Наука о «Интерстелларе» (инфографика)
Предупреждение! В инфографике содержатся spoilers о новой космической пленке «Интерстеллар». Фильм «Интерстеллар» опирается на реальную науку: многие его впечатляющие визуалы созданы на основе точных расчётов. Физик Кип Торн, эксперт по чёрным дырам и воронкам, предоставил математические модели, которые специальные эффекты превратили в кинематографическую магию.
Космический корабль Endurance направляется к Гаргантуе — вымышленной сверхмассивной чёрной дыре массой в 100 миллионов солнечных масс. Она находится в 10 миллиардах световых лет от Земли и орбитирует несколько планет. Гаргантуа вращается со скоростью 99,8 процента скорости света.
Внешний вид чёрной дыры в фильме объясняется гравитационным линзированием: изображение её аккреционного диска искривляется и превращается в два — одно заворачивается над дырой, другое — под ней.
Один из пунктов уравнений Эйнштейна гласит: чем сильнее гравитация, тем медленнее течёт время. Поэтому на планете, орбитирующей близко к чёрной дыре, часы тикают значительно медленнее, чем на корабле, находящемся дальше.
Варп-драйвы и воронки
Наша трёхмерная Вселенная можно представить как плоскую оболочку — «брейн», плавающую в четырёхмерном пустоте, называемом «БULK». Масса искривляет эту оболочку, словно резиновую ленту. Если достаточно массы сосредоточиться в одной точке, образуется сингулярность. Объекты, приближающиеся к ней, проходят через горизонт событий — и больше не возвращаются.
Если бы две сингулярности вдалеке друг от друга слились бы, образовалась бы воронка — туннель через БULK, позволяющий пересечь огромные расстояния быстрее света. Натуральные воронки не образуются. Но существа, контролирующие гравитацию и способные перемещаться в БULK, могли бы создать их.
Вдоль воронки её «рот» выглядит как окружность в двумерных диаграммах, но на самом деле это сфера. На её поверхности видно искривлённый вид пространства с другой стороны. Волосок воронки в фильме имеет диаметр 1,25 мили (2 километра) и простирается на 10 миллиардов световых лет.
—
Эргосфера
В астрофизике эргосфера — это область, расположенная буквально вне событийного горизонта вращающейся чёрной дыры. Её граница предсказывается метрикой Керра. Название происходит от древнегреческого *эргон* — «работа», потому что теоретически из неё можно извлечь энергию и массу.
Эргосфера касается горизонта в полюсах и вытягивается к экватору. У чёрной дыры со средним угловым импульсом форма приблизительно сфероидальная, у быстрее вращающейся — более «тыквенная».
Радиус экваториальной границы эргосферы равен радиусу Шварцшильда (для неподвижной дыры), а полярный — полярному радиусу горизонта, который может составлять половину Шварцшильда при максимальном вращении.
Вращение
При вращении чёрная дыра искривляет пространство-время в направлении вращения, уменьшая скорость с расстоянием от горизонта. Этот эффект называется эффектом Ленсе–Тиринга или «тянущим» эффектом.
В эргосфере объект не может оставаться неподвижным для наблюдателя вне дыры — для этого ему нужно двигаться быстрее света, что невозможно. Чем дальше от горизонта, тем меньше требуется «скорости» для статичного положения. Граница, где эта скорость становится равной свету, и есть поверхность эргосферы.
Радиальное притяжение
Подвешенный стержень, находящийся вне эргосферы, будет испытывать бесконечно сильное притяжение, приближаясь к статическому пределу, и начнёт падать, получая гравитомагнитный «поворот» наружу.
Важно: в эргосфере возможны отрицательные энергии. Поскольку эта область находится вне горизонта, объекту с достаточной скоростью удаётся вырваться из гравитационного поля. Он может «подхватить» энергию вращения дыры и уйти, оставив её часть за собой. Этот процесс — так называемый процесс Пенроза, предложенный в 1969 году.
Максимальная энергия, которую можно извлечь от одной частицы, составляет 20,7 процента её массы. При повторении процесса с тем же материалом теоретический предел приближается к 29 процентам.
Удаляя энергию из вращающейся чёрной дыры, мы тем самым уменьшаем её угловой импульс. В пределе, при полном остановке, эргосфера исчезает. Этот механизм может объяснять энергетические вспышки гамма-лучей и частицы, испускаемые квазарами.
Размер эргосферы
Расстояние между поверхностьюю эргосферы и горизонтом событий не пропорционально радиусу горизонта, а зависит от гравитации и углового импульса дыры. В полюсах точки не вращаются, в экваторе — имеют наибольший импульс. Эта разница даёт эргосфере её форму.
—
Наука о «Интерстелларе»
Книга Кипа Торна, вышедшая в 2014 году, посвящена объяснению научных основ фильма Кристофера Нолана. Торн, являвшийся научным консультантом и исполнительным продюсером, последовательно раскрывает теории о Вселенной, относительности, чёрных дыр до воронок и четырёх измерений.
Книга состоит из семи частей: от введения в космологию до анализа финальной сцены с тессерактом. В ней Торн объясняет, как CGI-технологии воплотили в жизнь идеи о Гаргантуе, как работает гравитационная схема, почему планеты могут существовать вблизи чёрной дыры, и какие физические законы позволяют пересекать космос быстрее света.
—
Книга «The Science of Interstellar»
Американский теоретический физик Кип С. Торн в своей книге объясняет, как научные идеи легли в основу фильма Нолана. Он подробно рассматривает вопросы: как устроены воронки, как выглядит чёрная дыра, как работает тесеракт, и почему время замедляется рядом с массивными объектами.
Книга включает главы о гравитационных волнах, экстремальной физике, сингулярностях и их роли в эволюции Вселенной. Торн делится своим опытом работы в Голливуде и показывает, как наука соединяется с кинематографией.