Вселенная таит в себе множество загадок. Строение и особенности различных , возможность межпланетных путешествий привлекают внимание не только ученых, но и любителей научной фантастики. Естественно, наибольшей привлекательностью обладает то, что имеет уникальные свойства, что, в силу разных обстоятельств, недостаточно исследовано. К подобным объектам относятся чёрные дыры.
Чёрные дыры обладают очень высокой плотностью и невероятно большой силой гравитации. Даже лучи света не могут вырваться из них. Именно поэтому учёные могут «увидеть» чёрную дыру только благодаря тому действию, которое она оказывает на окружающее пространство. В непосредственной близости от чёрной дыры вещество раскаляется и движется с очень большой скоростью. Это газообразное вещество называют аккреционным диском, который выглядит как плоское светящееся облако. Рентгеновское излучение аккреционного диска учёные наблюдают в рентгеновские телескопы. Также фиксируют огромную скорость движения звёзд по их орбитам, что происходит благодаря большой гравитации невидимого объекта огромной массы. Астрономы выделяют три класса чёрных дыр:
Чёрные дыры, имеющие звёздную массу,
Чёрные дыры с промежуточной массой,
Сверхмассивные чёрные дыры.
Звёздной считают массу от трех до ста солнечных масс. Сверхмассивными называют чёрные дыры, имеющие от сотен тысяч до нескольких миллиардов масс Солнца. Они находятся обычно в центре галактик.
Вторая космическая скорость или скорость убегания – это тот минимум, который необходимо достичь для преодоления гравитационного притяжения и выхода за пределы орбиты данного небесного тела. Для Земли скорость убегания равна одиннадцати километрам в секунду, а для чёрной дыры - это более трёхсот тысяч, вот насколько сильна её гравитация!
Границу чёрной дыры называют горизонтом событий. Объект, попавший внутрь него, уже не может покинуть эту область. Размер горизонта событий пропорционален массе чёрной дыры. Чтобы показать, насколько огромна плотность чёрных дыр, учёные приводят следующие цифры – чёрная дыра с массой, в 10 раз превосходящей солнечную, имела бы, примерно, 60 км в диаметре, а чёрная дыра с массой нашей Земли – всего лишь 2 см. Но это только теоретические расчеты, поскольку чёрных дыр, не достигших трёх солнечных масс, учёными ещё не выявлено. Всё, что входит в область горизонта событий, двигается по направлению к сингулярности. Сингулярность, если сказать упрощенно, - это место, где плотность стремится к бесконечности. Через гравитационную сингулярность нельзя провести входящую в неё геодезическую линию. Для чёрной дыры характерно искривление структуры пространства и времени. Прямая линия, которая в физике представляет собой путь движения света в вакууме, вблизи чёрной дыры становится кривой. Какие физические законы работают рядом с точкой сингулярности и непосредственно в ней, пока неизвестно. Некоторые исследователи, например, говорят о наличии так называемых червоточин, или пространственно-временных туннелей, в чёрных дырах. Но не все учёные согласны признать существование подобных туннелей-червоточин.
Тема космических путешествий, пространственно-временных туннелей служит источником вдохновения для писателей-фантастов, сценаристов и режиссеров. В 2014 году состоялась премьера фильма «Интерстеллар». Над его созданием работала целая группа учёных. Их руководителем стал известный учёный, специалист в области теории гравитации, астрофизики – Кип Стивен Торн. Этот фильм считают одним из самых научных среди фантастических кинокартин и, соответственно, предъявляют к нему высокие требования. Велись многочисленные споры о том, насколько различные моменты фильма соответствуют научным фактам. Была даже издана книга «Наука Интерстеллара», в которой профессор Стивен Торн объясняет с научной точки зрения различные эпизоды из фильма. Он говорил о том, что многое в киноленте основано как на научных фактах, так и на научных предположениях. Однако есть и просто художественный вымысел. Например, чёрная дыра Гаргантюа представлена в виде светящегося диска, который огибает свет. Это не расходится с научными знаниями, т.к. видна не сама чёрная дыра, а только аккреционный диск, а свет не может двигаться по прямой из-за мощной гравитации и искривления пространства.
В чёрной дыре Гаргантюа есть кротовая нора, представляющая собой червоточину или туннель, проходящий сквозь пространство и время. Наличие подобных туннелей в чёрных дырах - всего лишь научное предположение, с которым не согласны многие учёные. К художественному вымыслу относится возможность совершить путешествие по такому туннелю и вернуться назад.
Чёрная дыра Гаргантюа – это фантазия создателей «Интерстеллара», которая во многом соответствует реальным космическим объектам. Поэтому для особо яростных критиков хочется напомнить – фильм, всё же, научно-фантастический, а не научно-популярный. Он показывает красоту и величие мира, который нас окружает, напоминает о том, как много ещё нерешенных задач у . А требовать от фантастического фильма точного отражения научно доказанных фактов - несколько неправомерно и наивно.
Меня зовут Андрей Колокольцев. По роду деятельности меня давно интересуют истории о том, как именитые режиссеры, продюсеры, студии справляются с созданием тех или иных визуальных картин. Для первой моей публикации я выбрал кинофильм, который стал для меня аудиовизуальным откровением и настоящим эмоциональным аттракционом (это при просмотре в кино на экране IMAX, дома на телевизоре теряется 2/3 впечатлений). Вы не подпрыгните от неожиданности, так как в названии уже все прочитали - это фильма Кристофера Нолана «Интерстеллар». Несмотря на то, что интерес к нему давно угас, я хотел бы представить Вашему вниманию вольный перевод оригинальной статьи Майка Сеймура «Interstellar: inside the black art» от 18 ноября, 2014 года. Эта статья рассказывает о том, как создавалась визуализация «Гаргантюа» и других сцен из фильма - думаю, это будет интересно читателям пусть даже спустя 1,5 года.
Режиссер Интерстеллара Кристофер Нолан объясняет Мэттью Макконахи основы квантовой физики суть сцены
Работники цеха спецэффектов и компьютерной графики очень часто сталкиваются с необходимостью создать визуализацию того, чего еще никто никогда не видел. К этому добавляется требование современной киноиндустрии, чтобы все это выглядело реально, даже несмотря на то, что, собственно, никто толком и не представляет, как это, вообще, может выглядеть. В фильме Кристофера Нолана «Интерстеллар», супервайзер спец.эффектов Пол Франклин и команда Double Negative должны были создать визуализацию вещей не из нашего измерения, при том при всем максимально приближенную не только к квантовой физике и релятивистской механике, но также и к нашему общему пониманию квантовой гравитации.
Стало удачей, что среди основной команды Double Negative был Оливер Джеймс, главный научный сотрудник с Оксфордским образованием в сфере оптики и атомной физики, а также глубоким понимание релятивистских законов Эйнштейна. Также как и Франклин, он работал с главным продюсером и научным консультантом Кипом Торном. Торн должен был рассчитать сложные математические уравнения и отправить их Джеймсу для перевода в высококачественные рендеры. Требования, предъявляемые к фильму поставили перед Джеймсом задачу не просто визуализировать объясняющие дуговые траектории света расчёты, но также визуализировать и поперечные сечения лучей света, меняющих свой размер и форму на протяжении путешествия через черную дыру.
Код Джеймса был всего лишь частью общего решения. Рука об руку он работал с руководителем художественной команды, супервайзером эффектов компьютерной графики Евгением фон Танцельманом, который добавил аккреционный диск, а также создал галактику и туманность, искажающиеся как только свет от них проходит мимо черной дыры. Не менее трудной стала задача демонстрации того, как кто-то входит в четырехмерный тессеракт, совмещенный с трехмерным пространством комнаты маленькой девочки – и все это в том виде, чтобы зритель понял, что вообще происходит на экране.
В этой статье мы расскажем про некоторые ключевые кадры, созданные Double Negative, а также про предваряющие их научные исследования. Обратите внимание, что в дальнейшем материале возможны спойлеры.
Создание черной дыры
Возможно одной из самых значительных заслуг в достижении Нолановской задачи максимального реализма является изображение черной дыры Гаргантюа. Получив входные данные от Торна, создатели фильма приложили все усилия, чтобы показать поведение света в черной дыре и червоточине. Для «Double Negative» эта задача вызвала необходимость в написании полностью нового физического рендерера.Вид с камеры на круговой экваториальной орбите черной дыры, вращающейся с 0,999 ее максимально возможной скорости вращения. Камера находится на расстоянии r=6.03 GM/c^2, где M - масса черной дыры, G и c - постоянная Ньютона и скорость света, соответственно. Горизонт событий черной дыры находится на расстоянии r=1.045 GM/c^2.
«Кип объяснял мне релятивистские искривления пространства вокруг черной дыры», - рассказывает Пол Франклин, - «Гравитация, скручиваемая во времени, отклоняет от себя свет, создавая явление, называемое линзой Эйнштейна, гравитационной линзой вокруг черной дыры. А я в этот момент думал, как же мы можем создать такое изображение и есть ли какие-то примеры, с подобным графическим эффектом, на которые мы бы могли опереться.»
«Я отсмотрел самые базовые симуляции, созданные ученым сообществом», - добавляет Франклин, - «и подумал, ок, движение этой штуки настолько сложное, что придется нам с нуля делать свою собственную версию. Затем Кип стал очень тесно работать с Оливером Джеймсом, нашим главным научным сотрудником, и его департаментом. Они использовали расчеты Кипа, чтобы получить все световые пути и пути трассировки лучей вокруг черной дыры. Помимо этого Оливер работал над насущными вопросами, как все это воплотить в жизнь при помощи нашего нового рендерера DnGR (Double Negative General Relativity).»
Для нового рендерера потребовалось установить все важнейшие параметры для их цифровой черной дыры. «Мы могли установить частоту вращения, массу и диаметр», - объясняет Франклин. «В сущности, это единственные три параметра, которые Вы можете изменять в черной дыре – то есть, это все, что у нас есть для ее измерения. Мы потратили огромное количество времени, работая над тем, как рассчитать пути пучков света вокруг черной дыры. Вся работа шла достаточно интенсивно – целых шесть месяцев ребята писали программное обеспечение. У нас была ранняя версия черной дыры, как раз, ко времени завершения периода препродакшена фильма.»
Покоящаяся черная дыра разгоняется до скорости вращения в 0,999 от возможной; далее камера приближается к черной дыре от радиуса 10 GM/c^2 к радиусу r=2.60 GM/c^2, продолжая двигаться по круговой экваториальной орбите. Огромная тень от черной дыры искажается в прямоугольную форму из-за преобразования сверического изображения с камеры на плоский дисплей.
Эти ранние образы использовались в виде огромных картин для заднего фона снаружи корабля – таким образом, у актеров было, на что смотреть во время съемки. То есть не использовалось ни одного зеленого экрана, просто позже сотрудники Double Negative заменили используемые ранние образы конечными, подправив некоторые звездные скопления. «Большая часть кадров из-за плеча астронавтов, которые Вы видите в прокатной версии фильма», - отмечает Франклин, - «это реальная съемка. У нас было множество кадров, которые не вошли в общий список кадров с визуальными эффектами, хотя для их создания была проделана грандиозная работа.»
Эти «прямые» съемки на камеру стали возможны благодаря сотрудничеству Double Negative и доктора физических наук Хойте Ван Хойтема. Для подсветки полученных фоновых изображений использовались прожекторы, с совокупным световым потоком в 40 000 люмен за сцену.»
Та же самая симуляция только крупнее. Здесь отчетливо видна структура света звездного неба, пропущенного через гравитационную линзу. На краю черной дыры горизонт движется на нас со скоростью близкой скорости света.
«Нам необходимо было перемещать и перенастраивать прожекторы исходя из задач сцены», - продолжает Франклин, - «Вообще, на то, чтобы все правильно настроить, можно было бы потратить целую неделю, но в некоторых случаях все должно было быть готово за 15 минут. Ребята работали так усердно, ведь прожекторы – это огромные неповоротливые махины – каждый весил порядка 270 килограмм. У нас было две специально изготовленных клетки, закрепленных на большой электрической лебедке с возможностью перемещать ее вдоль и поперек павильона, соответственно, мы могли использовать ее для расстановки прожекторов. По рации я объяснял ребятам с прожекторами, как калибровать их, попутно переговариваясь с человеком, управляющим грузоподъемниками, носящимимся над плотно забитой людьми площадкой.»
Создание волн
В фильме Купер (Мэттью Макконахи), Амелия (Энн Хэтуэй), Дойл (Вес Бентли) и ИИ робот КЕЙС посещают полностью покрытую водой планету, волны на которой из-за очень близкого расположения к Гаргантюа достигают необычайных размеров. Зрители уже видели тридцатиметровые волны в других фильмах, но согласно истории, этого было мало – по сценарию волны должны были быть более километра в высоту. Чтобы дать зрителю почувствовать эту высоту, Double Negative должны были переосмыслить стандартный подход к созданию воды. «Когда Вы берете объекты такого масштаба», - объясняет Франклин, - «все характеристики, которые Вы ассоциируете с волнами, такие как буруны и завитки на вершине, просто пропадают, так как становятся незаметными относительно такой массы воды – то есть волна становится больше похожа на движущуюся гору из воды. Именно поэтому мы потратили много времени, работая над превизуализацией и раздумывая, как мы можем использовать такие масштабы волн и небольшой космический корабль Рэйнджер, смываемый ими. Важнейший момент сцены – когда волна настигает Рэйнджер и поднимает его высоко над поверхностью. И Вы видите, как корабль движется по волне вверх, становится все меньше и вдруг вообще теряется на ней. Это был ключевой момент для ощущения масштаба происходящего.»
Энн Хэтуэй в роли Амелии на водной планете
Художники Double Negative управляли волнами посредством анимации деформаторов, эффектно изменяя их в каждый ключевой кадр. «Это дало нам базовую форму волны,» - говорит Франклин, - «но чтобы воспринять эту картинку, как реальную, мы должны добавить пену на поверхности, интерактивные брызги, водные завихрени и всплески. Для этого мы использовали свою внутреннюю разработку, называемую Squirt Ocean. Ну и, конечно же, после было много дополнительной работы в Houdini.»
Кадры создавались в высоком разрешении IMAX. Это требование несколько ограничивало количество времени, отведенное для всех возможных итераций Double Negative. «Я смотрел часть с анимацией волны, говорил «отлично, давайте добавим все остальное», - смеется Франклин, - «а затем я должен был ждать около полутора месяцев, чтобы все это снова вернулось ко мне – такой длительный процесс был обусловлен именно разрешением IMAX. Как Вы понимаете, мы не могли тратить время впустую, ведь обычно весь процесс делился на множество итераций, а в тот раз у нас было максимум три.»
Робот КЕЙС, спасающий Амелию от приливной волны, и его двойник ТАРС, на самом деле, были 80-ти килограммовыми металлическими куклами, управляемыми исландским артистом Биллом Ирвином. Кристофер Нолан хотел, чтобы в фильме было как можно больше реальных элементов, и вместо того, чтобы, как многие, просто нарисовать его, Double Negative необходимо было заниматься удалением исполнителя, находящегося позади робота.
Когда КЕЙС реконфигурирует себя для прохода по воде, а затем катится к Амелии, хватает ее и уносит прочь, в кадре совмещаются два решения: практическое и цифровое. «В этом кадре», - рассказывает Франклин, - «находилась построенная маленькая водная буровая установка, закрепленная на квадроцикле. То есть мы могли кататься «сквозь» воду и получать прекрасные интерактивные брызги и всплески. Также на квадроцикле у нас был установлен специальный подъемник с руками робота, на котором мы могли перевозить двойника Энн Хэтуэй. То есть вся эта конструкция ездила и «резала» воду, а нам оставалось только убрать ее с изображения и заменить цифровой версией робота.»
Double Negative постаралась максимально ограничить количество моментов с цифровыми роботами, делающими необычные вещи. Таковыми моментами были бег через воду, посадка робота в корабль, бег по леднику и некоторые моменты с отсутствующей гравитацией. «Что мы давно заметили, так это то, что ты можешь заставить цифровые моменты работать только в том случае, если совместишь их с реальными», - говорит Франклин, - «Например, в кадрах, где робот забирается в корабль, в самом конце отрезка мы уже видим реальную версию робота, не цифровую. То есть сцена заканчивается кадрами с реальностью, а это помогает почувствовать сцену, как действительно настоящую.»
Внутри тессеракта
В фильме некто «они» оказываются «нами», только достаточно продвинутыми, чтобы помочь Куперу связаться с его дочерью, находящуюся на Земле годами ранее. Так как во вселенной квантовых и релятивистских законов путешествия во времени невозможны, история решает этот вопрос так, что Купер покидает наше трехмерное пространство и попадает в гиперпространство высшего порядка. Если наша вселенная отображается как 2D диск или мембрана, то гиперпространство будет коробкой, окружающей эту мембрану в трех измерениях. Путь к осмыслению этого в том, что каждое измерение требует для его отображения на 1 измерение меньше. Таким образом, трехмерное пространство рисуется как 2Д диск, а трехмерное окружение вокруг этого диска (физики называют ее брана) – на одно измерение выше мембраны.
Изображение, нарисованное Кипом Торном, объяснящее, что такое брана и мембрана
В фильме персонаж Майкла Кейна, Профессор Брэнд, пытается разгадать гравитационные аномалии. На досках в фильме отчетливо видна попытка решить задачу в 4-х и 5 измерениях. В фильме говорится, что если Брэнд сможет понять эти аномалии, их можно будет использовать, чтобы менять гравитацию на Земле и поднять огромную спасающую человечество конструкцию в космос.
Тогда как переход из трехмерного пространства в четырехмерное не решает проблемы путешествий во времени, в фильме это позволяет Куперу отправлять гравитационные волны обратно во времени. Он может видеть любое время, но может только вызывать рябь в этих отрезках времени – гравитационная рябь, которую и пытается понять дочь Купера, Мёрфи.
Работой команды Double Negative было визуально продемонстрировать четырехмерный тессеракт, который будущие «мы» предоставляют Куперу, чтобы тот смог вызывать гравитационные волны. Это было бы легко осуществимо, если делать это в символическом смысле или в виде сновидения, но команда Double Negative решила визуализировать четырехмерный тессеракт в более выразительном виде, создав концепт, который был бы, конечно, гипотезой, но ее можно было бы использовать даже для обучения. Именно в этот момент снова появился Торн.
Формулы Кипа Торна, объясняющие гравитацию в четырех и пяти измерениях. Обратите внимание, что здесь «наша» брана зажата как сэндвич между двумя альтернативными реальностями или другими бранами.
Чтобы понять решение Double Negative, стоит понять природу измерений высшего порядка. Если объект покоится, допустим, мяч – для двухмерного пространства - это круг; для одномерного – линия. Если смотреть на этот круг в трехмерном пространстве, то мы увидим мяч (сферу). А вот что станет с ним, если перейти к четырехмерному пространству? Одна из теорий, которая была основой к нашему ежедневному размышлению, была представить четвертое пространство, как время. Тогда выходит, что тот же самый мяч, но не покоящийся, а прыгающий, и в бесконечно малый промежуток времени виден как тот же мяч. Но на протяжении всего пути он создает фигуру в виде трубы с полусферическими краями. То есть в четырехмерном пространстве мяч – это труба, а сфера – трехмерная проекция этой четырехмерной фигуры.
Если куб в трехмерном пространстве будет с течением времени менять свою форму, например, расти, то он же в четырехмерном пространстве будет изображаться, как коробка, которая со временем перерастает в большую коробку, отображая все состояния трехмерной коробки в течение всего времени ее существования. Она может анимироваться и менять форму так, как показано в этом видео:
По логике фильма, если Вы попадете в этот тессеракт, Вы сможете увидеть трехмерное пространство в любой момент времени его существования, например, в виде линий, уходящих в прошлое и будущее. Более того, если учесть предположение, что существует бесконечное множество параллельных реальностей, Вы увидите все линии всех возможных параллельных реальностей, уходящих в бесконечное множество направлений. Именно это и есть концептуальное решение четырехмерного пространства, с которым работала студия. «Нити» времени, которые видит Купер, выглядят как струны, и касаясь их, он может вызывать гравитационные вибрации, таким образом, общаясь со своей дочерью. Это действительно блестящий кусочек художественной научной визуализации!
Но как это снимать?
Установка Нолана, что при создании видеороликов актеры должны взаимодействовать с окружением распространялась и на тессеракт. После попадания в черную дыру Купер оказывается четырехмерном пространстве, в котором он может видеть любые объекты и их «нить» времени. «Крис сказал, что несмотря на то, что это очень абстрактная концепция, он очень бы хотел построить что-то, что мы могли бы снимать в реальности», - рассказывает Франклин, - «Он хотел увидеть Мэттью, физически взаимодействующего с «нитями» времени, в реальном космосе, а не болтающегося напротив зеленого экрана.»Это подвигло Франклина обдумать, как воплотить визуализацию тессеракта. «Я провел уйму времени, ломая голову, как же реализовать все это в реальном пространстве», - рассказывает он, - Как показать все эти временные «нити» всех объектов в одной комнате, и чтобы это было понятно в физическом смысле. Ведь опасность была в том, что пространство получится настолько загроможденным «нитями», что придется придумывать, как выделить среди них нужные моменты. Плюс к этому было крайне важно, чтобы Купер не только видел «нити» времени, но и видел их обратную реакцию на взаимодействие, и при этом еще мог сам взаимодействовать с предметами в комнате дочери.»
Финальный вид «открытой решетчатой структуры» был вдохновлен именно концепцией тессеракта. «Тессеракт – трехмерная проекция четырехмерного гиперкуба. Он имеет красивую решетчеподобную структуру, так что мы примерно понимали, что будем делать. Долгое время я рассматривал развертки из выполненных на большой выдержке фотографий (slit-scan photography) и то, как эта техника позволяет отобразить одну и ту же точку в пространстве во все моменты времени. Фотография сама по себе превращает время в одно из измерений конечного изображения. Комбинация этой техники съемки и решетчатой структуры тессеракта позволила нам создать эти трехмерные «нити» времени, как бы вытекающие из объекта. Комнаты – это фотографии, моменты, встроенные в решетчатую структуру «нитей» времени, среди которых Купер может искать нужные, перемещая их назад и вперед.»
«Мы закончили строить одну секцию этой физической модели с четырьмя повторяющимися секциями вокруг», - рассказывает Франклин, - «Затем на компьютере мы размножили эти секции до бесконечности таким образом, что куда бы Вы не взглянули, они уходили в вечность. Также во время съемки мы использовали множество реальных проекций. Мы подкладывали активные «нити» времени под реальные секции, используя проекторы. Это дало нам ощущение дрожи и фебрильной энергии – вся информация перетекала вдоль этих «ните» из секции в секцию и обратно. Но, конечно же, каждое изображение финальной версии фильма помимо всего прочего содержит в себе безумное количество цифровых эффектов, встроенных в сцену.»
Но некоторые моменты вынуждали Double Negative перейти полностью на цифровые визуальные эффекты – таким моментом было, например, движение Купера через тоннели тессеракта. «У нас не было достаточного количества секций тессеракта, чтоб отснять это перемещение, поэтому мы снимали Мэттью среди проекционных экранов, на которых вокруг него отображался предчистовой вариант визуализации этой сцены – так что ему было, с чем взаимодействовать», - рассказывает Франклин, - «Актерам все это безумно нравилось, потому что в противовес изготовлению рекламных роликов или фильма на зеленом экране, у них было, на что смотреть. Позже мы заменили эту версию на высококачественную финальную, только лишь в некоторых моментах оставив предчистовую, так как она просто оказалась не в фокусе и была не видна.»
Франклин также отмечает, что немало цифровых эффектов, удаления троссов и огромное количество ротоскоупинга (roto, rotopaint) потребовалось, чтобы закончить эти сцены. В реализации эффектов, выполненных полностью при помощи компьютерной графики, тоже были определенные сложности. Например, в той части, где тессеракт закрывается и начинает разрушаться. «Мы взяли компьютерную геометрию тессеракта, и пропустили ее через вращение гиперкуба. Ребята работали над тем, как воплотить в жизнь трансформацию вращения гиперкуба и применить ее напрямую к геометрии тессеракта, который мы создали. Для меня это был особенный момент. Когда я увидел результаты, я понял, что это идеально, именно то, что я хотел.» Добавить метки
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.
Чудеса из фильма режиссера Кристофера Нолана , снятого по сценарию Джонатана Нолана и физика теоретика Кипа Торна, с точки зрения науки.
Да, Сатурн наш!
Сюжет "Интерстеллара" сложен, но логичен. Физик Кип Торн позаботился о том, чтобы сверхъестественная дурь, свойственная Голливуду, не коробила зрителей, хоть что-то понимающих в науке.
Если предельно все упростить, то вот какая суть останется: Земля все больше становится непригодной для жизни, надо куда-то переселяться. И такой шанс предоставляется. Ученые, оказывается, уже много лет проводят секретные эксперименты с так называемой "кротовой норой" или "червоточиной" - эдаким проходом в ткани пространства-времени, соединяющим места во Вселенной, отстоящие друг от друга на колоссальные расстояния. Проникая в такую "нору" с одной стороны, можно, соответственно переместиться в эту необозримую даль. А пробравшись с другой, вернуться обратно.
Астронавты, пробравшись сквозь "кротовую нору", попадают на другие планеты
Нора обнаружена у Сатурна. И ведет к трем планетам, которые расположены в черной дыре. Туда - к этим планетам - и направляется экспедиция, которую возглавляет фермер Купер, намучившийся от пыльных бурь. С ним летит дочь профессора, обнаружившего "нору", еще несколько ученых и пара роботов. Задача - найти планету, наиболее подходящую для заселения.
Естественно, она оказывается последней из трех. На пути к ней героев ждут многочисленные приключения, битвы, любовь, предательства, катастрофы. И почти счастливый конец. А зрителей - потрясающая компьютерная графика.
Премьера фильма в России состоялась 6 ноября. И вот успевшие посмотреть заспорили. Как попутчики в поезде из песни Макаревича. Одни говорят, что сюжет - просто фантастика, даже не научная. Другие уверяют, что фильм и в мелочах, и по большому счету не противоречит современным представлениям ученых. Так кто прав?
Эта нора - какая надо нора
Главный упрек: никаких "кротовых нор" нет. И быть не может. Особенно внутри Солнечной системы.
Действительно, никто и никогда еще не видел ни одной "кротовой норы". Но их существование не противоречит теории относительности Эйнштейна.
Обычно о "кротовых норах" рассказывают так: мол, представьте, что пространство это лист бумаги. Чтобы попасть из одной его точки в другую, нужно преодолеть, допустим, 20 сантиметров. Но если согнуть лист, совместить точки и проколоть бумагу, то сквозь образовавшуюся дыру можно почти мгновенно оказаться в другой точке. Так и во Вселенной.
Другой вопрос: какие энергетические усилия необходимо приложить, чтобы реально проделать такую нору подходящего размера и поддерживать ее в "проходимом" состоянии? Колоссальные усилия, неподъемные для человечества. Но Кип Торн верит, что задача отнюдь не фантастическая. С 1988 года он доказывает что "кротовые норы" можно открыть при помощи некой отрицательной энергии.
И многие физики его поддерживают. Уверяют, что можно будет, если уж не путешествовать с их помощью, то по крайне мере передавать сообщения из будущего в прошлое. В фильме это в порядке вещей. Огорчает одно: представлений о том, как практически получить эту самую отрицательную энергию ни у кого пока нет.
"Кротовые норы", как полагают некоторые физики, могут соединять даже разные Вселенные
Не исключено, что во Вселенной существуют уже работающие "кротовые норы", которые образовались сами по себе в результате неких энергетических и квантовых флуктуаций. Энтузиасты верят, что такие объекты можно найти даже в Солнечной системе. Кстати, их поиск - одна из целей российского космического телескопа "Радиоастрон".
А живут они в такой дыре…
Еще одна якобы несуразность фильма: планеты в черной дыре. Какие там могут быть планеты?
Сценаристы словно бы ознакомились с работой Вячеслава Докучаева - профессора, доктора физико-математических наук из Института ядерных исследований РАН. Это он не так давно предположил, что внутри черных дыр могут находиться планеты. А на них - разумная жизнь. Статья ученого на эту тему так и называлась "Is there life inside black holes?" (Есть ли жизнь внутри черных дыр?)
Профессор доказывает: внутри некоторых - особенно гигантских - черных дыр при сочетании определенных условий возникает зона, в которой возможно существование обычных пространства и времени. И массивных тел - планет. Они могут вращаться вокруг центральной области - так называемой сингулярности - по весьма сложным, но стабильным замкнутым орбитам. Словно бы вокруг Солнца.
Более того, планеты, находящиеся в дыре, способны получать свет и тепло из световых лучей и энергии центральной сингулярности - области, где пространство и время становятся бесконечными. В фильме как раз и обрисована примерно такая ситуация.
Как уверяют ученые, черная дыра из "Интерстеллара" - самая правильная.
Куда, куда вы провалились?!
По сюжету, главный герой, спасая героиню - дочку профессора - покидает космический корабль, лично проникает в черную дыру, которая в фильме названа Гаргантюа. И остается жив.
Мнение ученых: вот тут сценаристы прихвастнули. По мере приближения к сингулярности, любой живой объект будет разорван гравитационными силами. По крайней мере, таковы современные представления о черных дырах. Но сама дыра в фильме показана весьма правдоподобно. Опять же, если следовать признанным теориям. Очень убедительным выглядит аккреционный диск - светящаяся структура, возникающая в результате падения вещества в массивную черную дыру.
Дополнительные измерения тоже не фантастика. Фермер Купер, например, попадает в пространство с пятью измерениями. А некоторые физические теории предполагают наличие и большего их числа.
И даже критики фильма сходятся в том, что авторы правдоподобно показали так называемый "эффект близнецов". Это когда экипаж быстро летящего космического корабля проводит на борту, скажем, месяц, а для людей, оставшихся на Земле, проходят десятки лет.
В фильме "кротовая нора" расположена у Сатурна
Вывод экспертов: в фильме "Интерстеллар" больше научной правды, чем откровенной выдумки. А прочую - в основном мелодраматическую - чушь, которая, конечно же, имеется можно и потерпеть.
"Кротовая нора" однажды может возникнуть где угодно. Однажды, верят энтузиасты, "нора" появится у Земли. И позовет нас вдаль.
Подпишитесь на нас
Известно, что научным консультантом фильма стал физик-теоретик Кип Торн, профессор Калифорнийского технологического института и близкий приятель Стивена Хокинга. Профессор Торн даже написал книгу «Наука Интерстеллара», в которой описал некоторые моменты фильма, интересные ученым.
Но в «Интерстелларе» есть более простые сюжеты, при взгляде на которые хочется сказать: «Эй, а так бывает?» В этом обзоре собраны 14 фактов, которые вызывают интерес не только у физиков (спойлеры!).
Дрон на солнечных батареях, который работает в течение десятилетий
Подобное устройство может быть создано. Марсоход Opportunity, к примеру, передвигался по поверхности Марса более 10 лет, заряжаясь от солнечной энергии. Но вот возможность Купера взломать его кажется менее вероятной — разве все правительства мира используют одну и ту же программу наведения, доступ к которой обеспечивается через Wi-Fi.
Вердикт: правдоподобно.
Черная дыра, которая выглядит вот так
Сверхмассивные черные дыры относятся к достаточно распространенным небесным телам в нашей Вселенной. Одна из них находится в центре нашей галактики — Млечного пути, да и почти все галактики имеют своим центром черные дыры. Симуляцию черной дыры для фильма делала группа университетских ученых под руководство Кипа Торна.
Свет, огибающий дыру, показан не случайно. Черная дыра своей гравитацией заставляет лучи света изгибаться, так что непосредственно рядом с ней образуется «кольцо Эйншетйна». При приближении к дыре мы, скорее всего, действительно увидели бы свет вокруг нее, а также аккреционный диск материи, поглощаемой черной дырой.
Вердикт: правдоподобно.
Искусственная кротовая нора, выглядящая вот так
Кротовая нора или червоточина — это туннель, позволяющий проходить сквозь пространство и время в другие части вселенной. Общая теория относительности допускает их существование.
Но нужно понимать, что создать червоточину без изменений в наших базовых представлениях о физике невозможно. В частности, придется использовать материю с отрицательной массой, которую сложно даже представить себе. Кип Торн является одним из лучших в мире специалистов по червоточинам, так что его догадки могут быть сочтены самым достоверным источником по этой теме. В то же время, мы многого не знаем. Не разорвет ли измененная структура пространства-времени космический корабль?
Вердикт: правдоподобно (для теории).
На планете, вращающейся вокруг черной дыры, замедляется время
Гравитация вблизи массивных объектов искажает не только пространство, но и время. Если бы у нас были достаточно точные измерительные приборы, мы бы замечали, что время на поверхности Земли течет чуть-чуть медленнее, чем на высокой башне. Если бы планета вращалась вокруг черной дыры так близко и не разрушилась бы на части (мы вернемся к этому позднее), то, возможно, время шло бы на ней так медленно, как это показано в фильме.
Но зоны, за пределами которой замедление времени внезапно прекращало действовать, не могло бы существовать. Действие гравитации исчезало бы постепенно.
Вердикт: правдоподобно.
Путешествие к Сатурну занимает два года
Это возможно, хотя и не с сегодняшними технологиями. Космический корабль New Horizons достиг орбиты Сатурна за два года, но у него не было цели достичь поверхности планеты. Путешествие в два года было бы возможным, если бы Endurance был разработан специально для отправки в червоточину по точно выверенному курсу, в противном случае для этого потребовались бы слишком продвинутые технологии.
Вердикт: возможно, но не при сегодняшнем уровне технологии.
Планета вращается вокруг черной дыры
Это кажется маловероятным. Предположим, планета быстро вращается вокруг черной дыры, чья масса в сто раз превышает массу Солнца. Она будет очень быстро разорвана приливной силой — разностью гравитации на внешней и внутренней сторонах планеты.
Кроме того, такая планета была бы выжжена радиацией и страдала бы от столкновений с другими телами, притягиваемыми черной дырой. Образоваться вблизи черной дыры планета не могла, а если бы и была притянута ей, не вращалась бы по стабильной орбите. Нужно помнить и о том, что солнечного света на ней не было бы — аккреционный диск производит большое количество рентгеновского излучения, но не света.
И, наконец, если бы такая планета существовала, посадка и взлет космического корабля были бы практически невозможны. Посадка с орбиты планеты потребовала бы преодолеть притяжение черной дыры — корабль просто сорвало бы с нее и бросило за горизонт событий, в центр дыры. Чтобы взлететь, нужно было бы развить скорость, близкую к скорости света.
Вердикт: практически невозможно.
На этой планете огромные волны
Если масса планеты составляет 130% от земной и ее поверхность покрыта водой, волны от ветра будут не больше, чем волны в земных океанах. Цунами появляются только в результате тектонической активности и не могут быть регулярными. Сила притяжения черной дыры тоже не объясняет их: черная дыра растягивала бы в стороны саму планету.
В книге «Наука Интерстеллара» Кип Торн говорит, что волны возникают из-за передвижений самой планеты. Но мы не видим течений в фильме — так откуда же появляется дополнительное количество воды?
Вердикт: маловероятно, как и существование самой планеты.
Таинственное «уравнение гравитации»
Прежде всего, неясно о каких именно уравнениях идет речь. Уравнения общей теории относительности уже известны, так что это не могут быть они. Скорее всего имеется в виду объяснение гравитации через квантовую механику, которое пытаются дать теория струн и петлевая квантовая теория гравитации. Как минимум, для этого объяснения потребуется множество уравнений.
Что касается способа, которым его решает профессор Бранд: теоретическая физика делается иначе. Нельзя сидеть несколько лет и делать записи на листочке. Почему бы ему не пообщаться с коллегами, работающими в этом же направлении? Где его аспиранты? Почему у него нет стажеров и учеников? Одинокий ученый — распространенный, но неверный стереотип.
Вердикт: надуманно.
Нет планов по высадке на другие планеты
Космические путешествия не совершаются внезапно. В реальной жизни все случайности, которые могут встретиться на пути космической миссии, были бы предусмотрены еще до отправки к Сатурну. Да, при отправке была спешка, но у них было два года в космическом корабле и возможность консультироваться с земными учеными.
Вердикт: плохо продумано.
У Вселенной есть пятое измерение
Если бы у мира было дополнительное измерение, вполне возможно, что гравитация была бы обусловлена им. При его помощи можно было бы объяснить путешествия во времени. Но у нас нет никаких доказательств наличия других измерений.
Вердикт: слишком умозрительно.
Замерзшие облака планеты
Лед слишком тяжелый, чтобы стать материалом для облака. И Кип Торн это знает. В интервью журналу Science он сказал: «Каждый раз, когда я смотрю фильм, это единственное место, где я поеживаюсь».
Вердикт: мило, но невозможно.
Сбор «квантовых данных» из черной дыры
Все, что будет находиться достаточно близко к черной дыре, будет уничтожено и превратится в своеобразные спагетти («эффект спагеттификации»). Получить квантовые данные? Нет. Это черная дыра.
Вердикт: а вот и причина отправить главного героя в черную дыру.
Кто-то прыгает в черную дыру...
Плохой план. Очень плохой. Во-первых, спагеттификация. Во-вторых, никакой связи. Все, что находится за горизонтом событий, двигается в одном направлении — точке сингулярности.
Вердикт: действительно плохая идея.
… и попадает в место, которое находится не в черной дыре
Строго говоря, общая теория относительности допускает, что после попадания в черную дыру, вы можете оказаться где-то еще (но путешествие точно будет неприятным). И могут существовать могущественные инопланетяне, подчинившие себе силу гравитации.
Вердикт: прежде, чем прыгать, договоритесь с инопланетянами.