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

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

II. Гаргантюа

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

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» –

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

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

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,

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

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

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

V. Исследуем окрестности Гаргантюа

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

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

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

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

Черные дыры не испускают света, так что единственный способ увидеть Гаргантюа - через ее влияние на свет от других объектов. В Интерстелларе другие объекты - это аккреционный диск (Глава 9) и галактика, в которой она находится, включая туманности и обильное звездное поле. Ради простоты давайте пока включим только звезды.

Гаргантюа бросает на звездное поле черную тень, а также преломляет лучи света от каждой звезды, искажая видимый камерой звездный рисунок. Это искажение - гравитационная линза, описанная в Главе 3 .

На рисунке 8.1 показана быстро вращающаяся черная дыра (назовем ее Гаргантюа) на фоне звездного поля, какой она предстала бы перед вами, находись вы в экваториальной плоскости Гаргантюа. Тень Гаргантюа - это абсолютно черная область. Сразу за границей тени находится очень тонкое кольцо звездного света, так называемое "огненное кольцо", которое я усилил вручную, чтобы сделать край тени более четким. Снаружи кольца мы видим густые брызги звезд в концентрическом узоре, созданном гравитационной линзой.

Рис. 8.1. Звездный рисунок, созданный гравитационной линзой вокруг быстро вращающейся черной дыры вроде Гаргантюа. На взгляд издалека, угловой диаметр тени в радианах составляет 9 радиусов Гаргантюа, деленные на расстояние от наблюдателя до Гаргантюа. [Смоделировано для этой книги командой по визуальным эффектам Double Negative.]

По мере движения камеры по орбите Гаргантюа кажется, что движутся звезды. Это движение в сочетании с линзой создает эффектно меняющиеся световые узоры. В одних областях звезды струятся с большой скоростью, в других - спокойно текут, в третьих - замирают на месте; см. видео на странице этой книги на Interstellar.withgoogle.com .

В этой главе я объясняю все эти нюансы, начиная с тени и ее огненного кольца. Потом я опишу, как на самом деле были получены изображения черной дыры в Интерстелларе .

Изображая Гаргантюа в этой главе, я считаю ее быстро вращающейся черной дырой, каковой ей и надлежит быть, чтобы обеспечить чрезвычайную потерю времени экипажа Эндуранс по отношению к Земле (Глава 6). Тем ни менее, в случае быстрого вращения массовую аудиторию могли бы смутить приплюснутость левого края тени Гаргантюа (рисунок 8.1) и некоторые специфические особенности звездного струения и аккреционного диска, так что Кристофер Нолан и Пол Франклин выбрали скорость вращения поменьше - 60 процентов от максимальной - для изображений Гаргантюа в фильме. См. последний раздел в Главе 9 .

Внимание: Объяснения в следующих трех разделах могут потребовать больших умственных усилий; их можно пропустить, не потеряв нити повествования остальной книги. Не стоит тревожиться!

Тень и Ее Огненное Кольцо

Предположим, вы находитесь в желтой точке. Белые лучи A и B , а также прочие лучи вроде них несут вам изображение огненного кольца, а черные лучи A и B несут изображение края тени. Например, белый луч A исходит от какой-то звезды вдали от Гаргантюа, он движется внутрь и попадает в ловушку по внутреннему краю огненной скорлупы в экваториальной плоскости Гаргантюа, где он вновь и вновь летает по кругу, гонимый пространственным вихрем, а затем ускользает и доходит до ваших глаз. Черный луч, также подписанный A , исходит с горизонта событий Гаргантюа, он движется наружу и попадает в ловушку на том же внутреннем крае огненной скорлупы, затем ускользает и достигает ваших глаз бок о бок с белым лучом A . Белый луч несет изображение кусочка тонкого кольца, а черный - изображение кусочка края тени. За сведение их бок к боку и направление вам в глаза отвечает огненная скорлупа.

Рис. 8.2. Гаргантюа (сфера в центре ), ее экваториальная плоскость (голубая ), огненная скорлупа (розовая и фиолетовая ) и черные и белые лучи, несущие изображение края тени и тонкого кольца вокруг нее.

Аналогично для белого и черного лучей B , только они попадают в ловушку на внешней границе огненной скорлупы и движутся по часовой стрелке (пробиваясь навстречу пространственному вихрю), в то время как лучи A попадают в ловушку на внутренней границе и движутся против часовой стрелки (и пространственный вихрь подхватывает их). На рисунке 8.1 левый край тени приплюснут, а правый скруглен из-за того, что лучи A (с левого края) приходят со внутренней границы огненной скорлупы, очень близкой к горизонту, а лучи B (с левого края) - с наружной, расположенной куда дальше от горизонта.

Черные лучи C и D на рисунке 8.2 берут начало с горизонта, движутся наружу и попадают в ловушку на неэкваториальных орбитах в огненной скорлупе, затем ускользают со своих орбит-ловушек и доходят до ваших глаз, неся изображения кусочков края тени, лежащих вне экваториальной плоскости. Орбита-ловушка луча D показана на вставке справа сверху. Белые лучи С и D (не показаны), идущие от далеких звезд, попадают в ловушку бок о бок с черными лучами C и D и движутся к вашим глазам бок о бок с C и D , неся изображения кусочков огненного кольца бок о бок с кусочками края тени.

Линза Невращающейся Черной Дыры

Чтобы понять преломленный гравитационной линзой рисунок звезд и их струение по мере движения камеры, давайте начнем с невращающейся черной дыры и с лучей света, исходящих от единственной звезды (рисунок 8.3). Два луча света идут от звезды к камере. Каждый из них движется по самой прямой траектории, по какой только может в искривленном пространстве дыры, однако из-за искривления каждый луч изгибается.

Один изогнутый луч движется к камере вокруг левого края тени, другой - вокруг ее правого края. Каждый луч несет камере собственное изображение звезды. Эти два изображения, как их видит камера, показаны на вставке на рисунке 8.3. Я обвел их красными кружками, чтобы отличить их от всех остальных звезд, видимых камерой. Заметьте, что правое изображение намного ближе к тени дыры, чем левое. Это потому, что его изогнутый луч прошел ближе к горизонту событий дыры.

Рис. 8.3. Сверху: Искривленное пространство невращающейся черной дыры на виде из балка и два луча света, движущиеся в искривленном пространстве от звезды к камере. Снизу: Преломленный гравитационной линзой звездный рисунок, видимый камерой. [Смоделировано Аленом Riazuelo; см. видео его модели на www2.iap.fr/users/riazuelo/interstellar .]

Всякая прочая звезда видна на картинке дважды, на противоположных сторонах тени дыры. Можете распознать какие-нибудь пары? Тень черной дыры на картинке состоит из направлений, из которых ни один луч не может прийти в камеру; посмотрите на треугольную зону, подписанную "тень" (англ. shadow), на верхней диаграмме. Все лучи, которые "хотят быть" в тени, ловит и глотает черная дыра.

По мере движения камеры вправо по орбите (рисунок 8.3) видимый камерой звездный узор меняется так, как показано на рисунке 8.4.

На этом рисунке выделены две отдельные звезды. Одна обведена красным (та же звезда обведена на рисунке 8.3). Другая - внутри желтого маркера. Мы видим два изображения каждой звезды: одно снаружи розовой окружности, другое внутри. Розовая окружность называется "кольцо Эйнштейна".

По мере движения камеры вправо изображения движутся вдоль красной и желтой кривых.

Изображения звезд снаружи кольца Эйнштейна (давайте назовем их первичными изображениями) движутся так, как и можно было бы ожидать: плавно слева направо, но отклоняясь от черной дыры по мере движения. (Можете объяснить, почему отклонение происходит от дыры, а не к ней?)

Рис. 8.4. Изменение звездного узора, видимого камерой по мере ее движения вправо по орбите на рисунке 8.3. [Смоделировано Аленом Riazuelo; см. www2.iap.fr/users/riazuelo/interstellar .]

Однако вторичные изображения, внутри кольца Эйнштейна, движутся неожиданным образом: кажется, что они появляются из правого края тени, движутся наружу в кольцо между тенью и кольцом Эйнштейна, проворачиваются вокруг тени, и снова спускаются к краю тени. Это можно понять, вернувшись к верхней картинке на рисунке 8.3. Правый луч проходит рядом с черной дырой, так что правое изображение звезды находится рядом с ее тенью. В более ранний момент времени, когда камера находилась левее, правому лучу приходилось проходить еще ближе к черной дыре, чтобы изогнуться сильнее и добраться до камеры, так что правое изображение было совсем близко к краю тени. В противоположность этому, в более ранний момент времени левый луч проходил довольно далеко от дыры, так что был почти прямым и создавал изображение довольно далеко от тени.

Теперь, если вы готовы, вдумайтесь в последующее движение изображений, запечатленное на рисунке 8.4.

Линза Быстро Вращающейся Черной Дыры: Гаргантюа

Пространственный вихрь, создаваемый быстрым вращением Гаргантюа, меняет гравитационную линзу. Звездные узоры на рисунке 8.1 (Гаргантюа) выглядят несколько по-другому, чем на рисунке 8.4 (невращающаяся черная дыра), а струящиеся рисунки различаются еще больше.

В случае Гаргантюа струение (рисунок 8.5) выявляет два кольца Эйнштейна, показанных розовыми кривыми. Снаружи от внешнего кольца звезды струятся вправо (например, вдоль двух красных кривых), как и в случае невращающейся черной дыры на рисунке 8.4. Однако пространственный вихрь сосредоточил струящийся поток в узкие высокоскоростные полосы вдоль заднего края тени дыры, резковато изгибающиеся у экватора. Вихрь также создал турбуленции в струении (замкнутые красные кривые).

Вторичное изображение каждой звезды видно между двумя кольцами Эйнштейна. Каждое вторичное изображение обращается по замкнутой кривой (например, по двум желтым кривым), и обращается оно в направлении, противоположном красному струящемуся движению снаружи от внешнего кольца.

Рис. 8.5. Рисунок звездного струения, каким его видит камера рядом с быстро вращающейся черной дырой вроде Гаргантюа. В этой модели команды по визуальным эффектам Double Negative дыра вращается со скоростью 99,9 процентов от максимально возможной, а камера находится на круговой экваториальной орбите с окружностью вшестеро больше окружности горизонта. См. видео этой модели на странице этой книги на Interstellar.withgoogle.com .

Есть две совсем особые звезды в небе Гаргантюа с выключенной гравитационной линзой. Одна лежит точно над северным полюсом Гаргантюа, другая - точно под ее южным полюсом. Это аналоги Полярной звезды, которая располагается точно над северным полюсом Земли. Я разместил пятиконечные звезды на первичных (красные) и вторичных (желтые) изображениях полюсных звезд Гаргантюа. Кажется, что все звезды в небе Земли обращаются вокруг Полярной звезды по мере того, как нас влечет по кругу вращение Земли. Сходным образом у Гаргантюа все первичные звездные изображения обращаются вокруг красных изображений полюсных звезд по мере движения камеры по орбите дыры, но траектории их обращения (например, две красные кривые-турбуленции) сильно искажены пространственным вихрем и гравитационной линзой. Аналогично, все вторичные звездные изображения обращаются вокруг желтых изображений полюсных звезд (например, вдоль двух искаженных желтых кривых).

Почему в случае невращающейся черной дыры (рисунок 8.4) было видно, что вторичные изображения появляются из тени черной дыры, проворачиваются вокруг дыры и спускаются обратно в тень, а не обращаются по замкнутой кривой, как в случае Гаргантюа (рисунок 8.5)? Вообще-то, они таки обращаются по замкнутой кривой в случае невращающейся черной дыры. Однако, внутренний край этой замкнутой кривой так близко к краю тени, что его невозможно увидеть. Вращение Гаргантюа создает пространственный вихрь, и этот вихрь отодвигает внутреннее кольцо Эйнштейна наружу, вскрывая рисунок полного обращения вторичных изображений (желтые кривые на рисунке 8.5) и внутреннее кольцо Эйнштейна.

Внутри внутреннего кольца Эйнштейна рисунок струения более запутан. Звезды в этой области - это третичные и еще более высокоразрядные изображения всех звезд во Вселенной - тех же, что видны в виде первичных изображений снаружи от внешнего кольца Эйнштейна и в виде вторичных изображений между кольцами Эйнштейна.

На рисунке 8.6 я показываю пять маленьких картинок экваториальной плоскости Гаргантюа, на которых сама Гаргантюа обозначена черным, орбита камеры - розовым пунктиром, а луч света - красным. Луч света несет камере изображение звезды, которое находится на кончике голубой стрелки. Камера движется вокруг Гаргантюа против часовой стрелки.

Можно здорово вникнуть в гравитационную линзу, если самостоятельно пройтись по этим картинкам одной за другой. Отметьте: настоящее направление на звезду - вверх и вправо (посмотрите на внешние концы красных лучей). Камера и начало каждого луча указывают на изображение звезды. Десятое изображение совсем рядом с левым краем тени, а правое вторичное изображение - рядом с правым краем; сравнивая направления камеры для этих изображений, мы видим, что тень занимает дугу около 150 градусов в направлении вверх. Это несмотря на то, что настоящее направление от камеры к центру Гаргантюа - влево и вверх. Линза сместила тень относительно настоящего положения Гаргантюа.

Рис. 8.6. Лучи света, которые несут изображения звезд на кончиках голубых стрелок. (Англ. primary - первичный, secondary - вторичный, tertiary - третичный.) [Из той же модели Double Negative, что и на рисунках 8.1 и 8.5.]

Создание Визуальных Эффектов Черной Дыры и Кротовой Норы в Интерстелларе

Крис хотел, чтобы Гаргантюа выглядела так, как на самом деле выглядит быстро вращающаяся черная дыра с близкого расстояния, так что он попросил Пола проконсультироваться со мной. Пол вывел меня на связь с командой Интерстеллара , которую он собрал в студии по визуальным эффектам Double Negative в Лондоне.

Я вошел в раж, тесно работая с Оливером Джеймсом, главным ученым. Мы с Оливером разговаривали по телефону и по Скайпу, обменивались электронными сообщениями и файлами и встречались лично в Лос-Анджелесе и в его офисе в Лондоне. У Оливера ученая степень по оптике и атомной физике, и он понимает законы теории относительности Эйнштейна, так что мы говорили на одном и том же техническом языке.

Некоторые из моих коллег-физиков уже делали компьютерные модели того, что увидит наблюдатель, находясь на орбите черной дыры или даже падая в нее. Лучшими экспертами были Ален Riazuelo из Institut d’Astrophysique в Париже и Эндрю Гамильтон в Колорадском Университете в Боулдере. Эндрю создал видео о черных дырах, которое показывают в планетариях по всему миру, а Ален смоделировал черные дыры, которые вращаются очень-очень быстро, как Гаргантюа.

Так что первоначально я собирался свести Оливера с Аленом и Эндрю и попросить их предоставить ему необходимые входные данные. Несколько дней мне было неуютно от этого решения, а потом я передумал.

В течение своей полувековой карьеры физика я прикладывал огромные усилия, совершая новые открытия сам и воспитывая студентов, совершавших новые открытия. Почему бы, для разнообразия, не сделать что-нибудь просто потому, что это весело, спросил я себя, даже если другие уже делали это до меня? Так что я набросился на это “что-нибудь”. И это было весело. И к моему удивлению, побочным продуктом это привело (скромно) к новым открытиям.

Используя законы теории относительности и сильно опираясь на работу предшественников (особенно Брэндона Картера из Laboratoire Univers et Théories во Франции и Жанны Левин из Колумбийского Университета), я вывел необходимые Оливеру уравнения. Эти уравнения рассчитывают траектории световых лучей, начинающихся от некоторого источника света, к примеру, от далекой звезды, и движущихся сквозь искривленное пространство Гаргантюа к камере. Из этих лучей света мои уравнения затем рассчитывают видимые камерой изображения, учитывая не только источники света и искажение пространства и времени Гаргантюа, но и движение камеры вокруг Гаргантюа.

Получив эти уравнения, я сам опробовал их с помощью дружелюбного программного обеспечения под названием Mathematica. Я сравнивал изображения, создаваемые моим компьютерным кодом Mathematica, с изображениями Алена Riazuelo, и когда они согласовались, я возликовал. Затем я написал подробные описания своих уравнений и отправил их Оливеру в Лондон, вместе с моим кодом Mathematica.

Мой код был очень медленным и имел низкое разрешение. Задачей Оливера было перевести мои уравнения в компьютерный код, который мог бы создать необходимые для фильма изображения IMAX сверхвысокого качества.

Мы с Оливером делали это пошагово. Мы начали с невращающейся черной дыры и неподвижной камеры. Затем мы добавили вращение черной дыры. Затем добавили движение камеры: сперва движение по круговой орбите, а затем падение в черную дыру. А затем мы переключились на камеру, вращающуюся вокруг кротовой норы.

В этом месте Оливер поразил меня как громом среди ясного неба: чтобы смоделировать самые утонченные эффекты, ему понадобятся не только уравнения, описывающие траектории световых лучей, но еще и уравнения, описывающие, как поперечное сечение пучка света меняет размер и форму, проходя через кротовую нору.

Я более или менее знал, как это сделать, но уравнения были ужасно запутанны, и я боялся наделать ошибок. Так что я поискал техническую литературу, и обранужил, что в 1977 году Serge Pineault и Rob Rouber из Университета Торонто получили необходимые уравнения в почти нужной мне форме. После трехнедельной борьбы с собственной глупостью я привел их уравнения точно в нужную форму, выразил их в Mathematica и расписал Оливеру, который включил их в собственный компьютерный код. В конце концов, его код смог создать качественные изображения, необходимые для фильма.

В Double Negative компьютерный код Оливера был только началом. Он вручил его художественной команде под руководством Евгении фон Танзельманн, которая добавила аккреционный диск (Глава 9) и создала фоновую галактику со звездами и туманностями, которые будут искажаться линзой Гаргантюа. Затем ее команда добавила Эндуранс , Рэйнжеры и посадочные модули и анимацию камеры (изменяющиеся движение, направление, поле зрения и т. д.) и слепила изображения в очень убедительные формы: в невероятные сцены, которые и появляются в фильме. Продолжение см. в Главе 9 .

Между тем, я ломал голову над высококачественными видео, присланными мне Оливером и Евгенией, напряженно пытаясь понять, почему изображения выглядят так, как выглядят, а звездные поля струятся так, как струятся. Для меня эти видео подобны экспериментальным данным: они вскрывают такие вещи, которые я бы никогда не выяснил сам, без этих моделей - например, то, что я описал в предыдущем разделе (рисунки 8.5 и 8.6). Мы собираемся опубликовать техническую статью-другую с описанием того нового, что мы узнали.

Внешний Вид Гравитационных Пращей

Хотя Крис решил не показывать ни одной гравитационной пращи в Интерстелларе , я задался вопросом, как бы они выглядели для Купера, когда он вел Рэйнжер к планете Миллера. Так что я воспользовался своими уравнениями и Mathematica для моделирования изображений. (У моих изображений разрешение намного ниже, чем у изображений Оливера и Евгении из-за медленности моего кода.)

На рисунке 8.7 показан ряд изображений, видимых с Рэйнжера Купера, когда он прокачивается вокруг черной дыры средней массы (ЧДСМ), чтобы начать спуск к планете Миллера - в моем научном толковании Интерстеллара . Это праща, описанная на рисунке 7.2.

Рис 8.7. Гравитационная праща вокруг ЧДСМ на фоне Гаргантюа [Моя собственная модель и визуализация.]

На верхнем изображении Гаргантюа находится сзади, а ЧДСМ проходит перед ней. ЧДСМ захватывает лучи света от далеких звезд, направленные к Гаргантюа, прокручивает их вокруг себя и выбрасывает к камере. Это объясняет бублик из звездного света, окружающий тень ЧДСМ. Хотя ЧДСМ в тысячу раз меньше Гаргантюа, она намного ближе к Рэйнжеру, чем Гаргантюа, так что выглядит лишь умеренно меньше.

По мере того, как для движущейся по праще камеры ЧДСМ уходит вправо, она оставляет за собой первичную тень Гаргантюа (средняя картинка на рисунке 8.7), и выталкивает перед собой вторичное изображение тени Гаргантюа. Эти два изображения совершенно аналогичны первичному и вторичному изображению звезды, преломленной гравитационной линзой черной дыры; но теперь линза ЧДСМ преломляет тень Гаргантюа. На нижней картинке размер вторичной тени сокращается по мере того, как ЧДСМ движется дальше. К этому моменту гравитационная праща почти завершена, и камера на борту Рэйнжера устремляется вниз, к планете Миллера.

Какими бы впечатляющими ни были эти изображения, их можно увидеть только вплотную к ЧДСМ и Гаргантюа, а не с огромного расстояния до Земли. Для земных астрономов наиболее впечатляющие оптические эффекты гигантских черных дыр - это торчащие из них джеты и свет сверкающего диска газа на их орбите. К ним мы сейчас обратимся.

Красота черных дыр завораживает. И все же что такое черная дыра с точки зрения традиционной физики? Рассказывает Кип Торн, физик-теоретик и автор книги «"Интерстеллар". Наука за кадром» . Спорим, вы об этом не знали?

Впервые реалистично черные дыры показали в голливудском фильме «Интерстеллар». Их внешний вид был рассчитан с помощью уравнений — этим занимался Кип Торн, будучи научным консультантом картины. Раньше режиссеры и создатели спецэффектов полагались больше на фантазию, чем на науку. Но и сегодня вопрос о том, как устроены черные дыры и каковы их свойства, остается открытым.

Даже Стивен Хокинг, гений и один из основных исследователей этого удивительного явления, недавно опроверг собственную теорию, предложенную 30 лет назад. Еще не так давно считалось, что черная дыра уничтожает все, что затягивает внутрь себя. Хокинг же предположил, что черная дыра — дверь в альтернативную Вселенную. Так ли это? Ученым еще предстоит проверить. А пока мы узнаем у Кипа Торна, как же традиционная физика рассматривает это удивительное явление. Будет интересно!

1. Светится ли черная дыра?

Часть светящегося диска черной дыры Гаргантюа вблизи и пролетающий над ним космолет «Эндюранс». Светится не черная дыра, а диск вокруг нее, состоящий из раскаленного газа, который дыра «забирает» у звезд при помощи сил гравитации, когда разрывает их на части. Иллюстрация из книги «"Интерстеллар". Наука за кадром»

Нет, в черной дыре нечему светиться, так как она состоит только лишь из искаженного времени и пространства — и больше ничего. В фильмах можно увидеть, что вокруг черных дыр есть сияющие диски, мерцания и лучи. На самом деле это звезды и туманности, свет которых дыра тоже искривляет — отсюда и причудливые световые узоры.

2. Правда ли, что черная дыра искривляет время?

Космический модуль «Рейнджер», идущий на снижение к планете Миллер. Иллюстрация из книги «"Интерстеллар". Наука за кадром»

Да, это так. Если человек провалится в черную дыру, он почти перестанет стареть: чем ниже он будет лететь, тем сильнее будет замедляться время. Как на планете Миллер в фильме «Интерстеллар», которая находилась возле черной дыры Гаргантюа: час по времени Миллера равен семи земным годам. Таким образом, можно улететь в космос молодым и прилететь всего на пару лет старше, а на Земле пройдут сотни лет.

3. Можно ли передать сообщение на Землю, угодив в черную дыру?

Сигналы, которые будут посланы после пересечения горизонта событий, не могут выйти наружу, так как в черной дыре все стремится вниз, к сингулярности. Иллюстрация из книги «"Интерстеллар". Наука за кадром»

В соответствии с современными представлениями — нет. Как только вы пересечете горизонт событий (поверхность черной дыры), например, с радиопередатчиком в руках, то сигналы перестанут выходить наружу. А все потому, что и вас, и ваши сигналы будет непреодолимо затягивать вниз.

4. Как происходит искривление пространства?

Представьте муравья (человечество), живущего на детском батуте (Вселенная), в середине которого лежит очень тяжелый камень. Точно так же, как и поверхность батута, искривляется пространство нашей Вселенной. Иллюстрация из книги «"Интерстеллар". Наука за кадром»

Черная дыра искривляет не только время, но и пространство: получается что-то вроде батута (пространство Вселенной), которое прогнулось под лежащим на нем тяжелым камнем (черная дыра с ее низшей точкой — сингулярностью). Ученые смогли выяснить это благодаря теории относительности Эйнштейна, которая однозначно предсказывает многие космические явления

5. Куда пропадает звезда, из которой образовалась черная дыра?

Так черная дыра разрывает приблизившуюся к ней звезду. Когда звезда (здесь — красный гигант) приближается к дыре, гравитация дыры начинает растягивать и сжимать звезду. Спустя 12 часов звезда уже сильно деформирована. А через 24 часа она распадается на части, так как ее собственная гравитация не может противостоять гравитации черной дыры. Иллюстрация из книги «"Интерстеллар". Наука за кадром»

Известно, что черная дыра — результат коллапса (другими словами, сжатия к центру) массивной звезды. Это своего рода смерть звезды: ядерное топливо, благодаря которому поддерживается высокая температура, заканчивается, и звезда «схлопывается». А еще молодая черная дыра бесконечно искривляет время и пространство вокруг себя и постепенно поглощает звезду-родителя.

6. Похожа ли черная дыра на вихрь?

Быстровращающаяся черная дыра, которая движется на фоне звезд, искривляя пространство вокруг себя. Иллюстрация из книги «"Интерстеллар". Наука за кадром»

Сама черная дыра — это ничто, в ней нет материи, атомов, каких-то элементарных частиц. И время, и пространство — составные части черной дыры — искривляются настолько, что в конце концов исчезают. И именно это искривление пространства как раз и выглядит подобно вихрю или смерчу на Земле. Это справедливо для вращающихся черных дыр (кстати, они бывают еще и неподвижными). Вспомните, как выглядит воронка тайфуна — воздух в ней завихряется с разной скоростью. Точно так же в черной дыре ближе к центру пространство вращается очень быстро, а удаляясь от центра к краям — медленнее. Любой объект, захваченный черной дырой, будет кружиться, как подхваченный смерчем автомобиль на нашей планете.

Чёрная дыра возникает в результате коллапса сверхмассивной звезды, в ядре которой заканчивается «топливо» для ядерной реакции. По мере сжатия температура ядра повышается, а фотоны с энергией более 511 кэВ, сталкиваясь, образуют электрон-позитронные пары, что приводит к катастрофическому снижению давления и дальнейшему коллапсу звезды под воздействием собственной гравитации.

Астрофизик Этан Сигел (Ethan Siegel) опубликовал статью «Крупнейшая чёрная дыра в известной Вселенной» , в которой собрал информацию о массе чёрных дыр в разных галактиках. Просто интересно: где же находится самая массивная из них?

Поскольку наиболее плотные скопления звёзд - в центре галактик, то сейчас практически у каждой галактики в центре находится массивная чёрная дыра, образованная после слияния множества других. Например, в центре Млечного пути есть чёрная дыра массой примерно 0,1% нашей галактики, то есть в 4 млн раз больше массы Солнца.

Определить наличие чёрной дыры очень легко, изучив траекторию движения звёзд, на которые воздействует гравитация невидимого тела.

Но Млечный путь - относительно маленькая галактика, которая никак не может иметь у себя самую большую чёрную дыру. Например, недалеко от нас в скоплении Девы находится гигантская галактика Messier 87 - она примерно в 200 раз больше нашей.

Так вот, из центра этой галактики вырывается поток материи длиной около 5000 световых лет (на фото). Это сумасшедшая аномалия, пишет Этан Сигел, но выглядит очень красиво.

Учёные считают, что объяснением такого «извержения» из центра галактики может быть только чёрная дыра. Расчёт показывает, что масса этой чёрной дыры где-то в 1500 раз больше, чем масса чёрной дыры в Млечном пути, то есть примерно 6,6 млрд масс Солнца.

Но где же во Вселенной самая большая чёрная дыра? Если исходить из расчёта, что в центре почти каждой галактики имеется такой объект с массой 0,1% от массы галактики, то нужно найти самую массивную галактику. Учёные могут дать ответ и на этот вопрос.

Самая массивная из известных нам - галактика IC 1101 в центре скопления Abell 2029, который находится от Млечного пути в 20 раз дальше, чем скопление Девы.

В IC 1101 расстояние от центра до самого дальнего края - около 2 млн световых лет. Её размер вдвое больше, чем расстояние от Млечного пути до ближайшей к нам галактики Андромеды. Масса почти равняется массе всего скопления Девы!

Если в центре IC 1101 есть чёрная дыра (а она должна там быть), то она может быть самой массивной в известной нам Вселенной.

Этан Сигел говорит, что может и ошибиться. Причина - в уникальной галактике NGC 1277. Это не слишком большая галактика, чуть меньше нашей. Но анализ её вращения показал невероятный результат: чёрная дыра в центре составляет 17 млрд солнечных масс, а это аж 17% общей массы галактики. Это рекорд по соотношению массы чёрной дыры к массе галактики.

Есть и ещё один кандидат на роль самой большой чёрной дыры в известной Вселенной. Он изображён на следующей фотографии.

Странный объект OJ 287 называется блазар . Блазары - особый класс внегалактических объектов, разновидность квазаров. Они отличаются очень мощным излучением, которое в OJ 287 меняется с циклом 11-12 лет (с двойным пиком).

По мнению астрофизиков, OJ 287 включает в себя сверхмассивную центральную чёрную дыру, по орбите которой вращается ещё одна чёрная дыра меньшего размера. Центральная чёрная дыра в 18 млрд масс Солнца - самая большая из известных на сегодняшний день.

Эта парочка чёрных дыр станет одним из самых лучших экспериментов для проверки общей теории относительности, а именно - деформации пространства-времени, описанной в ОТО.

Из-за релятивистских эффектов перигелий чёрной дыры, то есть ближайшая к центровой чёрной дыре точка орбиты, должен смещаться на 39° за один оборот! Для сравнения, перигелий Меркурия сместился всего на 43 арксекунды за столетие.

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.