Фильм “Межзвёздное путешествие” (2014) можно считать самым амбициозным научно-фантастическим блокбастером в истории кинематографа. В производстве участвовал теоретический физик Кип Торн, который позже получил Нобелевскую премию по физике 2017 года за открытие гравитационных волн, в качестве исполнительного продюсера и научного консультанта. Сотрудничество Торна со студией визуальных эффектов Double Negative привело к созданию не только впечатляющего фильма, но и настоящей научной публикации о рендеринге релятивистских аккреционных дисков.
Для рендеринга Горгантии Double Negative разработала специальный движок трассировки лучей, который решал геодезические уравнения общей теории относительности для каждого пикселя на экране. В отличие от стандартных трассировщиков лучей, которые предполагают прямолинейное распространение света, этот движок изгибал траектории света вокруг искривлённого пространства-времени чёрной дыры согласно уравнениям поля Эйнштейна. Торн предоставил математическую основу: вращающуюся (Керровскую) чёрную дыру с аккреционным диском горячего газа. Движок рассчитывал, как фотоны от диска будут искривляться, сдвигаться в синюю часть спектра и испытывать задержку времени при движении вокруг сингулярности.
Результат удивил даже Торна — характерная двулобая форма диска (яркая дуга над чёрной дырой и тонкая дуга ниже) возникла естественным образом из математики и не была точно изображена ни в одном предыдущем научном иллюстрации. Команда опубликовала свои результаты в журнале Classical and Quantum Gravity в 2015 году, сделав Горгантию, возможно, единственным голливудским спецэффектом, который произвёл рецензируемую науку.
Гравитационное линзирование: что вы на самом деле видите
Иконический вид Горгантии — тёмный круглый регион, окружённый светящимся кольцом — является прямым следствием гравитационного линзирования. Свет от аккреционного диска на дальней стороне чёрной дыры изгибается вокруг неё, появляясь в виде кольца над и под тенью. Свет, проходящий слишком близко, захватывается навсегда, определяя границу тени чёрной дыры. Фотонная сфера, в 1,5 раза превышающая радиус Шварцшильда, — это область, где фотоны обращаются вокруг чёрной дыры по кругу. Свет, касающийся этой сферы, может обращаться несколько раз, прежде чем вырваться, создавая множественные перекрывающиеся изображения диска — яркие дуги, которые вы видите, расположенные вокруг силуэта Горгантии.
Одним из голливудских изменений была яркость. Торн отметил, что реалистичная Горгантия произвела бы экстремальное доплеровское усиление на одной стороне — приближающийся материал диска был бы ослепительно ярким, а уходящая сторона была бы почти невидимой. Это было смягчено, чтобы зрители могли увидеть симметричное, эстетически привлекательное кольцо, ставшее визуальной визитной карточкой фильма.
Замедление времени на планете Миллера
Самая эмоционально разрушительная физика в фильме — замедление времени на планете Миллера, которая обращается так близко к Горгантии, что один час там равен семи годам на Земле. Это гравитационное замедление времени — предсказанное общей теорией относительности и подтверждённое экспериментами на Земле. Часы идут медленнее в более сильных гравитационных полях. Чтобы математика работала, Горгантия должна вращаться с близкой к теоретически максимальной скоростью — Торн рассчитал 99,8% от максимальной скорости вращения. Более медленная чёрная дыра не могла бы произвести достаточное замедление времени на стабильной орбитальной радиусе.
Этот деталь максимального вращения была намеренно включена в сюжет и представляет реальную физику: экстремальные Керровские чёрные дыры действительно позволяют орбиты с огромными коэффициентами замедления времени. Волны на планете Миллера — огромные приливные волны высотой несколько километров — также согласуются с физикой. Приливные силы от обращения так близко к сверхмассивной чёрной дыре были бы огромными, и гравитационный градиент через диаметр планеты произвёл бы периодические приливы, когда она обращается по некруговой траектории.
Где фильм берёт творческую вольность
Несмотря на свою строгость, “Межзвёздное путешествие” делает несколько уступок повествованию. Самое значительное — изображение сингулярности внутри Горгантии. Последовательность пятимерного тессеракта в фильме, хотя и визуально впечатляющая, является спекулятивной фантастикой — физики не имеют согласованной модели того, что лежит за пределами горизонта событий. Торн явно одобрил это как “образованную спекуляцию”, а не установленную физику.
Червоточина возле Сатурна представлена как проходимая сфера, согласно решениям уравнений Эйнштейна с экзотической материей, но такие структуры требуют отрицательной плотности энергии — чего никогда не наблюдалось в природе. Повествование фильма также сжимает огромные расстояния и время путешествий, связанные с реальным межзвёздным путешествием; даже на релятивистских скоростях, показанные в фильме путешествия потребовали бы больше топлива, чем любая мыслимая система тяги могла бы нести. Сам аккреционный диск также холоднее и тусклее, чем настоящий. Сверхмассивная чёрная дыра, активно питающаяся окружающим газом, производит рентгеновское излучение, достаточно интенсивное, чтобы стерилизовать солнечную систему. Торн выбрал изображение спящего диска, чтобы сохранить выживание экипажа правдоподобным.
Реальные изображения, которые последовали
В 2019 году коллаборация Event Horizon Telescope выпустила первое реальное изображение тени чёрной дыры — M87, сверхмассивную чёрную дыру массой 6,5 миллиардов раз больше массы нашего Солнца. Изображение показало светящееся кольцо вокруг тёмного центрального региона, поразительно похожее на Горгантию. В 2022 году та же команда получила изображение Sagittarius A, чёрной дыры в центре нашей галактики. Сравнение этих изображений с Горгантией впечатляет. Реальные изображения размытее — ограничены эффективным разрешением массива телескопов, охватывающего всю Землю — но фундаментальная структура соответствует физике, которую Торн и Double Negative рассчитали decade назад.
Фильм не только был вдохновлён наукой; он помог продемонстрировать, как будет выглядеть изображение чёрной дыры до того, как у нас появилась технология для этого.