Чёрная дыра из фильма «Интерстеллар» — самый научно точный визуальный эффект в истории кино
В современном научно-фантастическом кино визуальные эффекты зачастую ставят драматический эффект выше физических законов. Космос в кино сопровождается громкими рёвами в вакууме, мгновенными перелётами через межзвёздные расстояния и выдуманными небесными телами — всё это нужно не столько для достоверности, сколько для того, чтобы поразить зрителя. Однако научно-фантастический фильм Кристофера Нолана «Интерстеллар», вышедший в 2014 году, пошёл против этой тенденции, основав самые зрелищные кадры на реальной, математически подтверждённой физике.
В центре сюжета фильма находится Гаргантюа — чёрная дыра, визуальное изображение которой было создано с помощью специально разработанных компьютерных алгоритмов, решающих настоящие уравнения общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Пригласив теоретического физика и будущего лауреата Нобелевской премии Кипа Торна в качестве научного консультанта и исполнительного продюсера фильма, Нолан выстроил уникальное сотрудничество между научным сообществом и компанией по созданию визуальных эффектов Double Negative (DNEG). В отличие от современных космических эпиков, таких как фильм Гарета Эдвардса «Создатель», где впечатляющие сцены получаются за счёт комбинирования натурных съёмок с цифровым миром, «Интерстеллар» продвинул жанр вперёд, превратив теоретическую астрофизику в кинематограф.
От общей теории относительности — к компьютерному коду
Создание Гаргантюа потребовало решения вычислительной задачи, с которой обычные голливудские средства рендеринга были совершенно не способны справиться. Стандартное программное обеспечение для цифровой анимации использует классический трассировщик лучей — метод, при котором световые лучи прокладываются прямыми линиями от одного пикселя к другому внутри сцены. Однако вблизи сверхмассивной чёрной дыры экстремальные гравитационные силы вызывают сильное искривление пространства-времени, и свет движется по сильно деформированным линиям, называемым геодезическими. Использование привычных методов трассировки лучей для рендеринга кадров IMAX-фильма, содержащего 23 миллиона пикселей на кадр, привело бы к визуальным артефактам, мерцанию и искажению пространства. Чтобы преодолеть это ограничение, Торн совместно с главным учёным DNEG Оливером Джеймсом, супервайзером визуальных эффектов Полом Франклином и CG-супервайзером Эжени фон Тунцельманн разработал специальный программный пакет — Double Negative Gravitational Renderer (DNGR). Торн вывел базовые теоретические уравнения, описывающие распространение света в метрике Керра — точной математической формулировке, описывающей быстро вращающуюся чёрную дыру, вращающуюся на 99,9 процента от теоретического предела. Вместо расчёта отдельных лучей пикселей DNGR использовал передовую технику, при которой целые пучки света прослеживались в обратном направлении — от кадра камеры — в искривлённое пространство-время. Когда эти эллиптические световые пучки проходили через искажённое гравитационное поле, рендерер отслеживал, как свет, исходящий от светящегося газа аккреционного диска и далёких фоновых звёзд, закручивался вокруг горизонта событий. Так появился ставший культовым кинематографический образ: ослепительное кольцо огня, которое безшовно охватывает сверху, снизу и по бокам центральную тёмную тень.
Поразительные цифры и экспоненциальные объёмы рендеринга
Вычислительные затраты на решение этих математических уравнений отражали колоссальные физические масштабы самого Гаргантюа. В рамках вымышленной вселенной фильма масса Гаргантюа эквивалентна 100 миллионам солнечных масс. При расчёте траекторий света на гравитационных полях, охватывающих миллионы километров, выражение астрономических величин в удобных единицах даёт критически важную основу для работы с расчётами, охватывающими десятки порядков величин. Кроме того, поскольку эффекты гравитационного линзирования и искривления света возрастают экспоненциально при приближении к фотонной сфере, небольшие различия в расстоянии камеры вызывают радикальные изменения в искажениях. Для специалистов по визуальным эффектам и астрофизиков было принципиально важно понять, как величины масштабируются на экстремальных степенях, чтобы отобразить, как кривизна пространства-времени искажает фоновый звёздный свет в сложные закручивающиеся узоры. Для создания безупречных IMAX-изображений без потери научной точности DNGR обработал более 800 терабайт данных за время производства. Отдельные кадры Гаргантюа требовали до 100 часов машинного времени, поскольку рендерер вычислял сложные пути миллионов световых пучков, пронизывающих искривлённое пространство-время.
От визуальных эффектов — к рецензируемому научному открытию
Абсолютная математическая точность DNGR привела к открытиям, которые вышли далеко за рамки кинематографического развлечения. Когда Торн и инженерная команда DNEG впервые выполнили рендеринг Гаргантюа, окружённого фоновыми звёздами и его светящимся аккреционным диском, компьютерные симуляции обнаружили неожиданное оптическое поведение. Быстрое вращение чёрной дыры увлекает окружающее пространство в насильственное завихрение — физическое явление, известное как эффект увлечения системы отсчёта (frame-dragging). Это космическое завихрение растягивает особые математические поверхности, называемые каустиками, оборачивая их вокруг чёрной дыры несколько раз и порождая более десятка различных изображений отдельных фоновых звёзд вдоль одного края центральной тени. Эти результаты оказались настолько значимыми с научной точки зрения, что команда опубликовала свои находки в переломной статье в журнале Classical and Quantum Gravity. Научная статья, написанная совместно Оливером Джеймсом, Эжени фон Тунцельманн, Полом Франклином и Кипом Торном, показала, что DNGR может быть использован как мощный новый метод теоретической астрофизики для моделирования гравитационного линзирования вокруг быстро вращающихся чёрных дыр. Практичность этой модели была окончательно подтверждена в 2019 году, когда команда телескопа горизонта событий (Event Horizon Telescope) получила первое в истории изображение чёрной дыры в центре галактики M87. Радиотелескопическое изображение показало тёмную центральную тень, окружённую ярким, искажённым фотонным кольцом — подтвердив точные структурные особенности, предсказанные Торном и DNEG пять лет спустя.
Переосмысление будущего науки в кинематографе
«Интерстеллар» навсегда изменил представление о том, как научно-фантастическое кино может взаимодействовать с подлинными физическими исследованиями. Вместо того чтобы рассматривать физические законы как творческие ограничения, Кристофер Нолан и Кип Торн доказали, что строгая научная точность способна раскрыть визуальные концепции, значительно более поразительные, чем чистое художественное воображение. Превратив общую теорию относительности Эйнштейна в цифровое изображение, фильм установил эталон визуальных эффектов, который остаётся непревзойдённым. Гаргантюа — это не просто культовое кинематографическое достижение, но и исторический мост, где кинопроизводство помогло расширить границы человеческого знания.
Как «Интерстеллар» создал самый реалистичный чёрную дыру в кино
Текст: Ина Ким
Если спецэффекты раньше могли лишь визуализировать невозможные и фантастические сцены, то «Интерстеллар» Кристофера Нолана предлагает научно точную чёрную дыру, какую мы ещё не видели на большом экране. Научно-фантастический фильм «Интерстеллар» получил признание за достоверность научных элементов на протяжении всего фильма, во многом благодаря сотрудничеству с известным физиком Кипом Торном. Эти потрясающие визуальные образы на экране были нужны не только для того, чтобы привлечь зрителя, но и чтобы донести до него мысль о том, что эти массовые планеты могут находиться в нашей галактике прямо сейчас. Так что делает чёрную дыру из «Интерстеллара» такой особенной?
Чёрная дыра Гаргантюа рендерилась более 100 часов из-за расчётов искривления света на основе уравнений Кипа Торна. Создание чёрной дыры потребовало понимания того, как свет искривляется вокруг чёрной дыры с помощью реальной физики, а не только визуальных эффектов. Новые уравнения Торна, разработанные специально для Гаргантюа, успешно показали, как выглядела бы настоящая чёрная дыра. Чёрные дыры по своей сути невидимы, поскольку их гравитационное притяжение настолько сильно, что ни один луч света не может покинуть их пределы. Однако гравитационное притяжение способно искривлять свет и пространство вокруг чёрной дыры. В «Интерстелларе» мы видим Гаргантюа, вращающуюся невероятно быстро и засасывающую вещество в светящийся диск вокруг себя. Проще говоря, гравитация заставляет свет огибать Гаргантюу сверху и снизу, создавая яркое сияние вместо плоского кольца. На самом деле, снимок 2019 года, полученный телескопом горизонта событий, — это одно из ближайших воплощений Гаргантюа. И снимок 2019 года, и Гаргантюа имеют светящийся диск. Однако, как отметила Сара Иссаун, член организации Event Horizon Telescope, Гаргантюа «в конечном счёте показала более художественную — яркую и более симметричную — версию чёрной дыры».
Несмотря на то что Гаргантюа — одна из самых реалистичных чёрных дыр, когда-либо показанных на экране, в ней были намеренно допущены некоторые ошибки ради более впечатляющего визуального эффекта. Аккреционный диск вокруг чёрной дыры должен выглядеть ярче и синее, тогда как противоположная сторона — тусклее и краснее из-за эффекта Доплера и гравитационных искажений. В «Интерстелларе» эти эффекты были ослаблены, чтобы чёрная дыра не выглядела слишком запутанно для зрителя. Аккреционный диск также излучал бы смертельно опасные рентгеновские и гамма-лучи, но в фильме эти лучи были показаны как видимый свет, чтобы астронавты могли выжить. «Интерстеллар» изобразил Гаргантюу в балансе между научной точностью и кинематографическим повествованием, опираясь на реальные физические формулы Кипа Торна. Благодаря его уравнениям «Интерстеллар» подарил зрителям одну из самых реалистичных визуализаций чёрной дыры, когда-либо показанных в кино. Хотя некоторые элементы — различия в цвете, излучении и симметрии — были намеренно скорректированы ради эстетики, они всё равно демонстрируют, насколько красиво сделан Гаргантюа. «Интерстеллар» неоднократно доказывал, что способен дарить захватывающий и фантастический кинематографический опыт. От эмоциональных сюжетных линий до запоминающихся саундтреков — это почти так, будто мы действительно путешествуем на космическом корабле вблизи Гаргантюа.