Наука об "Интерстелларе" – документальная книга американского теоретического физика и лауреата Нобелевской премии Кипа Торна, с предисловием Кристофера Нолана. Книга впервые была опубликована 7 ноября 2014 года издательством W. W. Norton & Company. Это вторая полноценная книга Торна для неспециалистов после "Черные дыры и искривление времени", вышедшей в 1994 году. "Наука об Интерстелларе" является дополнением к фильму Нолана "Интерстеллар" 2014 года с Мэтью Макконахи, Энн Хэтэуэй и Джессикой Честейн в главных ролях.
Кип Торн был научным консультантом и исполнительным продюсером фильма. В этой книге он объясняет научные концепции, лежащие в основе космологических идей фильма. Книга состоит из семи частей с предисловием Кристофера Нолана и дополнительной главой, посвященной созданию "Интерстеллара". Торн начинает с изложения вводной информации о Вселенной, пространстве-времени, физических законах, относительности, приливных силах и черных дырах. Следующий раздел посвящен сверхмассивной черной дыре Гаргантюа, объясняя ее внешний вид и то, как она была создана с помощью компьютерной графики, а также гравитационные пращи и научно неточное утверждение одного из персонажей фильма. Затем Торн переходит к Земле, обсуждая губительную болезнь растений, развитие технологий межзвездных путешествий и еще одно научно неточное утверждение в фильме. Следующий раздел посвящен червоточине, объясняя основы работы червоточин, как червоточина "Интерстеллара" была визуализирована с помощью компьютерной графики, и метод, с помощью которого червоточина могла быть обнаружена во Вселенной "Интерстеллара" путем обнаружения гравитационных волн. Торн затем исследует формирование планет, обращающихся вокруг сверхмассивной черной дыры, и то, как планеты, изображенные в фильме, могли бы образоваться в реальной жизни. Следующий раздел обсуждает некоторые более продвинутые и экстремальные физические явления, изображенные в фильме, включая большие дополнительные размерности, искривление гравитационной постоянной и различные типы сингулярностей внутри черной дыры, включая BKL, массовую инфляцию и ударные сингулярности. Последняя часть посвящена кульминации фильма, включая погружение Купера в черную дыру Гаргантюа, сцену с тессерактом и четырехмерным пространством, а также эвакуацию колоний людей с Земли.
Более 100 лет ученые знали, что Вселенная исполняет симфонию гравитационных волн, крошечные рипплы в пространстве-времени, впервые предсказанные как часть теории общей относительности Альберта Эйнштейна 1915 года. Однако только в этом году начали проявляться истинные нюансы этих гравитационных волн, когда человечество наконец "услышало" более подходящие ноты низкочастотных космических инструментов под грохот самых жестоких событий, которые можно представить. Гравитационные волны оставались чисто гипотетическими почти 20 лет после смерти Эйнштейна. Первые намеки на существование гравитационных волн появились в 1974 году из наблюдений за бинарным пульсаром – двумя нейтронными звездами, вращающимися друг вокруг друга и излучающими радиацию. Астрономы Рассел Халс и Джозеф Тейлор использовали радиообсерваторию Аресибо в Пуэрто-Рико, чтобы обнаружить, что эта система меняется так же, как бинарный пульсар, излучающий гравитационные волны. Это открытие принесло дуэту Нобелевскую премию по физике 1993 года, но потребовалось еще 22 года, прежде чем появилось первое прямое доказательство гравитационных волн. Первые гравитационные волны, обнаруженные LIGO, были зарегистрированы 14 сентября 2015 года. Источником были сталкивающиеся черные дыры, находящиеся в 1,3 миллиарда световых лет от Земли. С тех пор LIGO, расположенный в США, Вирго, детектор гравитационных волн в Италии, и японский детектор гравитационных волн KAGRA обнаружили сигналы гравитационных волн от других сливающихся черных дыр, сталкивающихся нейтронных звезд и даже "смешанных слияний", при которых нейтронная звезда и черная дыра сталкиваются друг с другом.
В 1915 году теория общей относительности Эйнштейна полностью изменила представление физиков о пространстве и времени. За десять лет до этого Эйнштейн использовал объединенную четырехмерную сущность пространства и времени в качестве основы своей теории общей относительности, но общая относительность значительно расширила эту концепцию. Также называемая геометрической теорией гравитации, общая относительность утверждала, что пространство-время не является просто сценой, на которой разворачиваются события Вселенной, как предполагал Ньютон, а является, в самом деле, динамическим участником космических событий. Это связано с тем, что объект с массой, помещенный в пространство-время, создает "искривление" в этой космической ткани. Этот эффект можно представить как веса с увеличивающейся массой, помещенные на растянутый резиновый лист. Чем больше масса, тем больше вмятина на листе, создаваемая весом, и чем больше масса космического объекта, тем более экстремальное искривление пространства-времени оно создает. Гравитация возникает из этого искривления и усиливается с увеличением степени искривления. Как однажды сказал физик Джон Уилер: "Пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как искривляться". Более того, общая относительность также предсказала, что когда объекты с массой ускоряются, они должны создавать рипплы, распространяющиеся через пространство-время со скоростью света, называемые гравитационными волнами. Эффект испускания гравитационной волны будет незначительным для объектов с очень малой массой, таких как велосипедист, ускоряющийся на Земле, но не для массивных тел, таких как нейтронные звезды и черные дыры или для коллапса звезд в сверхновых взрывах. Процесс непрерывного испускания гравитационных волн от бинарных объектов на самом деле был важным в эволюции Вселенной. Чтобы понять, почему это так, представьте себе две нейтронные звезды – остатки звезд, образующиеся при коллапсе массивных звезд в конце их жизни – вращающиеся вокруг друг друга в бинарной системе. Круговое движение представляет собой постоянное изменение направления, и поскольку направление является компонентом скорости, это означает постоянное изменение скорости – ускорение. Когда остатки звезд ускоряются вокруг друг друга, они постоянно испускают гравитационные волны, которые, как мы знаем, должны нести энергию. Энергия, унесенная от бинарных нейтронных звезд, поставляется системой углового момента. В результате потери углового момента нейтронные звезды приближаются друг к другу, но чем ближе они находятся, тем быстрее они испускают непрерывные гравитационные волны, тем самым ускоряя утечку углового момента. В конечном итоге нейтронные звезды сталкиваются и сливаются, вызывая всплеск высокочастотных гравитационных волн. Это те сигналы гравитационных волн, которые начали собирать LIGO, Вирго и KAGRA в 2015 году, но даже с такой чувствительностью эти детекторы не могут услышать каждую рябь, звучащую в пространстве-времени.
Гравитационные волны по сути являются излучением гравитации, и мы не чужды идее о том, что излучение имеет разные длины волн и частоты. Самый известный нам вид излучения – это электромагнитное излучение, в котором разные частоты создают радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-лучи и видимый свет, последний из которых наши глаза эволюционировали, чтобы видеть. Как и электромагнитное излучение, гравитационные волны приходят в диапазоне частот, длин волн и энергий. Длина волны – это мера между одним пиком и следующим в волне, а частота – это время, необходимое для прохождения одного пика через заданную точку до прохождения следующего пика через ту же точку. Это означает, что длина волны и частота обратно пропорциональны – длинноволновые волны имеют низкие частоты и низкую энергию, а коротковолновые волны имеют высокие частоты и высокую энергию. Диапазон длин волн и частот гравитационных волн действительно впечатляет. На одном конце спектра коротковолновые гравитационные волны имеют длины волн в несколько миль и частоты в миллисекунды. На другом конце длинноволновые гравитационные волны имеют длины волн, эквивалентные примерно ширине сверхскопления Вирго – коллекции галактик, включающей Млечный Путь – с частотой, эквивалентной возрасту Вселенной, около 13,8 миллиардов лет. Как и в случае с электромагнитным излучением, эти характеристики гравитационных волн могут рассказать ученым многое о их источниках. Самые высокочастотные коротковолновые гравитационные волны создаются в виде всплеска при взрыве массивных звезд в сверхновых, возникающих из ускоряющегося коллапса их звездного ядра, который может оставить после себя черную дыру или остаток нейтронной звезды. Сlightly длинноволновые и низкочастотные ряби в пространстве-времени создаются непрерывно крошечными бугорками на поверхности молодых нейтронных звезд, называемых пульсарами, которые вращаются со скоростью до 700 раз в секунду. Бинарные системы, состоящие из нейтронных звезд и черных дыр, которые спирально сходятся и сливаются, испускают непрерывные гравитационные волны и всплески гравитационных волн с длинами волн в несколько тысяч миль, примерно равными ширине Земли, до нескольких миллиардов миль, эквивалентных расстоянию между Солнцем и Плутоном. Сверхмассивные черные дыры, существующие в центре галактик, иногда сопровождаются другими сверхмассивными черными дырами в бинарных системах на совершенно новом уровне, которые также спирально сходятся и сливаются. В процессе они создают высокочастотные гравитационные волны, которые теряют энергию и становятся низкочастотными и длинноволновыми гравитационными волнами за миллиарды лет, пока они не достигнут Земли и не окутят планету. К тому времени, когда мы можем "услышать" эти ряби в пространстве-времени, они имеют длины волн, эквивалентные нескольким десяткам миллионов миль, подобные расстоянию между Землей и Солнцем (93 миллиона миль) до нескольких триллионов миль, эквивалентных расстоянию между Солнцем и ближайшей звездой, Альфа Центавра (25 триллионов миль). Источником гравитационных волн с самыми длинными длинами волн и самой низкой частотой является Большой взрыв, период быстрого расширения, произошедший в самом начале времен. Эти волны известны как первичные гравитационные волны или "Стохастический фон" и возникают из квантовых флуктуаций в горячей, плотной "супе", наполнявшей младенческую Вселенную, которые усиливаются ее первоначальным взрывом расширения.
Если вы знакомы с астрономией и электромагнитным излучением, вы знаете, что для обнаружения разных длин волн света требуются разные инструменты. Например, когда телескоп Джеймса Уэбба наблюдает космос в низкочастотном длинноволновом инфракрасном свете, космическая обсерватория рентгеновских лучей Чандра NASA изучает небесные объекты с помощью энергичных высокочастотных коротковолновых лучей. Аналогично, обнаружение разных гравитационных волн требует использования разных инструментов. Текущие работающие детекторы гравитационных волн LIGO, Вирго и KAGRA являются лазерными интерферометрами с двумя чувствительными лазерными руками, протянувшимися на мили. Лазерные руки LIGO, например, протянулись на четыре километра по земле и даже под ней, через ландшафт в двух местах в юго-восточном штате Вашингтон и сельской местности Ливингстон, Луизиана. Лазеры обычно "в фазе", то есть когда они сходятся, они усиливают друг друга через квантовое явление, называемое "конструктивной интерференцией". Однако, если гравитационные волны проходят через руки, растяжение и сжатие пространства-времени, которое они вызывают, приводит к тому, что лазеры выходят из фазы, то есть когда они встречаются, усиление снимается. Когда этот метод используется на Земле, он может обнаруживать гравитационные волны с частотами от миллисекунд до секунд и длинами волн в районе тысяч миль от сталкивающихся нейтронных звезд, звезд и черных дыр. Чувствительность этих интерферометров на Земле ограничена помехами или "шумом" от земных источников вибрации, и чтобы преодолеть это, астрономы в настоящее время планируют запустить детектор гравитационных волн в космос. Лазерный интерферометр космической антенны (LISA), разрабатываемый NASA и Европейским космическим агентством (ESA), будет состоять из трех космических аппаратов с лазерными руками, протянувшимися примерно на 1,6 миллиона миль (2,5 миллиона километров), образуя равносторонний треугольник. Свободный от земных помех, LISA сможет обнаруживать низкочастотные гравитационные волны, также от компактных бинарных систем, но от тех, которые находятся ближе друг к другу, чем пары нейтронных звезд и черных дыр, слышимые LIGO. LISA не сможет обнаруживать низкочастотные гравитационные волны от сталкивающихся сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной, которые были обнаружены в этом году NANOGrav. Инструментом в этом случае были пульсары, которые, благодаря своему быстрому вращению, могут использоваться как точный механизм времени. Через три радиообсерватории, обсерваторию Аресибо в Пуэрто-Рико, телескоп Грин-Бэнк в Западной Вирджинии и очень большую антенну в Нью-Мексико, NANOGrav превращает 68 пульсаров в Млечном Пути в огромную антенну гравитационных волн размером с всю галактику, называемую массивом пульсарного времени. Сжатие и растяжение пространства-времени, когда гравитационные волны проходят через эти источники, вызывают крошечные нарушения в периодичности этих пульсаров, которые можно обнаружить, когда рассматривается большая выборка пульсаров. Даже массивы пульсарного времени не способны обнаруживать самые низкочастотные, длинноволновые гравитационные волны, такие как стохастический фон из ранних моментов Вселенной. Однако возможно, что эти первичные гравитационные волны могли бы быть обнаружены путем изучения космического микроволнового фона, излучения, представляющего собой первый свет, пронзивший Вселенную и, таким образом, действующего как окаменелость ранних моментов космической истории. Чтобы понять, насколько необычно человечество "слышит" эту симфонию, подумайте: растяжение и сжатие пространства-времени, которое они представляют, крошечны, примерно одна часть из квадриллиона (1 000 000 000 000 000). Сам Эйнштейн, хотя и можно считать "отцом" гравитационных волн, никогда не верил, что человечество будет иметь инструменты, необходимые для обнаружения даже самых энергичных ряби пространства-времени. К счастью, великий физик был неправ, и, объединяя обнаружение гравитационных волн, человечество может как "видеть" Вселенную в электромагнитном излучении, так и "слышать" ее через эти ряби в пространстве-времени. Это привело к возникновению совершенно новой фазы в астрономии, называемой многоканальной астрономией, гибридному методу исследования, который, хотя и находится в младенчестве, обещает раскрыть секреты Вселенной как никогда раньше.