Черна дупка Гаргантюа. Мистериите на космоса - черната дупка на Гаргантюа

Черните дупки не излъчват светлина, така че... единствения начинвиж Гаргантюа - чрез влиянието си върху светлината от други обекти. IN Междузвездендруги обекти са акреционният диск () и галактиката, в която се намира, включително мъглявини и изобилно звездно поле. За по-голяма простота нека засега включим само звездите.

Гаргантюа хвърля черна сянка върху звездното поле и също така пречупва лъчите на светлината от всяка звезда, изкривявайки звездния модел, видим на камерата. Това изкривяване е гравитационната леща, описана в.

Фигура 8.1 показва бързо въртяща се черна дупка (да я наречем Гаргантюа) срещу звездно поле, както би ви изглеждало, ако сте в екваториалната равнина на Гаргантюа. Сянката на Гаргантюа е напълно черна област. Точно зад ръба на сянката има много тънък пръстен от звездна светлина, наречен "огнен пръстен", който ръчно подобрих, за да направя ръба на сянката по-остър. Извън пръстена виждаме плътен спрей от звезди в концентричен модел, създаден от гравитационната леща.

Ориз. 8.1.Звезден модел, създаден от гравитационна леща около бързо въртяща се черна дупка като Гаргантюа. Когато се гледа от разстояние, ъгловият диаметър на сянката в радиани е 9 радиуса на Гаргантюа, разделени на разстоянието на наблюдателя от Гаргантюа. [Моделирано за тази книга от екипа за визуални ефекти в Double Negative.]

Докато камерата се движи около Гаргантюа, изглежда, че звездите се движат. Това движение, комбинирано с лещата, създава грандиозно променящи се светлинни модели. В някои области звездите струят с висока скорост, в други текат спокойно, в трети замръзват на място; вижте видеоклипа на страницата на тази книга на Interstellar.withgoogle.com.

В тази глава обяснявам всички тези нюанси, започвайки със сянката и нейния огнен пръстен. След това ще опиша как всъщност са получени изображенията на черната дупка Междузвезден.

Изобразявайки Гаргантюа в тази глава, смятам, че това е бързо въртяща се черна дупка, каквато трябва да бъде, за да осигури изключителна загуба на време на екипажа Издръжливостпо отношение на Земята (). Въпреки това, в случай на бързо въртене, масовата публика може да бъде объркана от плоскостта на левия край на сянката на Гаргантюа (Фигура 8.1) и някои специфични характеристики на звездния поток и акреционния диск, така че Кристофър Нолан и Пол Франклин избраха по-нисък скорост на въртене - 60 процента от максималната - за изображенията на Гаргантюа във филма. Вижте последния раздел в .

Предупреждение: Обясненията в следващите три раздела може да изискват много умствени усилия; те могат да бъдат пропуснати, без да се загуби нишката на останалата част от книгата. Няма нужда да се тревожиш!

Сянката и нейният огнен пръстен

Да приемем, че сте на жълтата точка. Бели лъчи АИ б, както и други лъчи като тях, ви носят образа на огнен пръстен и черни лъчи АИ бносят изображение на ръба на сянката. Например бял лъч Аизлъчвайки се от някаква звезда, далеч от Гаргантюа, той се придвижва навътре и остава в капан по вътрешния ръб на огнената обвивка в екваториалната равнина на Гаргантюа, където лети отново и отново в кръг, задвижван от пространствен вихър, след което се измъква и достига твоите очи. Black Ray, също подписан А, идва от хоризонта на събитията на Гаргантюа, той се движи навън и остава в капан на същия вътрешен ръб на огнената обвивка, след което избяга и достига очите ви рамо до рамо с белия лъч А. Белият лъч носи изображението на парче от тънък пръстен, а черният носи изображението на парче от ръба на сянката. Огнената черупка е отговорна за привеждането им отстрани и насочването им към очите ви.

Ориз. 8.2.Гаргантюа ( сфера в центъра), неговата екваториална равнина ( син), огнена черупка ( розово и лилаво) и черни и бели лъчи, носещи изображението на ръба на сянката и тънкия пръстен около него.

По същия начин за белите и черните лъчи б, само те се улавят на външната граница на огнената обвивка и се движат по часовниковата стрелка (проправяйки си път към пространствения вихър), докато лъчите Апопадат в капан на вътрешната граница и се движат обратно на часовниковата стрелка (и пространственият вихър ги поема). На фигура 8.1 левият ръб на сянката е сплескан, а десният ръб е заоблен поради факта, че лъчите А(от левия край) идват от вътрешната граница на огнената черупка, много близо до хоризонта, и лъчите б(от левия ръб) - от външния, разположен много по-далеч от хоризонта.

Черни лъчи ° СИ дна Фигура 8.2 те започват от хоризонта, придвижват се навън и попадат в капан в неекваториални орбити в огнена черупка, след което излизат от орбитите си в капан и достигат до очите ви, носейки изображения на парчета от ръба на сянката, лежащи извън екваториалната самолет. Орбита на уловителя на лъча дпоказано във вмъкването горе вдясно. Бели лъчи СЪСИ д(не са показани), идващи от далечни звезди, са уловени един до друг с черни лъчи ° СИ ди се придвижете към очите си рамо до рамо с ° СИ д, носещ изображения на парчетата огнени пръстени рамо до рамо с частите на сенчестия ръб.

Невъртяща се леща за черна дупка

За да разберем модела на звездите, пречупени от гравитационна леща и как те протичат, докато камерата се движи, нека започнем с невъртяща се черна дупка и светлинните лъчи, идващи от една звезда (Фигура 8.3). Два лъча светлина преминават от звездата към камерата. Всеки от тях се движи по възможно най-правия път в извитото пространство на дупката, но поради кривината всяка греда се огъва.

Единият извит лъч се движи към камерата около левия край на сянката, а другият около десния й край. Всеки лъч носи собствен образ на звездата към камерата. Тези две изображения, както се виждат от камерата, са показани във вмъкването на Фигура 8.3. Оградих ги в червено, за да ги разгранича от всички останали звезди, които се виждат на камерата. Забележете, че дясното изображение е много по-близо до сянката на дупката, отколкото лявото. Това е така, защото неговият извит лъч премина по-близо до хоризонта на събитията на дупката.

Ориз. 8.3. горе:Извито пространство на невъртяща се черна дупка, както се вижда от обема и два лъча светлина, движещи се в извито пространство от звездата към камерата. отдолу:Звезден модел, пречупен от гравитационна леща, както се вижда от камерата. [Моделирано от Ален Риазуело; вижте видео на неговия модел на www2.iap.fr/users/riazuelo/interstellar.]

Всяка друга звезда се вижда два пъти на снимката, от противоположните страни на сянката на дупката. Можете ли да разпознаете някакви двойки? Сянката на черната дупка в снимката се състои от посоки, от които нито един лъч не може да достигне камерата; Погледнете триъгълната област, обозначена като "сянка" в горната диаграма. Всички лъчи, които „искат“ да бъдат в сянката, са уловени и погълнати от черна дупка.

Докато камерата се движи надясно в своята орбита (Фигура 8.3), звездният модел, наблюдаван от камерата, се променя, както е показано на Фигура 8.4.

На тази снимка са подчертани две отделни звезди. Единият е ограден в червено (същата звезда е оградена на фигура 8.3). Другият е вътре в жълтия маркер. Виждаме две изображения на всяка звезда: едно извън розовия кръг, едно вътре. Розовият кръг се нарича "пръстен на Айнщайн".

Докато камерата се движи надясно, изображенията се движат по червените и жълтите криви.

Изображенията на звездите извън пръстена на Айнщайн (да ги наречем първични изображения) се движат, както бихте очаквали: плавно отляво надясно, но се отклоняват от черната дупка, докато се движат. (Можете ли да обясните защо се получава отклонението отдупки, а не към него?)

Ориз. 8.4.Променящият се звезден модел, наблюдаван от камерата, докато се движи надясно по своята орбита на Фигура 8.3. [Моделирано от Ален Риазуело; вижте www2.iap.fr/users/riazuelo/interstellar.]

Въпреки това вторичните изображения в пръстена на Айнщайн се движат по неочакван начин: изглежда, че излизат от десния край на сянката, преместват се навън в пръстена между сянката и пръстена на Айнщайн, въртят се около сянката и обратно надолу до ръба на сянката. Това може да се разбере, като се върнете към горната снимка на Фигура 8.3. Десният лъч минава близо до черната дупка, така че дясното изображение на звездата е до нейната сянка. В по-ранен момент, когато камерата беше отляво, десният лъч трябваше да премине още по-близо до черната дупка, за да се огъне повече и да достигне камерата, така че дясното изображение беше много близо до ръба на сянка. За разлика от това, в по-ранен момент левият лъч премина доста далеч от дупката, така че беше почти прав и създаде изображение доста далеч от сянката.

Сега, ако сте готови, помислете за последващото движение на изображенията, заснети на Фигура 8.4.

Бързо въртяща се леща за черна дупка: Гаргантюа

Пространственият вихър, създаден от бързото въртене на Гаргантюа, променя гравитационната леща. Звездните модели на Фигура 8.1 (Гаргантюа) изглеждат малко по-различни от тези на Фигура 8.4 (невъртяща се черна дупка), а течащите модели са още по-различни.

В случая на Гаргантюа струята (Фигура 8.5) разкрива два пръстена на Айнщайн, показани като розови криви. Извън от външен пръстензвездите текат надясно (например по двете червени криви), както в случая с невъртящата се черна дупка на фигура 8.4. Обаче пространствен вихър концентрира потока в тесни високоскоростни ивици по задния ръб на сянката на дупката, извивайки се рязко на екватора. Вихърът също създава турбуленция в струята (затворени червени криви).

Вторично изображение на всяка звезда се вижда между два пръстена на Айнщайн. Всяко второстепенно изображение се върти по протежение на затворена крива (например две жълти криви) и се върти в обратна посока на червеното течащо движение извън външния пръстен.

Ориз. 8.5.Чертеж на звезден поток, както се вижда от камера до бързо въртяща се черна дупка като Гаргантюа. В този модел от екипа за визуални ефекти Double Negative, дупката се върти с 99,9 процента от максималната си скорост, а камерата е в кръгова екваториална орбита с обиколка шест пъти по-голяма от обиколката на хоризонта. Вижте видеоклип на този модел на страницата на тази книга на Interstellar.withgoogle.com.

В небето на Гаргантюа има две много специални звезди с изключена гравитационна леща. Едната се намира точно над северния полюс на Гаргантюа, другата е точно под него. Южен полюс. Това са аналози на Полярната звезда, която се намира точно над северния полюс на Земята. Поставих петолъчни звезди върху първичните (червени) и вторичните (жълти) изображения на полярните звезди на Гаргантюа. Всички звезди в небето на Земята изглежда се въртят около Полярната звезда, докато сме привлечени в кръг от въртенето на Земята. По същия начин, в Гаргантюа, всички първични звездни изображения се въртят около червените изображения на полярните звезди, докато камерата се движи по орбитата на дупката, но техните орбитални траектории (например двете червени криви на турбулентност) са силно изкривени от пространствения вихър и гравитационната леща. По същия начин всички изображения на вторични звезди обикалят около изображенията на жълтите полярни звезди (напр. по две изкривени жълти криви).

Защо, в случай на невъртяща се черна дупка (Фигура 8.4), се вижда как вторичните изображения излизат от сянката на черната дупка, въртят се около дупката и се спускат обратно в сянката, вместо да се въртят в затворена крива , както в случая с Гаргантюа (Фигура 8.5)? Всъщност те го правят Приложипо затворена крива в случай на невъртяща се черна дупка. Но вътрешният ръб на тази затворена крива е толкова близо до ръба на сянката, че не може да се види. Въртенето на Гаргантюа създава пространствен вихър и този вихър избутва вътрешния пръстен на Айнщайн навън, разкривайки модела на пълно обръщане на вторичните изображения (жълти криви на фигура 8.5) и вътрешния пръстен на Айнщайн.

Вътре във вътрешния пръстен на Айнщайн моделът на потока е по-сложен. Звездите в този регион са образи от третичен и по-висок слой на всички звезди във Вселената - същите, които се виждат като първични изображения извън външния пръстен на Айнщайн и като вторични изображения между пръстените на Айнщайн.

На фигура 8.6 показвам пет малки снимки на екваториалната равнина на Гаргантюа, като самият Гаргантюа е показан в черно, орбитата на камерата в розово и светлинният лъч в червено. Лъчът светлина пренася изображението на звезда към камерата, която се намира на върха на синята стрелка. Камерата се движи около Гаргантюа обратно на часовниковата стрелка.

Наистина можете да разберете гравитационната леща, ако прегледате тези снимки една по една. Обърнете внимание, че истинската посока на звездата е нагоре и надясно (погледнете външните краища на червените лъчи). Камерата и началото на всеки лъч сочат към изображението на звездата. Десетото изображение е много близо до левия край на сянката, а дясното вторично изображение е близо до десния край; Сравнявайки посоките на камерата за тези изображения, виждаме, че сянката заема дъга от около 150 градуса в посока нагоре. Това е въпреки факта, че действителната посока от камерата към центъра на Гаргантюа е наляво и нагоре. Обективът измести сянката спрямо сегашното положение на Гаргантюа.

Ориз. 8.6.Лъчи светлина, които носят изображения на звезди в върховете на сините стрелки. (на английски: първичен - първичен, вторичен - вторичен, третичен - третичен.) [От същия двоен отрицателен модел, както на фигури 8.1 и 8.5.]

Създаване на визуални ефекти на черна дупка и червеева дупка в Междузвезден

Крис искаше Гаргантюа да изглежда така Всъщностизглежда като бързо въртяща се черна дупка отблизо, така че той помоли Пол да се консултира с мен. Пол ме свърза с екипа Междузвезден, които той състави в студиото за визуални ефекти Double Negative в Лондон.

Изпаднах в лудост, работейки в тясно сътрудничество с Оливър Джеймс, главния учен. С Оливър говорихме по телефона и Skype, разменихме имейли и файлове и се срещнахме лично в Лос Анджелис и в неговия офис в Лондон. на Оливър академична степенпо оптика и атомна физика и той разбира законите на относителността на Айнщайн, така че говорихме на един и същи технически език.

Някои от моите колеги физици вече го направиха компютърни моделикакво би видял един наблюдател, докато обикаля около черна дупка или дори пада в нея. Най-добрите експерти бяха Ален Риазуело от Institut d'Astrophysique в Париж и Андрю Хамилтън от университета в Колорадо Боулдър. Андрю създаде видеоклип за черните дупки, който се показва в планетариумите по света, а Ален симулира черни дупки, които се въртят много, много бързо, като Гаргантюа.

Така че моят първоначален план беше да свържа Оливър с Ален и Андрю и да ги помоля да му дадат необходимата информация. Няколко дни се чувствах неудобно от това решение, след което промених решението си.

По време на моята половинвековна кариера като физик съм посветил големи усилия да правя нови открития сам и да наставлявам студенти да правят нови открития. Защо, за разнообразие, не направя нещо само защото е забавно, попитах се, дори ако други вече са го направили преди мен? Така че се нахвърлих върху това „нещо“. И беше забавно. И за моя изненада, това (скромно) доведе до нови открития като страничен продукт.

Използвайки законите на относителността и черпейки до голяма степен от работата на предшествениците си (особено Брандън Картър от Laboratoire Univers et Théories във Франция и Жана Левин от Колумбийския университет), изведох уравненията, от които Оливър се нуждаеше. Тези уравнения изчисляват траекториите на светлинните лъчи, започващи от някакъв източник на светлина, като далечна звезда, и се движат през извитото пространство на Гаргантюа към камерата. От тези лъчи светлина моите уравнения след това изчисляват изображенията, видени от камерата, като вземат предвид не само източниците на светлина и изкривяването на пространството и времето от Гаргантюа, но и движението на камерата около Гаргантюа.

След като получих тези уравнения, аз ги изпробвах сам с помощта на приятел софтуернаречен Mathematica. Сравних изображенията, създадени от моя компютърен код на Mathematica, с изображенията на Ален Риазуело и когато те се съгласиха, бях въодушевен. Тогава писах подробни описаниямоите уравнения и ги изпратих на Оливър в Лондон, заедно с моя код на Mathematica.

Кодът ми беше много бавен и имаше ниска резолюция. Работата на Оливър беше да преведе моите уравнения в компютърен код, който можеше да произведе изключително висококачествени IMAX изображения, необходими за филма.

С Оливър го направихме стъпка по стъпка. Започнахме с невъртяща се черна дупка и неподвижна камера. След това добавихме въртенето на черната дупка. След това добавиха движение на камерата: първо движение в кръгова орбита, а след това падане в черна дупка. След това преминаваме към камерата, която се върти около дупката.

Това е мястото, където Оливър ме удари като гръм от ясно небе: за да моделира най-фините ефекти, той ще има нужда не само от уравнения, описващи траекториите на светлинните лъчи, но и от уравнения, описващи как напречното сечение на светлинния лъч променя размера и формата като минава през червеевата дупка .

Горе-долу знаех как да го направя, но уравненията бяха ужасно объркващи и се страхувах да не сгреша. Така че потърсих техническата литература и открих, че през 1977 г. Серж Пино и Роб Рубер от университета в Торонто са получили необходимите уравнения в почти формата, от която се нуждаех. След три седмици борба със собствената си глупост, приведох техните уравнения в правилната форма, изразих ги в Mathematica и ги написах на Оливър, който ги включи в собствения си компютърен код. В крайна сметка неговият код успя да произведе качествените изображения, необходими за филма.

В Double Negative компютърният код на Оливър беше само началото. Той го предаде на художествен екип, ръководен от Eugenie von Tanzelmann, който добави акреционен диск () и създаде фонова галактика със звезди и мъглявини, които ще бъдат изкривени от лещата на Гаргантюа. След това нейният екип добави Издръжливост, Rangers и Landers и анимация на камерата (промяна на движението, посоката, зрителното поле и т.н.) и оформя изображенията в много убедителни форми: в невероятни сцени, които се появяват във филма. Следва продължение, вижте.

Междувременно се озадачавах над висококачествените видеоклипове, които Оливър и Юджиния ми бяха изпратили, опитвайки се упорито да разбера защо изображенията изглеждат така, както изглеждат, и звездните полета текат по начина, по който изглеждат. За мен тези видеоклипове са като експериментални данни: те разкриват неща, които никога не бих разбрал сам без тези модели - като това, което описах в предишния раздел (Фигури 8.5 и 8.6). Ще публикуваме една или две технически статии, описващи какво сме научили.

Външен вид на Gravity Slings

Въпреки че Крис реши да не показва никакви гравитационни прашки Междузвезден, чудех се как щяха да изглеждат за Купър, докато водеше рейнджъра към планетата на Милър. Така че използвах моите уравнения и Mathematica, за да моделирам изображенията. (Изображенията ми имат много по-ниска разделителна способност от тези на Оливър и Юджини поради бавния код на моя код.)

Фигура 8.7 показва поредица от изображения, както се вижда от Рейнджър Купър, докато се изпомпва около черна дупка с междинна маса (IMBH), за да започне спускането си към планетата на Милър - в моята научна интерпретация Междузвезден. Това е прашката, описана на фигура 7.2.

Фигура 8.7.Гравитационна прашка около ChDSM на фона на Гаргантюа [Моят собствен модел и изобразяване.]

На горното изображение Гаргантюа е зад нея, а BDSM минава пред нея. HDSM улавя лъчи светлина от далечни звезди, насочени към Гаргантюа, завърта ги около себе си и ги хвърля към камерата. Това обяснява поничката от звездна светлина около сянката на BSSM. Въпреки че BSSM е хиляда пъти по-малък от Гаргантюа, той е много по-близо до Рейнджър от Гаргантюа, така че изглежда само умерено по-малък.

Докато камерата с прашка се движи надясно, тя оставя основната сянка на Гаргантюа зад себе си (средна снимка на Фигура 8.7) и избутва вторичното изображение на сянката на Гаргантюа пред себе си. Тези две изображения са точно същите като първичните и вторичните изображения на звезда, пречупена от гравитационната леща на черна дупка; но сега обективът на ChDSM пречупва сянката на Гаргантюа. В долната снимка размерът на вторичната сянка се свива, докато BDS се движи по-нататък. В този момент гравитационната прашка е почти завършена и камерата на борда на Рейнджър се спуска надолу към планетата на Милър.

Колкото и впечатляващи да са тези изображения, те могат да се видят само близо до BSSM и Гаргантюа, а не от огромното разстояние до Земята. За астрономите на Земята най-впечатляващите оптични ефекти на гигантските черни дупки са струите, излизащи от тях, и светлината от блестящия газов диск в тяхната орбита. Сега ще се обърнем към тях.

Съвсем наскоро науката разбра надеждно какво е черна дупка. Но веднага щом учените разбраха този феномен на Вселената, върху тях се стовари нов, много по-сложен и объркващ: свръхмасивна черна дупка, която не може да се нарече черна, а по-скоро ослепително бяла. Защо? Но защото точно това е определението, дадено на центъра на всяка галактика, който свети и блести. Но щом стигнеш там, не остава нищо друго освен тъмнина. Що за пъзел е това?

Напомняне за черните дупки

Известно е със сигурност, че обикновена черна дупка е някогашна блестяща звезда. На определен етап от съществуването си той започна да се увеличава неимоверно, докато радиусът остана същият. Ако бивша звезда"разшири" и се разрасна, тогава сега силите, концентрирани в ядрото му, започнаха да привличат всички други компоненти към себе си. Краищата му се „свиват“ към центъра, образувайки невероятен колапс, който се превръща в черна дупка. такъв " бивши звезди„вече не блестят, а са абсолютно външно невидими обекти на Вселената. Но те са много забележими, тъй като буквално поглъщат всичко, което попада в техния гравитационен радиус. Не е известно какво се крие зад такъв хоризонт на събитията. Въз основа на фактите такава огромна гравитация буквално ще смаже всяко тяло. Въпреки това, в напоследъкНе само писатели на научна фантастика, но и учени са на мнение, че това може да са своеобразни космически тунели за пътуване на дълги разстояния.

Какво е квазар?

Свръхмасивна черна дупка има подобни свойства, с други думи, ядрото на галактика, което има свръхмощно гравитационно поле, което съществува поради нейната маса (милиони или милиарди слънчеви маси). Принципът на образуване на свръхмасивни черни дупки все още не е установен. Според една версия причината за този колапс са прекалено компресирани газови облаци, газът в които е изключително разреден и температурата е невероятно висока. Втората версия е увеличаване на масите на различни малки черни дупки, звезди и облаци до един гравитационен център.

Нашата галактика

Свръхмасивната черна дупка в центъра на Млечния път не е от най-мощните. Факт е, че самата галактика има спирална структура, която от своя страна принуждава всички нейни участници да бъдат в постоянно и сравнително бързо движение. По този начин гравитационните сили, които биха могли да бъдат концентрирани изключително в квазара, изглежда се разсейват и нарастват равномерно от ръба към ядрото. Лесно е да се досетим, че при елиптичните или, да речем, неправилните галактики нещата стоят обратното. В „покрайнините“ пространството е изключително разредено, планетите и звездите практически не се движат. Но в самия квазар животът буквално кипи.

Параметри на квазара на Млечния път

Използвайки радиоинтерферометрия, изследователите успяха да изчислят масата на свръхмасивната черна дупка, нейния радиус и гравитационната сила. Както беше отбелязано по-горе, нашият квазар е слаб, трудно е да го наречем свръхмощен, но дори самите астрономи не очакваха, че истинските резултати ще бъдат такива. И така, Стрелец A* (това е името на ядрото) е равен на четири милиона слънчеви маси. Освен това, според очевидни данни, тази черна дупка дори не абсорбира материя и обектите, които се намират около нея, не се нагряват. Също отбелязано интересен факт: квазарът е буквално заровен в газови облаци, чиято материя е изключително разредена. Може би еволюцията на свръхмасивната черна дупка на нашата галактика едва започва и след милиарди години тя ще се превърне в истински гигант, който ще привлече не само планетарни системи, но и други, по-малки

Колкото и малка да е масата на нашия квазар, това, което най-много порази учените, е неговият радиус. Теоретично такова разстояние може да се измине за няколко години на един от модерните Космически кораби. Размерите на свръхмасивната черна дупка са малко по-големи от средното разстояние от Земята до Слънцето, а именно 1,2 астрономически единици. Гравитационният радиус на този квазар е 10 пъти по-малък от главния диаметър. С такива индикатори, естествено, материята просто няма да може да се отдели, докато не пресече директно хоризонта на събитията.

Парадоксални факти

Галактиката принадлежи към категорията на младите и новите звездни купове. Това се доказва не само от нейната възраст, параметри и позиция познати на човекакарта на космоса, но и силата, притежавана от нейната супермасивна черна дупка. Въпреки това, както се оказа, не само младите могат да имат „смешни" параметри. Много квазари, които имат невероятна сила и гравитация, изненадват със своите свойства:

Обикновеният въздух често е по-плътен от свръхмасивните черни дупки.
Веднъж на хоризонта на събитията, тялото няма да изпитва приливни сили. Факт е, че центърът на сингулярността е доста дълбок и за да го достигнете, ще трябва да направите дълги разстояния, без дори да подозират, че няма да има връщане назад.

Гиганти на нашата Вселена

Един от най-обемните и най-старите обекти в космоса е свръхмасивната черна дупка в квазара OJ 287. Това е цял лацертид, разположен в съзвездието Рак, който между другото е много слабо видим от Земята. Тя се основава на двоична система от черни дупки, следователно има два хоризонта на събитията и две точки на сингулярност. По-големият обект има маса от 18 милиарда слънчеви маси, почти същата като малка пълноценна галактика. Този спътник е статичен; само обекти, които попадат в неговия гравитационен радиус, се въртят. По-малката система тежи 100 милиона слънчеви маси и също има орбитален период от 12 години.

Опасен квартал

Установено е, че галактиките OJ 287 и Млечният път са съседи – разстоянието между тях е приблизително 3,5 милиарда светлинни години. Астрономите не изключват възможността в близко бъдеще тези две космически тела да се сблъскат, образувайки сложна звездна структура. Според една от версиите именно поради подхода с такъв гравитационен гигант движението планетарни системив нашата галактика непрекъснато се ускорява, а звездите стават по-горещи и по-активни.

Супермасивните черни дупки всъщност са бели

В самото начало на статията беше повдигнат много чувствителен въпрос: цветът, в който най-мощните квазари се появяват пред нас, трудно може да се нарече черен. Дори и най-простата снимка на всяка галактика може да се види с просто око, че центърът й е огромна бяла точка. Защо тогава смятаме, че това е свръхмасивна черна дупка? Снимки, направени с телескопи, ни показват огромен клъстер от звезди, които са привлечени от ядрото. Планетите и астероидите, които обикалят наблизо, се отразяват поради близостта си, като по този начин умножават цялата присъстваща наблизо светлина. Тъй като квазарите не привличат всички съседни обекти със светкавична скорост, а само ги задържат в гравитационния си радиус, те не изчезват, а започват да светят още повече, защото температурата им бързо се покачва. Що се отнася до обикновените черни дупки, които съществуват в космическо пространство, то името им е напълно оправдано. Размерите са сравнително малки, но силата на гравитацията е колосална. Те просто „изяждат“ светлината, без да изпускат нито един квант от банките си.

Кино и свръхмасивна черна дупка

Гаргантюа - човечеството започна широко да използва този термин по отношение на черните дупки след излизането на филма „Междузвездно“. Гледайки тази снимка, е трудно да разберете защо е избрано точно това име и каква е връзката. Но в оригиналния сценарий те планираха да създадат три черни дупки, две от които да се наричат Гаргантюа и Пантагрюел, взети от сатиричния роман.След направените промени остана само една „заешка дупка“, за която беше избрано първото име . Заслужава да се отбележи, че във филма черната дупка е изобразена възможно най-реалистично. Така да се каже, по своя дизайн външен виде извършено от учения Кип Торн, който се основава на изследваните свойства на тези космически тела.

Как разбрахме за черните дупки?

Ако не беше теорията на относителността, предложена от Алберт Айнщайн в началото на ХХ век, вероятно никой дори нямаше да обърне внимание на тези мистериозни обекти. Свръхмасивна черна дупка би се разглеждала като обикновен звезден куп в центъра на галактиката, а обикновените малки биха останали напълно незабелязани. Но днес, благодарение на теоретичните изчисления и наблюдения, които потвърждават тяхната правилност, можем да наблюдаваме такова явление като кривината на пространство-времето. Съвременните учени казват, че намирането на „заешка дупка“ не е толкова трудно. Около такъв обект материята се държи неестествено, тя не само се свива, но понякога дори свети. Около черната точка се образува ярък ореол, който се вижда през телескоп. В много отношения природата на черните дупки ни помага да разберем историята на формирането на Вселената. В техния център има точка на сингулярност, подобна на тази, от която преди се е развил целият свят около нас.

Не е известно със сигурност какво може да се случи с човек, който прекрачи хоризонта на събитията. Дали гравитацията ще го смаже или ще се озове на съвсем различно място? Единственото нещо, което може да се каже с пълна увереност е, че гаргантюа забавя времето и в един момент стрелката на часовника окончателно и безвъзвратно спира.

Черните дупки не излъчват светлина, така че единственият начин да видим Гаргантюа е чрез влиянието му върху светлината от други обекти. IN Междузвездендруги обекти са акреционният диск (Глава 9) и галактиката, в която се намира, включително мъглявини и изобилно звездно поле. За по-голяма простота нека засега включим само звездите.

Докато камерата се движи около Гаргантюа, изглежда, че звездите се движат. Това движение, комбинирано с лещата, създава грандиозно променящи се светлинни модели. В някои области звездите текат с висока скорост, в други текат спокойно, в трети замръзват на място; вижте видеоклипа на страницата на тази книга на Interstellar.withgoogle.com.

Изобразявайки Гаргантюа в тази глава, смятам, че това е бързо въртяща се черна дупка, каквато трябва да бъде, за да осигури изключителна загуба на време на екипажа Издръжливостпо отношение на Земята (Глава 6). Въпреки това, в случай на бързо въртене, масовата публика може да бъде объркана от плоскостта на левия край на сянката на Гаргантюа (Фигура 8.1) и някои специфични характеристики на звездния поток и акреционния диск, така че Кристофър Нолан и Пол Франклин избраха по-нисък скорост на въртене - 60 процента от максималната - за изображенията на Гаргантюа във филма. Вижте последния раздел в Глава 9.

Сянката и нейният огнен пръстен

Невъртяща се леща за черна дупка

Докато камерата се движи надясно, изображенията се движат по червените и жълтите криви.

Сега, ако сте готови, помислете за последващото движение на изображенията, заснети на Фигура 8.4.

Бързо въртяща се леща за черна дупка: Гаргантюа

В случая на Гаргантюа струята (Фигура 8.5) разкрива два пръстена на Айнщайн, показани като розови криви. Извън външния пръстен звездите се движат надясно (например по двете червени криви), както в случая с невъртящата се черна дупка на фигура 8.4. Обаче пространствен вихър концентрира потока в тесни високоскоростни ивици по задния ръб на сянката на дупката, извивайки се рязко на екватора. Вихърът също създава турбуленция в струята (затворени червени криви).

В небето на Гаргантюа има две много специални звезди с изключена гравитационна леща. Единият се намира точно над северния полюс на Гаргантюа, а другият точно под южния полюс. Това са аналози на Полярната звезда, която се намира точно над северния полюс на Земята. Поставих петолъчни звезди върху първичните (червени) и вторичните (жълти) изображения на полярните звезди на Гаргантюа. Всички звезди в небето на Земята изглежда се въртят около Полярната звезда, докато сме привлечени в кръг от въртенето на Земята. По същия начин, в Гаргантюа, всички първични звездни изображения се въртят около червените изображения на полярните звезди, докато камерата се движи по орбитата на дупката, но техните орбитални траектории (например двете червени криви на турбулентност) са силно изкривени от пространствения вихър и гравитационната леща. По същия начин всички изображения на вторични звезди обикалят около изображенията на жълтите полярни звезди (напр. по две изкривени жълти криви).

Създаване на визуални ефекти на черна дупка и червеева дупка в Междузвезден

Изпаднах в лудост, работейки в тясно сътрудничество с Оливър Джеймс, главния учен. С Оливър говорихме по телефона и Skype, разменихме имейли и файлове и се срещнахме лично в Лос Анджелис и в неговия офис в Лондон. Оливър има дипломи по оптика и атомна физика и разбира законите на относителността на Айнщайн, така че говорихме на същия технически език.

Някои от моите колеги физици вече са направили компютърни модели на това, което един наблюдател би видял, докато обикаля около черна дупка или дори пада в нея. Най-добрите експерти бяха Ален Риазуело от Institut d'Astrophysique в Париж и Андрю Хамилтън от университета в Колорадо Боулдър. Андрю създаде видеоклип за черните дупки, който се показва в планетариумите по света, а Ален симулира черни дупки, които се въртят много, много бързо, като Гаргантюа.

След като получих тези уравнения, аз ги изпробвах сам с помощта на приятелски софтуер, наречен Mathematica. Сравних изображенията, създадени от моя компютърен код на Mathematica, с изображенията на Ален Риазуело и когато те се съгласиха, бях въодушевен. След това написах подробни описания на моите уравнения и ги изпратих на Оливър в Лондон, заедно с моя код на Mathematica.

В Double Negative компютърният код на Оливър беше само началото. Той го предаде на художествения екип, ръководен от Еугени фон Танзелман, който добави акреционен диск (Глава 9) и създаде фонова галактика със звезди и мъглявини, които ще бъдат изкривени от лещата на Гаргантюа. След това нейният екип добави Издръжливост, Rangers и Landers и анимация на камерата (промяна на движението, посоката, зрителното поле и т.н.) и оформя изображенията в много убедителни форми: в невероятни сцени, които се появяват във филма. Продължава в глава 9.

Външен вид на Gravity Slings

Фигура 8.7.Гравитационна прашка около ChDSM на фона на Гаргантюа [Моят собствен модел и изобразяване.]

Черна дупка възниква в резултат на колапса на супермасивна звезда, чието ядро изчерпва „горивото“ за ядрена реакция. Тъй като ядрото се компресира, температурата на ядрото се повишава и фотони с енергия над 511 keV се сблъскват и образуват двойки електрон-позитрон, което води до катастрофално намаляване на налягането и по-нататъшен колапс на звездата под въздействието на нейния собствена гравитация.

Астрофизикът Итън Сийгъл публикува статията „Най-голямата черна дупка в познатата вселена“, в която събира информация за масата на черните дупки в различни галактики. Просто се чудя: къде е най-масовият от тях?

Тъй като най-плътните клъстери от звезди са в центъра на галактиките, сега почти всяка галактика има масивна черна дупка в центъра си, образувана след сливането на много други. Например в центъра млечен пътима черна дупка с маса приблизително 0,1% от нашата галактика, тоест 4 милиона пъти масата на Слънцето.

Много е лесно да се определи наличието на черна дупка чрез изучаване на траекторията на звезди, които са засегнати от гравитацията на невидимо тяло.

Но Млечният път е сравнително малка галактика, която не може да има най-голямата черна дупка. Например, недалеч от нас в клъстера Дева има гигантска галактика, наречена Месие 87 - тя е около 200 пъти по-голяма от нашата.

И така, от центъра на тази галактика избухва поток от материя с дължина около 5000 светлинни години (на снимката). Това е луда аномалия, пише Итън Сийгъл, но изглежда много хубаво.

Учените смятат, че само черна дупка може да обясни такова „изригване“ от центъра на галактиката. Изчисленията показват, че масата на тази черна дупка е около 1500 пъти по-голяма от масата на черната дупка в Млечния път, тоест приблизително 6,6 милиарда слънчеви маси.

Но къде е най-голямата черна дупка във Вселената? Ако приемем, че в центъра на почти всяка галактика има такъв обект с маса 0,1% от масата на галактиката, тогава трябва да намерим най-масивната галактика. Учените могат да отговорят и на този въпрос.

Най-масивната известна ни галактика е IC 1101 в центъра на клъстера Abell 2029, който е 20 пъти по-далеч от Млечния път, отколкото клъстера Дева.

В IC 1101 разстоянието от центъра до най-далечния край е около 2 милиона светлинни години. Размерът му е два пъти по-голям от разстоянието от Млечния път до най-близката галактика Андромеда. Масата е почти равна на масата на целия куп Дева!

Ако има черна дупка в центъра на IC 1101 (и трябва да има), тогава тя може да е най-масивната в познатата Вселена.

Итън Сийгъл казва, че може да греши. Причината е уникалната галактика NGC 1277. Това не е много голяма галактика, малко по-малка от нашата. Но анализът на нейното въртене показа невероятен резултат: черната дупка в центъра е 17 милиарда слънчеви маси, а това е цели 17% от общата маса на галактиката. Това е рекорд за съотношението на масата на черна дупка към масата на галактика.

Има още един кандидат за ролята на най-голямата черна дупка в познатата Вселена. Той е показан на следващата снимка.

Странният обект OJ 287 се нарича блазар. Блазарите са специален клас извънгалактични обекти, вид квазари. Отличават се с много мощна емисия, която в ОВ 287 варира с цикъл от 11-12 години (с двоен пик).

Според астрофизиците OJ 287 съдържа супермасивна централна черна дупка, около която орбитира друга по-малка черна дупка. С 18 милиарда слънчеви маси централната черна дупка е най-голямата известна досега.

Тази двойка черни дупки ще бъде един от най-добрите експерименти за тестване обща теорияотносителността, а именно деформацията на пространство-времето, описана в Общата теория на относителността.

Поради релативистични ефекти, перихелият на черната дупка, тоест точката от нейната орбита, която е най-близо до централната черна дупка, трябва да се измества с 39° на оборот! За сравнение, перихелият на Меркурий се е изместил само с 43 дъгови секунди на век.

Във филма радиусът на дупката е 1 километър, дължината на улея е 10 метра, радиусът на лещата е с 50 метра по-голям от дупката.

Червеевата дупка е нестабилна и наистина иска да се затвори и да се превърне в две черни дупки.

Колкото по-дълга е червеевата дупка, толкова по-размазани копия на обекти зад дупката ще се виждат, защото светлината има повече начини да влезе в окото (можете да влезете в дупката от различни ъгли и да излезете от същата точка).

За да поддържате червеева дупка отворена, имате нужда от много екзотична субстанция с отрицателна маса, така че да избута всичко от противоположната страна извън дупката. Такова вещество, теоретично, може да съществува, но намирането му в достатъчни количества, за да поддържа дупка, е нереалистично.

Но има и втори вариант за задържане на червееви дупки: трябва да използвате гравитационните сили от петото измерение. Ако четириизмерен обект пробие нашето триизмерно пространство, той създава много странни сили в него, които не приличат на нищо друго. Така че те се използват за задържане на червеевата дупка.

Гаргантюа отвън

Тази маса е достатъчна, за да попречи на приливните сили на планетата на Милър да я разкъсат наполовина.

Endurance е паркиран на разстояние от 10 AU и орбитира при c/3 (100 000 km/s), в обратна посока на въртенето на Gargantua.

Изображение на дупка:

Гаргантюа е сплескан отляво, защото се върти отляво надясно (спрямо камерата) и светлината, движеща се в посоката на въртене, има по-голям шанс да не бъде засмукана в хоризонта на събитията.
Всяка звезда зад черната дупка има две изображения в картината: нормалната, която е далеч от дупката, се дава от светлина, леко огъната от гравитацията. И второ, вътре в сферата на Айнщайн, сфера, която пречупва всичко много силно, защото е близо до дупката. Има още няколко особености, свързани с въртенето на отвора, но ми е трудно да ги обясня, защото оптиката не е най-добрата ми страна.

За да не може акреционният диск да изпържи всички живи с всички възможни лъчи, той е направен с температура само няколко хиляди градуса, подобно на Слънцето, излъчва светлина и много малко гама и рентгенови лъчи. Именно поради слабостта на диска плазмените лъчи не избухват от Гаргантюа от южния и северния полюс, като от квазар. Това е възможно, ако дупката не е „изяла“ други планети дълго време.

Това, което свети на снимките, е акреционният газов диск.
И изглежда адски, разберете какво, защото благодарение на гравитационните лещи парче от диска зад същата тази дупка се вижда над и под черната дупка.

Много близо до хоризонта на събитията на Гаргантюа има две критични орбити, образувани от баланса на гравитацията и центробежната сила.
Планетата на Ман се движи по една от тях, а Ендюрънс в края на филма се движи по другата.

Петизмерно пространство

Ако петото (както и шестото, седмото и т.н.) измерения съществуват, тогава те трябва да бъдат навити или компресирани много бързо, в противен случай гравитацията от нашите три измерения ще се разпространява според други, а не 1/r^2 закони.

Пространството в Интерстелар се състои от три триизмерни брани в четириизмерното анти-де Ситер пространство. Над и под нашата брана има ограничаващи брани; те са необходими, за да може хиперпространството да е извито между слоевете и да не се нарушават човешките закони за разпространение на силите, по-специално на гравитацията. Така че, като цяло, можете да направите петото измерение разгънато, а не усукано в тръба.

Хиперпространството е извито между тези брани и разстоянието, измерено в горната или долната брана, ще бъде много по-късо, отколкото в нашата брана.Разстоянието между тези брани трябва да бъде 1,5 сантиметра - това е достатъчно за разстоянието по горната брана между Земята и Гаргантюа да бъде равен на 1AE и законите на гравитацията на Нютон са наблюдавани в нашата брана.

За да кацнете на планетата Милър, която се върти със скорост 0,55 c, трябва да направите две гравитационни маневри: първо, напълно да спрете въртенето на Рейнджъра, така че дупката да издърпа кораба, и преди планетата Милър да намалите още една скорост c/4 и земя.

Как да го направим? Това не е показано във филма, но Кип предполага, че поне още две малки черни дупки, с размерите на Земята, трябва да се въртят около Гаргантюа. Само като влезете в гравитацията на такива дупки, можете да забавите толкова много и да не убиете екипажа на кораба. В същото време във филма Купър казва, че трябва да маневрира около невронна звезда, а не черна дупка (честно казано не помня тази фраза).

Вълните на планетата на Милър са причинени от „клатенето“ на планетата напред-назад спрямо ос, перпендикулярна на Гаргантюа. Като цунами.

Планетата Милър трябва да се намира между акреционния диск и Гаргантюа. Но Нолан реши да не снима края и постави планетата, която знаете как. Планетата се нагрява от акреционния диск.

Планетата на Ман се движи по много крива орбита със скорост c/20.

За да достигне планетата на Мана, Купър трябваше да извърши две гравитационни маневри: около малка черна дупка, обикаляща около Гаргантюа, след това да лети до планетата на Мана със скорост c/2 и след като направи няколко обиколки около нея, да намали скоростта до c/20

Облаците на планетата Мана са направени от въглероден диоксид „сух лед“. На повърхността има обикновен лед. Когато планетата Мана лети по-близо до Гаргантюа и неговия диск, въглеродният диоксид се изпарява - образуват се облаци.

Полет към черна дупка

Как Купър взе падащия Endurance? Издърпа го достатъчно високо, за да може гравитацията на Гаргантюа да изтегли него и Купър в критична орбита. Не забравяйте, че когато Endurance падне върху планетата Manna, планетата е много близо до Gargantua.

Критичната орбита, по която Купър насочва кораба около Гаргантюа, е поле, в което центробежната сила, която изтласква кораба извън орбитата, и гравитационната сила, която дърпа кораба в дупката, съвпадат. В тази орбита можете да се въртите около Гаргантюа завинаги, но с едно условие: не можете да излезете от орбитата и на крачка, тъй като корабът или ще бъде изхвърлен от Гаргантюа, или ще падне в черна дупка. Тази орбита е нестабилна. Струва си да се каже, че орбитата на планетата Милър е абсолютно същата, но стабилна, трудно е да я напуснете.