстеллар» не соответствует изображению черной дыры M87, заключается в том, что Нолан решил опустить это явление яркости и затемнения.

Торн сказал Gizmodo, что «человеческий глаз, скорее всего, не сможет различить разницу яркости по обеим сторонам дыры, когда общая яркость настолько велика». Вот почему черная дыра в фильме, кажется, имеет одинаковую яркость во всем.

Ученые подтвердили, что в центре нашей галактики есть сверхмассивная черная дыра.

Сверхмассивные черные дыры распространены во Вселенной — они были обнаружены в центре почти каждой галактики, которую исследовали ученые.Черная дыра в центре Млечного Пути, Стрелец A *, находится на расстоянии 25 000 световых лет от нас и в 4 миллиона раз тяжелее нашего Солнца.

Аккреционный диск Стрельца A * имеет ширину около 100 миллионов миль или немного шире, чем расстояние между Землей и Солнцем.

В октябре 2018 года астрономы обнаружили, что они наблюдали, как Стрелец А * всасывает капли горячего газа на 30% скорости света — 201 миллион миль в час. Это вызвало три мощных всплеска излучения, которые были обнаружены телескопами на Земле.

В то время авторы исследования заявили, что вспышки «предоставляют долгожданное подтверждение того, что объект в центре нашей галактики, как долгое время предполагалось, является сверхмассивной черной дырой».

Джозефин Петерс, астрофизик из Оксфордского университета, не участвовавшая в исследовании, ранее сообщила Business Insider, что наблюдения следовали материалу «настолько близко, насколько вы могли подойти к черной дыре, не будучи поглощенным ею.«

Но Питерс добавил, что Стрелец A * «по-прежнему невероятно загадочен».

Чем больше ученые узнают о черных дырах, таких как Стрелец А *, тем лучше режиссеры вроде Нолана смогут изобразить их в голливудских блокбастерах.

Черная дыра Интерстеллар, которую когда-то считали чистой спекуляцией

Спустя пятьдесят лет после появления термина «черная дыра» публика и ученые по-прежнему очарованы.

Бен П. Штайн, автор

*** СПОЙЛЕР ТРЕВОГА: Эта статья содержит спойлеры сюжета к фильму «Интерстеллар.»Если вы хотите избежать спойлеров, пропустите ТРИ абзаца, выделенные курсивом . ***

(Inside Science) — Гаргантюа — звезда нового фильма «Интерстеллар». Конечно, в человеческий состав входят Энн Хэтэуэй, Мэттью МакКонахи, Джессика Честейн и другие известные актеры. Но Гаргантюа, огромная, быстро вращающаяся черная дыра, является астрономическим центром фильма. В фильме, в котором представлены правдоподобные, но фантастические идеи из современной физики, включая кротовые норы, путешествия во времени и дополнительные измерения, вращающаяся черная дыра, возможно, является самым легким для восприятия космологическим элементом во всем фильме.

В фильме космонавты пытаются спасти людей на Земле, которая становится все более необитаемой, пытаясь найти другую планету с пригодными для жизни условиями. С помощью того, что кажется продвинутой формой жизни, они путешествуют через экзотический туннель, известный как червоточина, к планетарной звездной системе, содержащей Гаргантюа.

Черные дыры, такие как Гаргантюа, широко признаны объектами нашего космоса. Но едва ли более полувека назад многие физики резко отвергли само существование черных дыр.По словам Чарльза Миснера, почетного профессора физики в Университете Мэриленда в Колледж-Парке, Чарльза Миснера, заслуженного профессора физики Университета Мэриленда, который также был профессором физики в Колледж-Парке, Чарльз Миснер помогла переломить ситуацию в декабре 1963 года в Далласе, несмотря на травматические последствия убийства Кеннеди. мой гость на предварительном просмотре «Интерстеллар».

Создателем физики в «Интерстеллар» является один из давних коллег Мизнера, физик-теоретик Кип Торн. Торн был научным консультантом фильма и считается одним из исполнительных продюсеров фильма.Его книга «Наука о Интерстеллар» выходит в пятницу вместе с широким прокатом фильма. Но Торн был физиком с 1960-х годов, до того, как черные дыры ушли в Голливуд. Торн и Миснер стали соавторами учебника 1973 года «Гравитация» вместе со знаменитым физиком Джоном Уилером, их бывшим консультантом в аспирантуре, которому приписывают популяризацию термина «черная дыра».

В их учебнике представлена ​​физика черных дыр, хотя на момент написания их фактическое существование еще не было подтверждено сильными астрономическими наблюдениями, сказал Миснер.Но трио не считало их выдуманными.

«Мы все были истинными верующими», — сказал Миснер.

Наука фильма играет ведущую роль в сюжете, и создатели фильма явно учли многие аспекты передовой теоретической и наблюдательной космологии при создании повествования.

Современная идея черных дыр возникла в 1915 году из общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает, как гравитация действует в больших масштабах, таких как галактики, скопления галактик и вся Вселенная.В следующем году физик Карл Шварцшильд нашел решение уравнений Эйнштейна, которое предполагало существование черных дыр. В последующие десятилетия ученые пришли к пониманию того, что черные дыры — это объекты, в которых гравитация настолько сильна, что даже свет не может покинуть их. Однако черные дыры оставались теоретическим любопытством, и физики обсуждали, были ли они просто странным математическим артефактом или действительно существовали.

В конце 1950-х годов, вспоминает Миснер, другие физики посоветовали некоторым из его коллег держаться подальше от изучения черных дыр и других странных математических следствий из общей теории относительности Эйнштейна.

Известные физики спорили о существовании черных дыр, в том числе нобелевский лауреат Ричард Фейнман.

На встрече в июне 1963 года в Корнельском университете в Итаке, штат Нью-Йорк, «Фейнман выступил в мою защиту и сказал, что это возможно», — рассказал Миснер. С другой стороны, Филип Моррисон, физик из Массачусетского технологического института, который, как и Фейнман, работал над Манхэттенским проектом, был категорически против идеи черных дыр, которые, похоже, требуют области бесконечной плотности в центре, известной как сингулярность.

Действительно, то, что происходит внутри черных дыр, до сих пор полностью не известно или не понято.

«Интерстеллар» пользуется этой тайной. В фильме внутри Гаргантюа хранится ключ для астронавта, который путешествует в пространстве и времени в попытке спасти людей на Земле.

Отношение к реальному существованию черных дыр начало меняться в начале 1960-х годов. Астрофизики наблюдали странные явления, такие как квазары, точечные объекты, которые излучают радиоволны, которые могут быть более интенсивными, чем от целых галактик.Что могло быть причиной появления этих объектов? Могут ли черные дыры втягивать в себя диски материи в центре галактик и заставлять их излучать огромное количество электромагнитного излучения?

Миснер вспоминает, что на первом Техасском симпозиуме по релятивистской астрофизике в Далласе, организованном физиками Техасского университета летом 1963 года, исследователи обсуждали квазары и «захотели думать о гравитации» и черных дырах как об основном факторе, приводящем в действие эти объекты. — сказал Миснер.Конференция состоялась в декабре 1963 года, вскоре после убийства президента Джона Ф. Кеннеди. Как сообщает Dallas Morning News, мэр Эрл Кэбелл призвал организаторов продолжить встречу, несмотря на их сомнения относительно сроков ее проведения после исторической трагедии. По словам Вольфганга Риндлера, физика из Техасского университета в Далласе, который участвовал во встрече, организаторы размышляли о поддержке Кеннеди науки и чувствовали, что это поможет всем двигаться вперед в будущее.

Воспоминания о революции релятивистской астрофизики в Техасском университете в Далласе 11 декабря 2013 г.

Вскоре после этого астрономы обнаружили нейтронные звезды, компактные объекты, которые могут быть размером с Манхэттен, но имеют массу Солнца.Как выяснили ученые, нейтронные звезды образовались, когда умирающая звезда коллапсировала под тяжестью собственной гравитации.

Позже, в 1960-х, Миснер, Торн и Уиллер решили, что они хотят написать учебник, в котором новейшие математические достижения будут применены к теории гравитации Эйнштейна. Они потратили на это три года, встречаясь во всевозможных местах, чтобы поработать над этим, в том числе провели лето на Высоком острове недалеко от штата Мэн.

Изданный в 1973 году, «Гравитация» используется до сих пор. «Он никогда не выходил из печати и никогда не редактировался», — сказал Миснер.Хотя он был опубликован до многих разработок в области изучения черных дыр, в том числе некоторых из основных, разработанных физиком Стивеном Хокингом, «его математика остается твердой», — сказал он.

Продажи книги резко выросли в 1990-х годах, когда наблюдательная астрономия продвинулась вперед, и ученые начали обнаруживать свидетельства существования все большего количества черных дыр. Но, как подчеркнул Миснер, физики не могут полагаться только на уравнения, чтобы полностью понять физику черных дыр. Им нужен был дополнительный элемент. Им нужно было сделать фотографии, чтобы показать, что происходит.

«Никто не мог понять, о чем говорят уравнения, если не посмотрел на визуализации», — сказал Миснер. В настоящее время специалист по визуализации часто является членом исследовательской группы.

Сорок лет спустя Торн, любитель научной фантастики из трио из учебников, применил эту практику в кино в «Интерстеллар». Как сообщает Wired, он работал с экспертом по компьютерной графике Полом Франклином, чтобы преобразовать уравнения черных дыр в яркие, подробные модели черных дыр.Они показывают драматические полосы света, появляющиеся сверху, снизу и вокруг диска материи, окружающего черную дыру. Торн указал, что выводы из этих визуализаций лягут в основу как минимум пары будущих исследовательских работ.

Среди этих реалистичных симуляций, по словам Миснера, в фильме есть «проблески реальной физики, дико преувеличенные». Например, физики установили, что кротовые норы, туннели в разные части пространства и времени, возможны, но обычно они воображают, что их отверстия очень малы, примерно с размер элементарных частиц, из которых состоят протоны и нейтроны.

В фильме червоточина, найденная недалеко от Сатурна, достаточно велика для космического корабля, и Миснер задался вопросом, как отверстие в червоточине может быть достаточно большим без наличия огромной черной дыры, которая наверняка нарушит орбита Сатурна и большей части Солнечной системы с ней. Действительно, современная физика не может объяснить, как могла возникнуть такая червоточина, поэтому в фильме ее детали оставлены на усмотрение инопланетной цивилизации, которая ее туда поместила. Однако Миснер ценил точные штрихи в фильме, такие как процесс Пенроуза, в котором космические путешественники могли извлекать полезную энергию из черной дыры.

Миснер сказал, что мы живем в эпоху, когда изучение гравитации «все время улучшается», а работа над черными дырами, нейтронными звездами и космическим микроволновым фоном объясняется с помощью математических уравнений, которые когда-то были чисто теоретическими.

«Наука представляет собой ступеньку во вселенную, в которой было бы интересно жить и которой мы можем наслаждаться как вымысел», — добавил он в электронном письме для Inside Science.

Связанные материалы изнутри науки: Были ли онлайн-критики слишком резкими в отношении науки Interstellar?

Гаргантюа в тумане: ранний гигант из черной дыры на краю космического рассвета

Гаргантюа в тумане: ранний гигант из черной дыры на краю космического рассвета

Versión en Español aquí

Сверхмассивные черные дыры скрываются в центрах многих галактик.В то время как некоторые — например, черная дыра в центре нашей Галактики — живут тихой жизнью, время от времени перекусывая одной или двумя звездами, другие жадно питаются, потребляя газ и звезды и быстро увеличивая массу.

Квазар-рекордсмен

Чтобы понять, когда впервые появились сверхмассивные черные дыры, астрономы просматривают небо на предмет активно питающихся черных дыр (известных как «квазары») из далекого прошлого Вселенной. Последнее открытие, сделанное группой под руководством Эдуардо Банядоса (Обсерватории Карнеги) и опубликованное сегодня в журнале Nature, является рекордным: J1342 + 0928, самый далекий из известных квазаров.

Новый квазар обнаружен с красным смещением 7,54, когда Вселенной было всего 690 миллионов лет, или 5% от ее нынешнего возраста. В это время Вселенная быстро менялась. Появлялись первые галактики, и их энергетическое излучение начало ионизировать окружающий межгалактический газ, освещая и навсегда превращая Вселенную из нейтральной в ионизированную. Открытие того, что новый квазар находится в преимущественно нейтральной Вселенной, прочно помещает его в эту эпоху, на грани космического рассвета.

Черная дыра чудовища

Несмотря на свой молодой возраст, квазар скрывает огромную черную дыру, в 800 миллионов раз превышающую массу Солнца.

Соавтор Сяохуэй Фань (Университет Аризоны): удивительно обнаружить такую ​​массивную черную дыру на столь раннем этапе космической истории. «Новый квазар сам по себе является одной из первых галактик, но в нем уже есть гигантская черная дыра, столь же массивная, как и другие в современной Вселенной!» — заметил он. Открытие ставит под сомнение наше понимание раннего роста сверхмассивных черных дыр и их родительских галактик.

NOAO и данные Близнецов, имеющие решающее значение для открытия

Квазары типа J1342 + 0928 встречаются редко. Исследование, которое показало существование J1342 + 0928, исследовало одну десятую всего неба, давая только один квазар в эту эпоху. Чтобы выделить эти редкие источники из миллионов источников в небе, исследовательская группа применила умную технику отбора. Они использовали архивные данные для поиска источников, которые являются яркими в инфракрасном диапазоне (более 1 микрона), но не обнаруживаются в z-диапазоне (чуть меньше 1 микрона).

Глубокие данные в полосе z, покрывающие большую полосу неба, поэтому имели решающее значение для исследования. К счастью, именно такой набор данных теперь доступен из обзора наследия DECam (DECaLS), который проводится с помощью камеры темной энергии на 4-м телескопе Бланко в Межамериканской обсерватории Серро Тололо. Исследовательская группа также использовала наборы инфракрасных данных из Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) и инфракрасного телескопа Соединенного Королевства Infrared Deep Sky Survey (UKIDSS).Спектры, полученные с помощью спектрографа в ближней инфракрасной области на телескопе Gemini North, были использованы для измерения массы черной дыры.

«Парадоксально, но именно отсутствие этого источника в данных DECaLS делает его таким интересным и идентифицирует его как очень далекий объект», — объяснил Дэвид Шлегель (Национальная лаборатория Лоуренса Беркли), один из соруководителей DECaLS опрос.

Комментируя использование исследовательской группой архивных данных DECaLS, Арджун Дей (Национальная оптическая астрономическая обсерватория), другой соруководитель исследования DECaLS, заметил: «DECaLS был разработан с нуля как общественный проект, так что это замечательно видеть данные, позволяющие делать захватывающие открытия, раздвигающие границы известной Вселенной.”

«Подобное важное открытие является долгожданным результатом инвестиций NSF Astronomy в оборудование, крупные исследования и выдающиеся исследовательские группы с целевым последующим наблюдением», — сказал Ричард Грин, директор отдела астрономических наук NSF. Межамериканская обсерватория Серро Тололо является частью Национальной оптической астрономической обсерватории (NOAO). И NOAO, и Gemini финансируются Национальным научным фондом (NSF).

От ранней юности к солидному среднему возрасту?

Соавтор Фан полагает, что новый квазар, каким бы замечательным он ни был, «вероятно, просто рано расцвел.Если он расположен в более плотной, чем в среднем, части Вселенной, он может раньше начать жизнь и расти быстрее ». Фан подозревает, что, несмотря на свою преждевременную юность, J1342 + 0928 в конечном итоге ожила более взвешенными темпами, став более типичной сверхмассивной черной дырой в центре большой эллиптической галактики.

Что дальше?

Открытие, о котором сообщается, является частью долгосрочных поисков самых ранних квазаров, проводимых Фабианом Уолтером и Брэмом Венемансами из Института астрономии Макса Планка.Исследовательская группа применяет аналогичную стратегию в исследовании более обширной области неба, чтобы найти и изучить самые ранние квазары. Как долго J1342 + 0928 будет оставаться рекордсменом? Время покажет!

Артикул:

«Черная дыра с массой 800 миллионов солнечных масс в существенно нейтральной Вселенной при красном смещении 7,5», Банядос и др. 2017, Nature [http://dx.doi.org/10.1038/nature25180]. Препринт
[https://users.obs.carnegiescience.edu/~ebanados/banados2017-arxiv.pdf]

Межамериканская обсерватория Серро Тололо (CTIO) является частью Национальной оптической астрономической обсерватории (NOAO), которая находится в ведении Ассоциации университетов для исследований в области астрономии (AURA) в соответствии с соглашением о сотрудничестве с Национальным научным фондом.

Обсерватория Близнецов управляется AURA в соответствии с соглашением о сотрудничестве с NSF от имени партнерства Gemini: Национального научного фонда (США), Национального исследовательского совета (Канада), CONICYT (Чили), Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva (Аргентина) и Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (Бразилия).

Контакты по науке

Доктор Сяохуэй Фань
Обсерватория Стюарда, Университет Аризоны
Тел: +1 520-360-0956
Электронная почта: [email protected]

Д-р Эдуардо Баньядос
Обсерватории Научного института Карнеги
Тел .: +1 626-3040-236
Эл. Почта: [email protected]

Д-р Арджун Дей
Национальная оптическая астрономическая обсерватория
Тел .: +1 520-318-8429
Эл. Почта: dey @ noao.edu

Впервые вы можете увидеть, как выглядит черная дыра | Наука

Это изображение показывает черную дыру в центре Мессье 87, массивной галактики в соседнем скоплении галактик Дева. Черная дыра находится в 55 миллионах световых лет от Земли и имеет массу в 6,5 миллиарда раз больше массы Солнца.

Автор: Дэниел Клери, 10 апреля 2019 г., 9:15

Наконец-то мы видим это: черная дыра во плоти. Сегодня астрономы показали снимок гигантской черной дыры в сердце соседней галактики Мессье 87 (M87). Результат — огненное кольцо, окружающее самую черную из теней, — является убедительным подтверждением теории гравитации Альберта Эйнштейна или общей теории относительности, которая использовалась для предсказания черных дыр 80 лет назад.Это также подвиг для команды из более чем 200 ученых, которые годами трудились над созданием изображения, комбинируя сигналы восьми отдельных радиообсерваторий со всего земного шара.

Связанное содержание

«Такое ощущение, что смотришь на врата ада», — говорит Хейно Фальке из Университета Радбауд в Неймегене, Нидерланды, один из лидеров коллаборации Event Horizon Telescope (EHT), которая объявила пресс-конференции.«Это конец пространства и времени». Фальке говорит, что двухлетний процесс обработки данных и создания изображений «был самым эмоционально сложным периодом в моей жизни».

Хотя мало кто сомневался в существовании черных дыр, увидеть их — или, по крайней мере, их тень — было огромной проблемой. Черные дыры обладают настолько сильными гравитационными полями, что даже свет не может выйти из них, поэтому они определяются оболочкой черной безликой сферы, называемой горизонтом событий. Но дыры все же видно.По мере того как они поглощают материю, которая находится слишком близко, они сжимают ее в перегретый диск светящегося газа.

На изображениях, сделанных командой, нижняя часть кольца кажется яркой, потому что газы там подвергаются доплеровскому ускорению и направляются к Земле. Черная дыра изгибает свет вокруг себя, создавая круглую тень. Общая теория относительности предсказывает, что тень должна быть круглой с точностью до 10%, говорит Эйвери Бродерик, член EHT и астрофизик из Университета Ватерлоо в Канаде, тогда как альтернативные теории гравитации предсказывают искаженные некруглые формы.По словам Бродерика, наблюдаемая тень по существу круглая.

Данные Южнополярного телескопа, одной из радиотушек, используемых в телескопе Event Horizon, перезимовали в Антарктиде, прежде чем были объединены с другими данными.

Команда EHT из 13 организаций по всему миру провела наблюдения M87 * и черной дыры в центре нашего Млечного Пути, известной как Стрелец A * (Sgr A *), в течение 5 ночей в апреле 2017 года с использованием восьми радиостанций. телескопы, чувствительные к длинам волн около миллиметра.На этой конкретной радиочастоте излучение может проникать сквозь дымку пыли и газа, которая окружает центры галактик.

Но приблизить черные дыры все еще было непросто. Черные дыры упаковывают огромное количество массы в удивительно маленькое пространство. Черная дыра в центре M87, на расстоянии 55 миллионов световых лет от нас, поглотила массу 6,5 миллиардов солнц. Однако его горизонт событий составляет всего 40 миллиардов километров в поперечнике, что примерно в четыре раза больше диаметра орбиты Нептуна.

Ни один из существующих телескопов не имеет разрешения, чтобы увидеть такой далекий крошечный объект.Таким образом, команда EHT объединила большинство телескопов миллиметрового диапазона по всему миру и объединила их данные для создания виртуального телескопа размером с Землю с помощью процесса, называемого интерферометрией с очень длинной базой. Телескопы, которые они использовали, простирались от Гавайев до Аризоны, от Мексики до Испании и Чили до Южного полюса. «Вы можете думать о них как о посеребренных пятнах на глобальном зеркале», — говорит Шеп Доулман, руководитель проекта EHT в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики в Кембридже, штат Массачусетс. «Затем Земля поворачивается, и мы можем заполнить изображение.”

Коллаборация провела более ранние наблюдения с меньшим количеством телескопов, но в 2017 году у них впервые появилась система, охватывающая весь земной шар, которая включала мощность Большой миллиметровой / субмиллиметровой антенной решетки Атакамы в Чили с ее 64 антеннами. Миллиметровые волны подвержены влиянию облаков, поэтому хорошая погода была важна. В апреле 2017 года улыбнулись боги погоды. «Это была одна из самых гладких частей проекта», — говорит член команды Фериал Озель из Университета Аризоны в Тусоне. «Некоторые бригады работали в смену по 16 или 18 часов, но все было удачно», — говорит она, добавляя: «Анализ данных был намного сложнее.”

С тех пор этот процесс занял все время. Объем данных был настолько велик, что их нельзя было передать на большие компьютеры в обсерватории Хейстэк Массачусетского технологического института в Вестфорде и в Радиоастрономическом институте Макса Планка в Бонне, Германия. Вместо этого его нужно было записать на диск и отправить, что создало проблему для телескопа Южного полюса. Он был заблокирован на зиму в Австралии, поэтому исследователи не получали его данные почти до конца 2017 года.Всего было записано 4 петабайта, при каждом чтении с использованием атомных часов. Если бы эти данные были музыкой, записанной в формате MP3, на их воспроизведение ушло бы 8000 лет.

Photon ringShadowedgeEvent horizonСимуляции (внизу) помогли связать нечеткое изображение EHT (в центре) с физической моделью черной дыры M87 (вверху) и предположить, что аккреционный диск вращается по часовой стрелке. усилено и ярче.Размер гелиопаузы, границы Солнечной системы Команде Event Horizon Telescope (EHT) потребовалось 2 года, чтобы получить изображение черной дыры в центре соседней галактики Мессье 87 (M87), которая питается закрученным диском яркой материи. Его гравитация настолько сильна, что фотоны вращаются вокруг него, образуя яркое кольцо. Гравитационное линзирование увеличивает горизонт черной дыры в большую темную тень, которая может быть частично заполнена материалом перед дырой.

(ГРАФИЧЕСКИЙ) C.БИКЕЛЬ / НАУКА ; (ИЗОБРАЖЕНИЯ) СОТРУДНИЧЕСТВО С ТЕЛЕСКОПОМ В ГОРИЗОНТЕ СОБЫТИЙ ET AL ., ПИСЬМА АСТРОФИЗИЧЕСКОГО ЖУРНАЛА , ТОМ. 875, 3, 2019

«Это был довольно ужасный процесс обработки всех данных», — говорит Фальке. Мощные процессоры, называемые корреляторами, сравнивают показания пар телескопов на разных расстояниях и ориентациях с черными дырами. Озель сравнивает это с построением трехмерного изображения тела с компьютерной томографией, но в этом случае у них нет всех необходимых ориентаций.«Мы должны были убедиться, что мы не заполняем данные таким образом, чтобы это могло повлиять на интерпретацию», — говорит она. Моника Мосцибродзка, координатор рабочей группы EHT в Университете Радбауд, говорит, что четыре независимые группы продублировали обработку данных, чтобы устранить предвзятость. Она говорит, что результат был убедительным, потому что в течение 4 дней наблюдений M87 * форма и размер тени были согласованными, а контраст между ярким кольцом и темной тенью был таким большим, как предсказывала теория.

Команда не сообщила результатов для гиганта нашей галактики, Sgr A *.Хотя он намного ближе, чем M87 *, он примерно в 1000 раз менее массивен и с меньшим горизонтом событий. Более того, он быстрее движется по небу, что усложняет наблюдения. Доулман говорит, что в следующий раз команда обратится к сержанту А *. «Мы ничего не обещаем», — говорит он. «Но мы надеемся скоро добраться до него».

Эйнштейну не нравилась идея черных дыр. Через несколько месяцев после того, как в 1915 году он опубликовал свою общую теорию относительности, немецкий физик Карл Шварцшильд предложил решение уравнений Эйнштейна, согласно которому на определенном расстоянии от бесконечно малой точки массы гравитация должна быть настолько сильной, что ничто не остановит от побега. даже свет.

Однако в течение десятилетий большинство физиков и астрономов считали такую ​​идею просто математическим любопытством. Только в 1939 году американский физик Роберт Оппенгеймер и его коллеги предсказали, что массивная звезда действительно может схлопнуться в точку.

Эта идея получила поддержку после открытия Джоселин Белл Бернелл в 1967 году пульсаров — плотных вращающихся нейтронных звезд, — которое доказало существование чрезвычайно плотных и компактных объектов. С тех пор астрономы накопили множество косвенных доказательств существования черных дыр, основанных на их гравитации.Астрономы обнаружили двойные системы, такие как Cygnus X-1, в которых звезда вращается вокруг невидимого, более плотного объекта, который, кажется, поглощает материал от своего звездного партнера.

Больше доказательств было получено в результате исследований Sgr A *. За последние пару десятилетий наблюдения горстки звезд на узких и быстрых орбитах не оставляют места для чего-либо, кроме сверхмассивной черной дыры в центре Галактики, масса которой примерно в 4 миллиона раз больше массы нашего Солнца.

Наиболее убедительные доказательства были получены в 2015 году, когда Обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром обнаружила рябь в пространстве-времени, излучаемую катастрофическим слиянием двух черных дыр.Однако с сегодняшним объявлением астрономы наконец получили визуальные доказательства. «Я всегда хотел увидеть эту чертову штуку, — говорит Фальке.

Будущие наблюдения EHT могут пролить дополнительный свет на природу черных дыр. Команда надеется измерить спин и магнитную поляризацию черных дыр. В M87 *, более прожорливой и активной черной дыре, чем Sgr A *, команда смогла узнать о механизме, который ускоряет струи материала из полюсов черной дыры, как лучи из маяка.Сера Маркофф, член команды EHT и астрофизик-теоретик из Амстердамского университета, отмечает, что M87 * также является «активным галактическим ядром», чья светимость увеличивается и уменьшается по мере того, как она поглощает материю. «Нам просто повезло, — говорит она. «Если бы он вспыхивал, мы могли бы увидеть что-то совсем другое, и это могло бы заблокировать тень».

Кампания команды в 2018 году в основном провалилась из-за плохой погоды. В этом году наблюдения были прекращены, так как несколько телескопов не работали.Но в следующем году наблюдения должны включать новые телескопы, и они также начнут вести наблюдения на более коротких длинах волн, что должно давать более четкие изображения, говорит Доулман. «Мы сможем расширить это изображение этой тени до места, где она соединяется с этой струей».

Астрономы, не входящие в группу EHT, будут стремиться к неожиданным открытиям, которые могут указывать на теоретические открытия. Когда его спросили о результатах команды, Ави Лоеб, директор организации Black Hole Initiative в Гарвардском университете, сказал, что больше всего удивлен отсутствием сюрпризов.Десять лет назад он помог смоделировать M87 *, и, по его словам, его изображения очень похожи на сегодняшние EHT. Но даже в этом случае, по его словам, результат команды является важной вехой. «Изображение стоит тысячи слов, а увидеть — значит поверить», — говорит он. «Итак, мы прибили карту черной дыры».

С дополнительными сообщениями Адриана Чо и Денниса Нормила.

83 Обнаружены гигантские черные дыры, глотающие ужин на краю Вселенной

Астрономы обнаружили 83 сверхмассивных черных дыры, рожденных Вселенной в ее зародыше.

Точнее, исследователи обнаружили квазары, или огромные светящиеся диски из газов и пыли, которые окружают сверхмассивные черные дыры. (Сами черные дыры, конечно, не излучают ни света, ни энергии, хотя трение материи, которая кружится вокруг и в конечном итоге попадает в «рот» черной дыры, действительно излучает огромный свет.) Квазары и их центральные черные дыры имеют размер 13 миллиардов световых лучей. лет от Земли, то есть ученые видят объекты сейчас такими, какими они были, всего через 800 миллионов лет после образования Вселенной.

До нового открытия, сделанного с помощью японского телескопа Субару, в исследуемом регионе было известно только 17 сверхмассивных черных дыр. [Самые дальние идеи Стивена Хокинга о черных дырах]

Квазары — самые яркие объекты во Вселенной, и они встречаются только вокруг черных дыр, масса которых в миллионы раз превышает массу Солнца Земли. Самый далекий из когда-либо обнаруженных квазар был обнаружен по свету, который он испускал всего через 690 миллионов лет после Большого взрыва. Из 83 новых квазаров самый далекий — 13.В 05 миллиардах световых лет от нас. Это означает, что его свет начал свой путь к объективу телескопа в течение первого миллиарда лет существования Вселенной. Этот квазар связан с более ранним открытием как второй по дальности квазар из когда-либо обнаруженных.

Исследователи под руководством астронома Йошики Мацуока из Университета Эхимэ в Японии использовали специальный инструмент под названием Hyper Suprime-Cam, установленный на телескопе Subaru; Обсерватория находится на вулкане Мауна-Кеа на Гавайях.По данным Национальной астрономической обсерватории Японии, камера имеет огромное поле зрения и снимает все небо в течение пяти лет.

Новые находки предполагают, что в каждом кубе космоса, каждая сторона которого составляет миллиард световых лет, есть примерно одна сверхмассивная черная дыра и связанный с ней квазар.

Результаты исследования важны, потому что они открывают окно в самые ранние дни Вселенной после того, как она превратилась из смеси горячих субатомных частиц во что-то более прохладное и организованное. Ранняя Вселенная провела несколько сотен миллионов лет в темноте, прежде чем образовались ее первые звезды; Самый старый знак Вселенной, видимый астрономами, насчитывает 13,6 миллиарда лет.

Вскоре после образования первых звезд водородный газ во Вселенной прошел период реионизации, когда что-то очень энергичное разделило атомы обратно на отдельные протоны и электроны.