Věda

Nedávno uvedený vizuálně poutavý film Inresttellar je založen na skutečných vědeckých konceptech jako je např rotující černé díry, červí díry a dilatace času.

Pokud ale tyto pojmy neznáte, můžete být při sledování trochu zmatení.

Ve filmu jde tým vesmírných průzkumníků do mimogalaktické cestování červí dírou. Na druhé straně se ocitnou v jiné sluneční soustavě s rotující černou dírou místo hvězdy.

Jsou v závodě s prostorem a časem, aby dokončili svou misi. Tento druh cestování vesmírem se může zdát trochu matoucí, ale je založen na základních fyzikálních principech.

Zde jsou ty hlavní 5 pojmů fyziky Věci, které potřebujete vědět, abyste porozuměli Interstellar:

Umělá gravitace

Největší problém, se kterým se my lidé potýkáme dlouhodobě vesmírné cestování, je stav beztíže. Narodili jsme se na Zemi a naše těla se přizpůsobila určitým gravitačním podmínkám, ale když jsme delší dobu ve vesmíru, svaly začnou ochabovat.

S tímto problémem se potýkají i hrdinové ve filmu Interstellar.

Aby se s tím vědci vyrovnali, tvoří umělá gravitace v kosmických lodích. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je roztočit vesmírnou loď, stejně jako ve filmu. Rotace vytváří odstředivou sílu, která tlačí předměty směrem k vnějším stěnám lodi. Toto odpuzování je podobné gravitaci, jen v opačném směru.

Toto je forma umělé gravitace, kterou zažíváte, když jedete po zatáčce s malým poloměrem a máte pocit, jako byste byli tlačeni ven, pryč ze středu zatáčky. V rotující vesmírné lodi se stěny stanou vaší podlahou.

Rotující černá díra ve vesmíru

Astronomové, i když nepřímo, pozorovali v našem vesmíru rotující černé díry. Nikdo neví, co je ve středu černé díry, ale vědci pro to mají jméno -jedinečnost .

Rotující černé díry deformují prostor kolem sebe jinak než stacionární černé díry.

Tento proces zkreslení se nazývá „inerciální strhávání snímku“ nebo Lense-Thirringův efekt a ovlivňuje to, jak bude černá díra vypadat deformací prostoru, a co je důležitější, časoprostoru kolem ní. Černá díra, kterou vidíte ve filmu, stačívelmi blízko vědeckému konceptu.

• Vesmírná loď Endurance míří ke Gargantua - fiktivní supermasivní černá díra s hmotností 100 milionkrát větší než Slunce.
• Je 10 miliard světelných let daleko od Země a obíhá kolem něj několik planet. Gargantua se točí úžasnou rychlostí 99,8 procenta rychlosti světla.
• Garagantuův akreční disk obsahuje plyn a prach o teplotě povrchu Slunce. Disk dodává planetám Gargantua světlo a teplo.

Složitý vzhled černé díry ve filmu je způsoben tím, že obraz akrečního disku je zkreslen gravitační čočkou. Na obrázku se objevují dva oblouky: jeden vytvořený nad černou dírou a druhý pod ní.

Krtčí díra

Červí díra nebo červí díra, kterou používá štáb v Interstellar, je jedním z fenoménů ve filmu, který jehož existence nebyla prokázána. Je to hypotetické, ale velmi výhodné v zápletkách sci-fi příběhů, kde potřebujete překonat velkou vesmírnou vzdálenost.

Jen červí díry jsou druh nejkratší cestou přes vesmír. Jakýkoli objekt s hmotou vytváří díru v prostoru, což znamená, že prostor lze natáhnout, pokřivit a dokonce i složit.

Červí díra je jako záhyb v látce prostoru (a času), který spojuje dvě velmi vzdálené oblasti, což pomáhá vesmírným cestovatelům cestovat na velkou vzdálenost v krátkém čase.

Oficiální název pro červí díru je „Einstein-Rosenův most“, jak jej poprvé navrhli Albert Einstein a jeho kolega Nathan Rosen v roce 1935.

• Na 2D diagramech je ústí červí díry znázorněno jako kruh. Pokud bychom však viděli červí díru, vypadala by jako koule.
• Na povrchu koule by byl vidět gravitačně zkreslený pohled na prostor na druhé straně „díry“.
• Rozměry červí díry ve filmu: 2 km v průměru a přenosová vzdálenost je 10 miliard světelných let.

Gravitační dilatace času

Gravitační dilatace času je skutečný jev pozorovaný na Zemi. Vzniká proto čas je relativní. To znamená, že pro různé souřadnicové systémy proudí různě.

Když jste v silném gravitačním prostředí, čas ti běží pomaleji ve srovnání s lidmi ve slabém gravitačním prostředí.

Pokusím se odpovědět na pár otázek, které diváci ohledně filmu mají.

1) Proč Gargantuova černá díra ve filmu vypadá takto?

Film Interstellar je prvním celovečerním filmem v historii kinematografie, který využívá fyzikální vizualizaci černé díry. matematický model. Simulaci provedl tým 30 lidí (oddělení vizuálních efektů Paula Franklina) ve spolupráci s Kipem Thornem, světově uznávaným teoretickým fyzikem známým pro svou práci v oblasti teorie gravitace, astrofyziky a kvantová teorie Měření. Na jeden snímek bylo vynaloženo asi 100 hodin a celkem se na model utratilo asi 800 terabajtů dat.
Thorne nejen vytvořil matematický model, ale také napsal specializovaný software (CGI), který umožnil sestavit počítačový vizualizační model.

Zde je to, s čím Thorne přišel:

Samozřejmě je spravedlivé se ptát: je Thorneova simulace první v historii vědy? A je Thorneova podoba něco, co dosud ve vědecké literatuře nebylo vidět? Jistě, že ne.
Jean Pierre Luminet z Paris-Mudon Observatory, oddělení relativistické astrofyziky a kosmologie, také mezinárodně známý svou prací v oblasti černých děr a kosmologie, je jedním z prvních vědců, kteří zobrazili černou díru pomocí počítačové simulace. V roce 1987 vyšla jeho kniha „Black Holes: A Popular Introduction“, kde píše:

„První počítačové snímky černé díry obklopené akrečním diskem jsem získal já (Luminet, J.-P. (1979): Astron. Astrophys.). Jemnější výpočty provedl Marck (Marck, J.-A. (1993): Class. Quantum Grav) jak pro Schwarzschildovu metriku, tak pro případ rotující černé díry. Věrohodné obrázky – tedy vypočítané s přihlédnutím k zakřivení prostoru, rudému posuvu a fyzikální vlastnosti disk lze získat pro libovolný bod, dokonce i pro bod umístěný uvnitř horizontu událostí. Byl dokonce vytvořen film ukazující, jak se tato zkreslení mění, když se člověk pohybuje po časové trajektorii kolem černé díry (Delesalle, Lachieze-Rey a Luminet, 1993). Kresba je jedním z jeho rámů pro případ pohybu po zavěšené parabolické trajektorii“

Vysvětlení, proč obrázek vypadá takto:

„Vzhledem k zakřivení časoprostoru v blízkosti černé díry se obraz systému výrazně liší od elips, které bychom viděli, kdybychom černou díru nahradili obyčejnou nízkohmotnostní nebeské těleso. Záření z horní strany disku tvoří přímý obraz a díky silnému zkreslení vidíme celý disk (černá díra před námi neblokuje části disku za ní). Viditelná je i spodní část disku díky výraznému ohybu světelných paprsků.“

Luminova image překvapivě připomíná Thorneův výsledek, který získal více než 30 let po Francouzově práci!

Čím to je, že v jiných četných vizualizacích: jak v článcích, tak v populárně-vědeckých filmech je černá díra často vidět úplně jinak? Odpověď je jednoduchá: počítačové „kreslení“ černé díry na základě matematického modelu je velmi složitý a časově náročný proces, který se často nevejde do skromných rozpočtů, takže si autoři nejčastěji vystačí s prací designéra než fyzik.

2) Proč není Gargantuův akreční disk tak velkolepý, jak je vidět na mnoha obrázcích a populárně-vědeckých filmech? Proč nemohla být černá díra zobrazena jasnější a působivější?

Spojím tuto otázku s následujícím:

3) Je známo, že akreční disk černé díry je zdrojem velmi intenzivního záření. Astronauti by jednoduše zemřeli, kdyby se přiblížili k černé díře.

A skutečně je. Černé díry jsou motory nejjasnějších zdrojů záření s nejvyšší energií ve vesmíru. Podle moderní nápady, srdcem kvasarů, které někdy září jasněji než stovky galaxií dohromady, je černá díra. Svou gravitací přitahuje obrovské masy hmoty a nutí ji stlačit se do malé oblasti pod nepředstavitelně vysokým tlakem. Tato látka se zahřívá a proudí v ní. jaderné reakce s emisí silného rentgenového a gama záření.
Zde je návod, jak se často kreslí klasický akreční disk černé díry:

Kdyby byl Gargantua takový, pak by takový akreční disk zabíjel astronauty svou radiací. Narůstání v Thorneově černé díře není tak husté a masivní, podle jeho modelu není teplota disku vyšší než teplota povrchu Slunce. To je z velké části způsobeno tím, že Gargantua je supermasivní černá díra o hmotnosti nejméně 100 milionů hmotností Slunce s poloměrem jedné astronomické jednotky.
Toto není jen supermasivní, ale ultramasivní černá díra. Dokonce i černá díra v centru Mléčné dráhy má podle různých odhadů hmotnost 4-4,5 milionů hmotností Slunce.
I když Gargantua má k rekordmanovi daleko. Například díra v galaxii NGC 1277 má hmotnost 17 miliard sluncí.
Myšlenka představit si takový experiment, ve kterém lidé zkoumají černou díru, trápila Thorna od 80. let minulého století. Již ve své knize „Černé díry a záhyby času. The Audacious Legacy of Einstein, publikovaný v roce 1990, Thorne zkoumá hypotetický model mezihvězdného cestování, ve kterém vědci studují černé díry, chtějí se dostat co nejblíže k horizontu událostí, aby lépe porozuměli jeho vlastnostem.
Výzkumníci začínají s malou černou dírou. Vůbec se jim to nehodí, protože slapové síly, které vytváří, jsou příliš velké a nebezpečné pro život. Mění předmět studia na masivnější černou díru. Ale ani ona je neuspokojuje. Nakonec se vydají směrem k obřímu Gargantuovi.
Gargantua se nachází v blízkosti kvasaru 3C273 – což umožňuje porovnat vlastnosti dvou děr.
Při jejich sledování se výzkumníci diví:

"Rozdíl mezi Gargantuou a 3C273 se zdá překvapivý: proč Garnatua při tisícinásobku své hmotnosti a velikosti nemá tak kulatou koblihu plynu a obří kvasarové trysky?"

Gargantuův akreční disk je relativně chladný, není masivní a nevyzařuje tolik energie jako kvasar. Proč?

"Po teleskopickém výzkumu Bret nachází odpověď: každých několik měsíců se hvězda na oběžné dráze centrální díry 3C273 přiblíží k obzoru a je roztrhána na kusy slapovými silami černé díry. Pozůstatky hvězdy s hmotnosti přibližně 1 sluneční hmotnosti, jsou rozstřikovány v blízkosti černé díry Postupně vnitřní tření pohání rozstřikující plyn dovnitř Tento čerstvý plyn kompenzuje plyn, který kobliha neustále dodává do díry a trysek, takže kobliha a trysky si udržují zásoby plynu a dál jasně září.
Bret vysvětluje, že hvězdy se mohou ke Gargantuovi přiblížit. Ale protože Gargantua je mnohem větší než 3C273, její slapové síly nad horizontem událostí jsou příliš slabé na to, aby hvězdu roztrhaly. Gargantua polyká hvězdy celé, aniž by jejich útroby cákal do okolní koblihy. A bez koblihy nemůže Gargantua vytvořit trysky a další prvky kvasaru."

Aby kolem černé díry existoval masivní radiační disk, musí existovat konstrukční materiál, ze kterého se dá vytvořit. V kvasaru jsou to hustá plynová mračna velmi blízko černé díry hvězdy. Zde je klasický model pro vytvoření akrečního disku:

V Interstellaru je jasné, že masivní akreční disk prostě nemá z čeho vzniknout. V systému nejsou žádné husté mraky ani blízké hvězdy. Jestli něco bylo, tak už to bylo všechno dávno snědené.
Jediné, s čím je Gargantua spokojený, jsou mračna mezihvězdného plynu s nízkou hustotou, vytvářející slabý „nízkoteplotní“ akreční disk, který nevyzařuje tak intenzivně jako klasické disky v kvasarech nebo binárních systémech. Radiace z Gargantuova disku proto astronauty nezabije.

Thorne v The Science of Interstellar píše:

"Typický akreční disk má velmi intenzivní rentgenové, gama záření a rádiové záření. Tak silné, že usmaží každého astronauta, který se rozhodne být poblíž. Disk Gargantua zobrazený ve filmu je extrémně slabý disk. "Slabý" - ne podle lidských standardů, samozřejmě, ale podle standardů typických kvasarů. Místo aby byl Gargantuův disk zahřátý na stovky milionů stupňů, jak se zahřívají akreční disky kvasarů, je zahřátý jen o několik tisíc stupňů, přibližně stejně jako povrch Slunce.Vyzařuje hodně světla, ale nevyzařuje téměř žádné rentgenové nebo gama záření.paprsky.Takové disky mohou existovat v pozdních fázích evoluce černých děr.Proto je disk Gargantua zcela odlišný od obrázek, který můžete často vidět na různých populárních astrofyzických zdrojích."

Je Kip Thorne jediný, kdo navrhl existenci studených akrečních disků kolem černých děr? Jistě, že ne.

Studené akreční disky černých děr byly ve vědecké literatuře studovány již dlouhou dobu:
Podle některých údajů má supermasivní černá díra v centru Mléčné dráhy, Sagittarius A* (Sgr A*), úplně stejný studený akreční disk:

Kolem naší centrální černé díry může existovat neaktivní černá díra. studený akreční disk, zbývající (kvůli nízké viskozitě) z „turbulentního mládí“ Sgr A*, kdy byla rychlost akrece vysoká. Nyní tento disk „nasává“ horký plyn a brání mu v pádu do černé díry: plyn se usazuje v disku v relativně velkých vzdálenostech od černé díry.

(c) Blízké hvězdy a neaktivní akreční disk v Sgr A∗: zatmění a vzplanutí
Sergei Nayakshin1 a Rashid Sunyaev. // 1. Max-Planck-Institut fur Astrophysik, Karl-Schwarzschild-Str. Garching, Německo 2. Institut pro výzkum vesmíru, Moskva, Rusko

Nebo Cygnus X-1:

Provedena spektrální a časová analýza velké číslo pozorování přibývajících černých děr Cygnus X-1, GX339-4 a GS1354-644 v nízkém spektrálním stavu během let 1996-1998 observatoří RXTE. U všech tří zdrojů byla zjištěna korelace mezi charakteristickými frekvencemi chaotické variability a spektrálními parametry – strmostí spektra komptonovaného záření a relativní amplitudou odražené složky. Vztah mezi amplitudou odražené složky a sklonem komptonizačního spektra ukazuje, že odrážející prostředí ( studený akreční disk) je hlavním dodavatelem měkkých fotonů do oblasti komptonizace.

(c) Zpráva na konferenci organizace SPIE "Astronomické dalekohledy a instrumentace", 21.-31. března 2000, Mnichov, Německo

Interakce mezi hvězdami a an Neaktivní akreční disk v galaktickém jádru // Vladimır Karas. Astronomický ústav, Akademie věd, Praha, Česká republika a

(c) Univerzita Karlova, Matematicko-fyzikální fakulta, Praha, Česká republika // Ladislav Šubr. Univerzita Karlova, Matematicko-fyzikální fakulta, Praha, Česká republika

Tiché černé díry jsou podobné díře v mlhovině Andromeda, jedné z prvních objevených supermasivních černých děr. Jeho hmotnost je asi 140 milionů hmotností Slunce. Našli ho ale ne silným zářením, ale charakteristickým pohybem hvězd po této oblasti. Jádra takových galaxií nevykazují intenzivní „kvasarové“ záření. A astrofyzici došli k závěru, že hmota do této černé díry prostě nespadá. Tato situace je typická pro „tiché“ galaxie, jako je mlhovina v Andromedě a Mléčná dráha.

Galaxie s aktivními černými dírami se nazývají aktivní nebo Seyfertovy galaxie. Seyfertovy galaxie tvoří přibližně 1 % všech pozorovaných spirálních galaxií.

Jak byla v mlhovině Andromeda nalezena supermasivní černá díra, dobře ukazuje populárně vědecký film BBC „Supermasivní černé díry“.

4) Je známo, že černé díry mají smrtící slapové síly. Neroztrhají jak astronauty, tak Millerovu planetu, která je ve filmu příliš blízko horizontu událostí?

I lakonická Wikipedie o jedné věci píše důležitý majetek supermasivní černá díra:

„Slapové síly v blízkosti horizontu událostí jsou výrazně slabší kvůli skutečnosti, že centrální singularita se nachází tak daleko od horizontu, že hypotetický astronaut cestující do středu černé díry by nepocítil účinky extrémních slapových sil, dokud nebude velmi hluboko do toho."

S tím souhlasí všechny vědecké a populární zdroje, které popisují vlastnosti supermasivních černých děr.

Umístění bodu, ve kterém slapové síly dosáhnou takové velikosti, že zničí objekt, který tam spadne, závisí na velikosti černé díry. U supermasivních černých děr, jako jsou ty, které se nacházejí ve středu Galaxie, tento bod leží v jejich horizontu událostí, takže hypotetický astronaut může překročit jejich horizont událostí, aniž by si všiml jakékoli deformace, ale po překročení horizontu událostí jeho pád směrem ke středu černé díry je nevyhnutelné. U malých černých děr, jejichž Schwarzschildův poloměr je mnohem blíže k singularitě, slapové síly zabijí astronauta dříve, než dosáhne horizontu událostí.

(c) Schwarzschildovy černé díry // Obecná teorie relativity: úvod pro fyziky. - Cambridge University Press, 2006. - S. 265. - ISBN 0-521-82951-8.

Hmotnost Gargantua byla samozřejmě zvolena tak, aby astronauty neroztrhal příliv a odliv.
Stojí za zmínku, že Thorneův Gargantua z roku 1990 je poněkud masivnější než v Interstellar:

„Výpočty ukázaly, že co větší díra, čím menší tah raketa potřebuje, aby ji udržela na kruhu 1,0001 horizontu událostí. Pro bolestivý, ale tolerovatelný tah 10 g Země musí být hmotnost díry 15 bilionů slunečních hmot. Nejbližší z těchto děr se nazývá Gargantua a nachází se 100 000 světelných let od naší galaxie a 100 milionů světelných let od kupy galaxií v Panně, kolem které obíhá. mléčná dráha. Ve skutečnosti se nachází poblíž kvasaru 3C273, 2 miliardy světelných let od Mléčné dráhy...
Když se vydáte na oběžnou dráhu Gargantuy a provedete obvyklá měření, jste přesvědčeni, že její hmotnost se skutečně rovná 15 bilionům hmotností Slunce a že rotuje velmi pomalu. Z těchto údajů vypočítáte, že obvod jeho horizontu je 29 světelných let. Nakonec spočítá, že se jedná o díru, jejíž okolí můžete prozkoumat, zažít přípustné slapové síly a zrychlení!"

V knize „The Science of Interstellar“ z roku 2014, kde Kip Thorne popisuje vědecké aspekty práce na filmu, již uvádí číslo 100 milionů hmotností Slunce – ale podotýká, že toto je minimální hmotnost, kterou může „pohodlný“ člověk. mají ve vztahu k slapovým vlivům.síly černých děr.

5) Jak může Millerova planeta existovat tak blízko černé díry? Roztrhnou ho slapové síly?

Astronom Phil Plaint, známý jako „Špatný astronom“ pro svou nezkrotnou skepsi, prostě nedokázal překonat Interstellar. Navíc před tím svou drtivou skepsí krutě zničil mnoho uznávaných filmů, například Gravitaci.

„Na Interstellar jsem se opravdu těšil... Ale to, co jsem viděl, bylo hrozné. To je naprosté selhání. Opravdu, opravdu se mi to nelíbilo."

- píše ve svém článku z 6. listopadu.
Phil říká, že vědecká část filmu je úplná kravina. Což ani v hypotetickém rámci nemůže odpovídat moderním vědeckým představám. Zvláště cestoval po Millerově planetě. Planeta podle něj může kolem takové černé díry stabilně obíhat, ale její dráha musí být minimálně třikrát větší než samotná Gargantua. Hodiny poběží pomaleji než na Zemi, ale jen o 20 procent. Stabilita planety v blízkosti černé díry, jak je ukázána ve filmu, je nemožná fantazie. Navíc ji zcela roztrhají slapové síly černé díry.

Ale 9. listopadu se objeví Plaint s novým článkem. Volá jí Následné: Interstellar Mea Culpa. Nesrovnatelný vědecký kritik se rozhodl činit pokání.

"Zase jsem to podělal. Ale bez ohledu na velikost mých chyb, vždy se je snažím přiznat. Nakonec nás sama věda nutí přiznat své chyby a poučit se z nich!“

Phil Plaint přiznal, že ve svém myšlení udělal chyby a dospěl k nesprávným závěrům:

"Ve své recenzi jsem mluvil o Millerově planetě obíhající blízko černé díry." Hodina strávená na planetě se rovná sedmi pozemským letům. Tvrdil jsem, že s takovou dilatací času by stabilní planetární oběžná dráha byla nemožná.
A to platí... pro nerotující černou díru. Moje chyba byla toto. že jsem nepoužil správné rovnice pro černou díru, která se rychle otáčela! To značně mění obraz časoprostoru poblíž černé díry. Nyní chápu, že stabilní oběžná dráha této planety kolem černé díry může dobře existovat, a to tak blízko horizontu událostí, že je možná dilatace času naznačená ve filmu. Obecně jsem se mýlil.
Ve své původní analýze jsem také uvedl, že gravitační přílivy by tuto planetu roztrhaly. Konzultoval jsem to s několika astrofyziky, kteří také řekli, že Gargantuův příliv pravděpodobně zničí planetu, ale to ještě nebylo matematicky potvrzeno. Na řešení tohoto problému stále pracují – a jakmile bude vyřešen, řešení zveřejním. Sám nemohu říci, zda jsem měl ve své analýze pravdu nebo se mýlil – a i kdybych měl pravdu, moje úvahy se stále vztahovaly pouze na nerotující černou díru, takže se na tento případ nevztahují.
K vyřešení takového problému je třeba probrat mnoho matematických problémů. Nevím ale přesně, jak daleko byla Millerova planeta od Gargantua, a tak je velmi těžké říci, zda by ji příliv zničil nebo ne. Knihu fyzika a výkonného producenta filmu Kipa Thorna „The Science of Interstellar“ jsem ještě nečetl – myslím, že tento problém osvětlí.
Ve stabilitě oběžné dráhy jsem se však mýlil – a tuto stížnost na film nyní považuji za nutné zrušit.
Abychom to shrnuli: fyzický obraz zobrazený ve filmu poblíž černé díry je ve skutečnosti v souladu s vědou. Udělal jsem chybu, za kterou se omlouvám.

Ikjyot Singh Kohli, teoretický fyzik z Yor University, poskytl na své stránce řešení rovnic, čímž dokázal, že existence Millerovy planety je docela možná.
Našel řešení, ve kterém by planeta existovala za podmínek demonstrovaných ve filmu. Diskutoval ale i o problému slapových sil, které by prý měly planetu roztrhat. Jeho řešení ukazuje, že slapové síly jsou příliš slabé na to, aby jej roztrhaly.
Dokonce doložil přítomnost obřích vln na povrchu planety.

Myšlenky Singha Kohliho s příklady rovnic jsou zde:

Takto ukazuje Miller Thorne polohu planety ve své knize:

Jsou body, ve kterých oběžná dráha nebude stabilní. Ale Thorne také našel stabilní oběžnou dráhu:

Slapové síly planetu neroztrhají, ale deformují:

Pokud se planeta otáčí kolem zdroje slapových sil, pak budou neustále měnit svůj směr a různě jej deformovat v různých bodech oběžné dráhy. V jedné poloze bude planeta zploštělá od východu na západ a prodloužená od severu k jihu. V jiném bodě oběžné dráhy je stlačena od severu k jihu a protažena z východu na západ. Vzhledem k tomu, že gravitace Gargantua je velmi silná, měnící se vnitřní deformace a tření zahřejí planetu a učiní ji velmi horkou. Jak jsme ale viděli ve filmu, Millerova planeta vypadá úplně jinak.
Proto by bylo spravedlivé předpokládat, že planeta je vždy otočena jednou stranou ke Gargantuovi. A to je přirozené pro mnoho těles, která rotují kolem silnějšího gravitačního objektu. Například náš Měsíc, mnoho satelitů Jupiteru a Saturnu je vždy otočeno k planetě pouze jednou stranou.

Thorne také uvedl další důležitý bod:

„Pokud se podíváte na Millerovu planetu z Mannovy planety, můžete vidět, jak se otáčí kolem Gargantua s oběžnou dobou 1,7 hodiny a během této doby urazí téměř miliardu kilometrů. To je asi poloviční rychlost světla! Kvůli časové dilataci pro posádku Rangeru je tato doba zkrácena na desetinu sekundy. Je to velmi rychlé! A není to mnohem rychlejší než rychlost světla? Ne, protože v systému hlášení vírového pohybujícího se prostoru kolem Gargantua se planeta pohybuje pomaleji než světlo.
V mém vědeckém modelu filmu je planeta vždy otočena k černé díře jednou stranou a otáčí se závratnou rychlostí. Roztrhnou odstředivé síly planetu kvůli této rychlosti? Ne: znovu ji zachrání rotující vír vesmíru. Planeta nepocítí ničivé odstředivé síly, protože vesmír se s ní otáčí stejnou rychlostí."

6) Jak jsou možné takové obří vlny na povrchu Millerovy planety?

Thorne na tuto otázku odpovídá takto:

"Udělal jsem nezbytné fyzikální výpočty a našel dvě možné vědecké interpretace."
Obě tato řešení vyžadují, aby poloha rotační osy planety byla nestabilní. Planeta by se měla kývat v určitém rozsahu, jak je znázorněno na obrázku. K tomu dochází pod vlivem gravitace Gargantua.

Když jsem počítal periodu tohoto houpání, dostal jsem hodnotu asi hodinu. A to se shodovalo s časem, který si Chris vybral – kdo ještě nevěděl o mém vědeckém výkladu!
Můj druhý model je tsunami. Slapové síly Gargantua mohou deformovat kůru Millerovy planety se stejnou periodou (1 hodina). Tyto deformace mohou způsobit velmi silná zemětřesení. Mohou způsobit tsunami, které daleko předčí ty, které kdy byly na Zemi viděny."

7) Jak jsou možné tak neuvěřitelné manévry Endurance a Ranger na oběžné dráze Gargantua?

1) Endurance se pohybuje na parkovací oběžné dráze s poloměrem rovným 10násobku poloměru Gargantua a posádka mířící do Milleru se pohybuje rychlostí C/3. Millerova planeta se pohybuje na 55 % C.
2) Ranger musí zpomalit z C/3, aby snížil orbitu a přiblížil se Miller Point. Zpomalí se na c/4 a dostane se na okraj planety (samozřejmě zde musíte postupovat podle přísných výpočtů, abyste se tam dostali. Ale pro počítač to není problém)

Mechanismus pro tak významnou změnu rychlosti popisuje Thorne:

„Hvězdy a malé černé díry se točí kolem obřích černých děr, jako je Gargantua. Jsou to oni, kdo může vytvořit určující síly, které vychýlí Strážce z jeho kruhové dráhy a nasměrují ho dolů ke Gargantuovi. Tento typ gravitačního manévru NASA často používá v Sluneční Soustava, i když využívá gravitaci planet, nikoli černou díru. Podrobnosti tohoto manévru nejsou v Interstellar odhaleny, ale samotný manévr je zmíněn, když se mluví o použití neutronové hvězdy ke zpomalení rychlosti.“

Neutronovou hvězdu ukazuje Thorne na obrázku:

Datum s neutronovou hvězdou umožňuje změnit rychlost:

„Takový přístup může být velmi nebezpečný, tzn. Strážce se musí dostat dostatečně blízko k neutronové hvězdě (nebo malé černé díře), aby zachytil silná gravitace. Pokud má brzdící hvězda nebo černá díra poloměr menší než 10 000 km, pak budou lidé a Strážce roztrháni slapovými silami. Neutronová hvězda tedy musí mít velikost alespoň 10 000 km.
Diskutoval jsem o tomto problému s Nolanem během výroby scénáře, navrhoval jsem černou díru nebo neutronová hvězda vybrat si z. Nolan si vybral neutronovou hvězdu. Proč? Protože nechtěl zmást publikum dvěma černými dírami."

„Černé díry, nazývané IMBH (Intermediate-Mass Black Holes), jsou deset tisíckrát menší než Gargantua, ale tisíckrát těžší než obyčejné černé díry. Cooper potřebuje takový převaděč. Předpokládá se, že některé IMBH se tvoří v kulových hvězdokupách a některé se nacházejí v jádrech galaxií, kde se nacházejí obří černé díry. Nejbližším příkladem je mlhovina Andromeda, nejbližší galaxie k nám. V jádru Andromedy je skrytá díra podobná Gargantua - přibližně 100 milionů hmotností Slunce. Když IMBH prochází oblastí s hustou hvězdnou populací, účinek „dynamického tření“ zpomaluje rychlost IMBH a ta klesá níž a níž a přibližuje se k obří černé díře. V důsledku toho se IMBH ocitá v těsné blízkosti supermasivní černé díry. Příroda tedy mohla Cooperovi poskytnout takový zdroj gravitační odchylky."

Pro skutečnou aplikaci „gravitačního praku“ viz příklad meziplanetární kosmická loď, - podívejte se například na historii Voyagerů.

Ve filmu je poloměr červí díry 1 kilometr, délka skluzu 10 metrů, poloměr čočky je o 50 metrů větší než otvor.

Červí díra je nestabilní a opravdu se chce uzavřít a proměnit ve dvě černé díry.

Čím delší je červí díra, tím více rozmazaných kopií objektů za dírou bude vidět, protože světlo má více způsobů, jak vstoupit do oka (do díry můžete vstoupit z různých úhlů a vystoupit ve stejném bodě).

Aby červí díra zůstala otevřená, potřebujete hodně exotické hmoty s negativní hmotou, aby vytlačila z díry vše na opačné straně. Taková látka teoreticky může existovat, ale najít ji v dostatečném množství na podporu díry je nereálné.

Existuje však druhá možnost, jak červí díry zadržet: musíte použít gravitační síly z páté dimenze. Pokud čtyřrozměrný předmět prorazí naši trojrozměrný prostor, vytváří v něm velmi zvláštní síly, které se nepodobají ničemu jinému. Používají se tedy k držení červí díry.

Gargantua venku

Tato hmotnost je dostatečná k tomu, aby zabránila slapovým silám na Millerově planetě roztrhnout ji na polovinu.

Endurance je zaparkována ve vzdálenosti 10 AU a obíhá rychlostí c/3 (100 000 km/s), v opačném směru, než rotace Gargantua.

Obrázek otvoru:

• Gargantua je vlevo zploštělá, protože se otáčí zleva doprava (vzhledem ke kameře) a světlo pohybující se ve směru rotace má větší šanci, že nebude vtaženo do horizontu událostí.
• Každá hvězda za černou dírou má na obrázku dva obrázky: ten normální, který je daleko od díry, je dán světlem mírně ohnutým gravitací. A za druhé, uvnitř Einsteinovy ​​koule, koule, která vše velmi silně láme, protože je blízko díry. Existuje několik dalších funkcí souvisejících s rotací otvoru, ale těžko je vysvětluji, protože optika není moje nejlepší stránka.

Aby akreční disk nesmažil všechny zaživa všemi možnými paprsky, byl vyroben s teplotou pouhých několika tisíc stupňů, jako Slunce, vyzařuje světlo a velmi málo gama a rentgenových paprsků. Právě kvůli slabosti disku nevytryskují plazmové paprsky z Gargantuy z jižního a severního pólu jako z kvasaru. To je možné, pokud díra po dlouhou dobu „nepožírala“ jiné planety.

To, co na obrázcích září, je disk akrečního plynu.
A vypadá to jako peklo, pochopte co, protože díky gravitační čočce je kousek disku za touto dírou vidět nad i pod černou dírou.

Velmi blízko horizontu událostí Gargantua jsou dvě kritické dráhy tvořené rovnováhou gravitace a odstředivé síly.
Po jedné z nich se pohybuje Mannova planeta a po druhé Endurance na konci filmu.

Pětirozměrný prostor

Pokud existuje pátá (stejně jako šestá, sedmá atd.) dimenze, pak se musí velmi rychle svinout nebo stlačit, jinak se gravitace z našich tří dimenzí bude šířit podle jiných, ne 1/r^2, zákonů.

Prostor v Interstellar se skládá ze tří trojrozměrných bran ve čtyřrozměrném anti-de Sitterově prostoru. Nad i pod naší branou jsou omezující brány, jsou potřeba k tomu, aby se hyperprostor zakřivil mezi vrstvami a nebyly porušeny lidské zákony šíření sil, zejména gravitace. Takže obecně můžete udělat pátou dimenzi rozloženou a ne stočenou do trubky.

Mezi těmito branami je zakřivený hyperprostor a vzdálenost naměřená v horní nebo dolní bráně bude mnohem kratší než v naší bráně.Vzdálenost mezi těmito branami by měla být 1,5 centimetru - to stačí na vzdálenost podél horní brány mezi Zemí a Gargantua se rovnal 1AE a v naší braně byly pozorovány Newtonovy zákony gravitace.

K přistání na planetě Miller, která se otáčí rychlostí 0,55 c, je potřeba provést dva gravitační manévry: nejprve úplně zastavit rotaci Strážce, aby díra přitáhla loď, a před planetou Miller shodit další rychlost c/4 a přistát.

Jak to udělat? Tento není ve filmu uveden, ale Kip naznačuje, že kolem Gargantua se musí otáčet alespoň dvě další malé černé díry o velikosti Země. Pouze tím, že se dostanete do gravitace takových děr, můžete tolik zpomalit a nezabít posádku lodi. Zároveň ve filmu Cooper říká, že potřebuje manévrovat kolem neurální hvězdy, ne černé díry (upřímně si tuto frázi nepamatuji).

Vlny na Millerově planetě jsou způsobeny „houpáním“ planety tam a zpět vzhledem k ose kolmé na Gargantua. Třeba tsunami.

Planeta Miller by se měla nacházet mezi akrečním diskem a Gargantuou. Ale Nolan se rozhodl netočit konec a zinscenoval planetu, jak víte. Planeta je zahřívána akrečním diskem.

Mannova planeta se pohybuje po velmi křivé oběžné dráze rychlostí c/20.

Aby se Cooper dostal na Manninu planetu, musel provést dva gravitační manévry: kolem malé černé díry obíhající Gargantua, pak letět k Mannině planetě rychlostí c/2 a po několika obletech kolem ní snížit rychlost na c/20.

Mraky na planetě Manna jsou tvořeny oxidem uhličitým „suchým ledem“. Na povrchu je obyčejný led. Když planeta Manna letí blíže ke Gargantuovi a jeho disku, oxid uhličitý se vypařuje – tvoří se mraky.

Letí směrem k černé díře

Jak Cooper sebral padající Endurance? Vytáhl ho dostatečně vysoko, aby ho Gargantuova gravitace vytáhla s Cooperem na kritickou oběžnou dráhu. Nezapomeňte, že když Endurance padne na planetu Manna, planeta je velmi blízko Gargantua.

Kritická dráha, kterou Cooper vede loď kolem Gargantua, je pole, ve kterém se odstředivá síla, která vytlačuje loď z oběžné dráhy, a gravitační síla, která loď vtáhne do díry, shodují. Na této oběžné dráze se můžete věčně otáčet kolem Gargantuy, ale s jednou podmínkou: nemůžete se z oběžné dráhy posunout ani o krok, protože loď bude buď odhozena z Gargantuy, nebo spadne do černé díry. Tato oběžná dráha je nestabilní. Stojí za to říci, že oběžná dráha planety Miller je úplně stejná, ale stabilní, je těžké ji opustit.

V poslední době si věda spolehlivě uvědomuje, co je černá díra. Jakmile ale vědci na tento fenomén Vesmíru přišli, padl na ně nový, mnohem složitější a matoucí: supermasivní černá díra, kterou nelze nazvat černou, ale spíše oslnivě bílou. Proč? Ale protože přesně taková je definice středu každé galaxie, která září a září. Ale jakmile se tam dostanete, nezbyde nic kromě tmy. Co je to za hádanku?

Vzpomínka na černé díry

Je jisté, že jednoduchá černá díra je jednou zářící hvězdou. V určité fázi své existence se začal přehnaně zvětšovat, přičemž poloměr zůstal stejný. Jestliže dříve hvězda „expandovala“ a rostla, nyní síly soustředěné v jejím jádru začaly přitahovat všechny ostatní složky. Jeho okraje se „zhroutí“ do středu a vytvoří neuvěřitelný kolaps, ze kterého se stane černá díra. Takový " bývalé hvězdy„již nezáří, ale jsou absolutně navenek neviditelnými objekty vesmíru. Ale jsou velmi nápadné, protože doslova absorbují vše, co spadá do jejich gravitačního poloměru. Není známo, co se za takovým horizontem událostí skrývá. Na základě faktů tak obrovská gravitace doslova rozdrtí každé těleso. V poslední době se však nejen spisovatelé sci-fi, ale i vědci drží myšlenky, že by se mohlo jednat o jakési vesmírné tunely pro cestování na velké vzdálenosti.

Co je to kvasar?

Podobné vlastnosti má supermasivní černá díra, jinými slovy jádro galaxie, které má supervýkonné gravitační pole, které existuje díky své hmotnosti (miliony nebo miliardy slunečních hmot). Princip vzniku supermasivních černých děr nebyl dosud stanoven. Podle jedné verze jsou příčinou tohoto kolapsu příliš stlačená mračna plynu, v nichž se plyn extrémně vybíjí a teplota je neuvěřitelně vysoká. Druhou verzí je zvýšení hmotností různých malých černých děr, hvězd a mraků do jediného gravitačního centra.

Naše galaxie

Supermasivní černá díra ve středu Mléčné dráhy nepatří k nejmocnějším. Faktem je, že samotná galaxie má spirální strukturu, která zase nutí všechny její účastníky, aby byli v neustálém a poměrně rychlém pohybu. Zdá se tedy, že gravitační síly, které by mohly být soustředěny výhradně v kvasaru, se od okraje k jádru rovnoměrně rozptýlí a narostou. Je snadné uhodnout, že v eliptických nebo řekněme nepravidelných galaxiích je tomu naopak. Na „kraji“ je prostor extrémně řídký, planety a hvězdy se prakticky nepohybují. Ale v samotném kvasaru je život doslova v plném proudu.

Parametry kvasaru Mléčné dráhy

Pomocí rádiové interferometrie byli vědci schopni vypočítat hmotnost supermasivní černé díry, její poloměr a gravitační sílu. Jak bylo uvedeno výše, náš kvasar je slabý, je těžké ho nazvat supervýkonným, ale ani sami astronomové nečekali, že skutečné výsledky budou takové. Takže Sagittarius A* (tak se jmenuje jádro) se rovná čtyřem milionům hmotností Slunce. Navíc podle zjevných údajů tato černá díra ani neabsorbuje hmotu a objekty, které jsou v jejím okolí, se nezahřívají. Také poznamenal zajímavý fakt: kvasar je doslova pohřben v oblacích plynu, jehož hmota je extrémně vzácná. Možná právě začíná evoluce supermasivní černé díry naší galaxie a za miliardy let se z ní stane skutečný obr, který bude přitahovat nejen planetární soustavy, ale i další, menší

Bez ohledu na to, jak malá může být hmotnost našeho kvasaru, vědce nejvíce ze všeho zasáhl jeho poloměr. Teoreticky se taková vzdálenost dá ujet za pár let na některém z moderních kosmické lodě. Rozměry supermasivní černé díry jsou o něco větší než průměrná vzdálenost Země od Slunce, konkrétně 1,2 astronomické jednotky. Gravitační poloměr tohoto kvasaru je 10krát menší než hlavní průměr. S takovými indikátory se přirozeně hmota jednoduše nebude moci singularizovat, dokud přímo nepřekročí horizont událostí.

Paradoxní fakta

Galaxie patří do kategorie mladých a nových hvězdokup. Svědčí o tom nejen její věk, parametry a postavení na člověku známý mapa vesmíru, ale také síla, kterou má jeho supermasivní černá díra. Jak se však ukázalo, nejen mláďata mohou mít „vtipné“ parametry Mnoho kvasarů, které mají neuvěřitelnou sílu a gravitaci, překvapuje svými vlastnostmi:

• Obyčejný vzduch je často hustší než supermasivní černé díry.
• Jakmile se tělo dostane na horizont událostí, nezažije slapové síly. Faktem je, že střed singularity je poměrně hluboký, a abyste ho dosáhli, budete muset ujít dlouhou cestu, aniž byste tušili, že už nebude cesty zpět.

Obři našeho vesmíru

Jedním z nejobjemnějších a nejstarších objektů ve vesmíru je supermasivní černá díra v kvasaru OJ 287. Jedná se o celou lacertidu nacházející se v souhvězdí Raka, která je mimochodem ze Země velmi špatně viditelná. Je založen na binárním systému černých děr, proto existují dva horizonty událostí a dva body singularity. Větší objekt má hmotnost 18 miliard slunečních hmot, téměř jako malá plnohodnotná galaxie. Tento společník je statický, rotují pouze předměty, které spadají do jeho gravitačního poloměru. Menší systém váží 100 milionů slunečních hmot a má také oběžnou dobu 12 let.

Nebezpečná čtvrť

Bylo zjištěno, že galaxie OJ 287 a Mléčná dráha jsou sousedy – vzdálenost mezi nimi je přibližně 3,5 miliardy světelných let. Astronomové nevylučují možnost, že se tato dvě kosmická tělesa v blízké budoucnosti srazí a vytvoří složitou hvězdnou strukturu. Podle jedné verze je to právě kvůli přiblížení s takovým gravitačním obrem, že pohyb planetární systémy v naší galaxii neustále zrychluje a hvězdy jsou stále teplejší a aktivnější.

Supermasivní černé díry jsou ve skutečnosti bílé

Hned na začátku článku bylo nastoleno velmi citlivé téma: barvu, ve které se před námi objevují nejmocnější kvasary, lze jen stěží nazvat černou. I ta nejjednodušší fotografie jakékoli galaxie je vidět pouhým okem, že jejím středem je obrovská bílá tečka. Proč si tedy myslíme, že jde o supermasivní černou díru? Fotografie pořízené dalekohledy nám ukazují obrovskou hvězdokupu, která je přitahována k jádru. Planety a asteroidy, které obíhají poblíž, se díky své těsné blízkosti odrážejí, a tím znásobují veškeré světlo přítomné v okolí. Vzhledem k tomu, že kvasary nepřitahují všechny sousední objekty rychlostí blesku, ale pouze je drží v jejich gravitačním poloměru, nezmizí, ale začnou ještě více zářit, protože jejich teplota rychle stoupá. Pokud jde o běžné černé díry, které existují vesmír, pak je jejich název plně oprávněný. Rozměry jsou relativně malé, ale gravitační síla je kolosální. Jednoduše „sežerou“ světlo, aniž by ze svých bank uvolnily jediné kvantum.

Kino a supermasivní černá díra

Gargantua - lidstvo začalo tento termín široce používat ve vztahu k černým dírám poté, co byl propuštěn film „Interstellar“. Při pohledu na tento obrázek je těžké pochopit, proč bylo zvoleno právě toto jméno a kde je souvislost. Ale v původním scénáři plánovali vytvořit tři černé díry, z nichž dvě by se jmenovaly Gargantua a Pantagruel, převzaté ze satirického románu. Po provedení změn zůstala pouze jedna „králičí díra“, pro kterou bylo zvoleno křestní jméno. . Za zmínku stojí, že ve filmu je černá díra zobrazena co nejrealističtěji. Tedy řečeno svým designem vzhled provedl vědec Kip Thorne, který vycházel ze studovaných vlastností těchto vesmírných těles.

Jak jsme se dozvěděli o černých dírách?

Nebýt teorie relativity, kterou na začátku dvacátého století navrhl Albert Einstein, nikdo by těmto záhadným objektům pravděpodobně ani nevěnoval pozornost. Supermasivní černá díra by byla považována za obyčejný shluk hvězd ve středu galaxie a obyčejné, malé by zůstaly zcela bez povšimnutí. Ale dnes, díky teoretickým výpočtům a pozorováním, které potvrzují jejich správnost, můžeme pozorovat takový jev, jako je zakřivení časoprostoru. Moderní vědci říkají, že najít „králičí noru“ není tak obtížné. Kolem takového předmětu se hmota chová nepřirozeně, nejen že se stahuje, ale někdy i září. Kolem černé tečky, která je viditelná dalekohledem, se tvoří jasné halo. V mnoha ohledech nám povaha černých děr pomáhá pochopit historii formování vesmíru. V jejich středu je bod singularity, podobný tomu, ze kterého se dříve vyvinul celý svět kolem nás.

Není jisté, co se může stát člověku, který překročí horizont událostí. Rozdrtí ho gravitace, nebo skončí úplně jinde? Jediné, co lze s naprostou jistotou říci, je, že gargantua zpomaluje čas a v určitém okamžiku se ručička hodin konečně a nenávratně zastaví.

Černé díry nevyzařují světlo, takže jediný způsob, jak vidět Gargantua, je jeho vliv na světlo z jiných objektů. V Mezihvězdný další objekty jsou akreční disk (kapitola 9) a galaxie, ve které sídlí, včetně mlhovin a hojného hvězdného pole. Pro zjednodušení uveďme prozatím pouze hvězdičky.

Gargantua vrhá černý stín na hvězdné pole a také láme paprsky světla z každé hvězdy, čímž deformuje hvězdný vzor viditelný kamerou. Toto zkreslení je gravitační čočka popsaná v kapitole 3.

Obrázek 8.1 ukazuje rychle se točící černou díru (říkejme jí Gargantua) proti hvězdnému poli, jak by se vám zdálo, kdybyste byli v Gargantuově rovníkové rovině. Gargantua's Shadow je zcela černá oblast. Těsně za okrajem stínu je velmi tenký prstenec světla hvězd, nazývaný „ohnivý prstenec“, který jsem ručně vylepšil, aby byl okraj stínu ostřejší. Vně prstence vidíme hustou spršku hvězd v soustředném vzoru vytvořeném gravitační čočkou.

Rýže. 8.1. Hvězdný vzor vytvořený gravitační čočkou kolem rychle rotující černé díry, jako je Gargantua. Při pohledu z dálky je úhlový průměr stínu v radiánech 9 poloměrů Gargantua děleno vzdáleností pozorovatele od Gargantua. [Model pro tuto knihu vytvořil tým vizuálních efektů z Double Negative.]

Jak se kamera pohybuje kolem Gargantua, zdá se, že se hvězdy pohybují. Tento pohyb v kombinaci s čočkou vytváří efektně se měnící světelné vzory. V některých oblastech proudí hvězdy vysoká rychlost, v jiných plynou klidně, v jiných mrznou na místě; podívejte se na video na stránce této knihy na Interstellar.withgoogle.com.

V této kapitole vysvětlím všechny tyto nuance, počínaje stínem a jeho ohnivým kruhem. Poté popíšu, jak byly obrázky černé díry ve skutečnosti získány Mezihvězdný.

Při zobrazování Gargantua v této kapitole ho považuji za rychle se točící černou díru, kterou musí být, aby se zajistila extrémní ztráta času posádky. Vytrvalost ve vztahu k Zemi (kapitola 6). V případě rychlé rotace však může být masové publikum zmateno plochostí levého okraje Gargantuova stínu (obrázek 8.1) a některými zvláštními rysy hvězdného toku a akrečního disku, takže Christopher Nolan a Paul Franklin zvolili nižší rychlost otáčení - 60 procent maxima - pro obrazy Gargantua ve filmu. Viz poslední část v kapitole 9.

Varování: Vysvětlivky v následujících třech částech mohou vyžadovat hodně duševního úsilí; lze je přeskočit, aniž byste ztratili nit zbytku knihy. Není třeba se obávat!

Stín a její ohnivý prsten

Řekněme, že jste na žluté tečce. Bílé paprsky A A B, stejně jako další jim podobné paprsky, vám přinášejí obraz ohnivého kruhu a černé paprsky A A B nést obraz okraje stínu. Například bílý paprsek A vycházející z nějaké hvězdy daleko od Gargantuy se pohybuje dovnitř a uvězní podél vnitřního okraje ohnivé skořápky v rovníkové rovině Gargantua, kde znovu a znovu letí v kruhu, poháněn prostorovým vírem, a pak uniká a dosahuje tvé oči. Black Ray, také podepsán A, pochází z horizontu událostí Gargantua, pohybuje se směrem ven a uvízne na stejném vnitřním okraji ohnivé skořápky, poté unikne a dosáhne vašich očí bok po boku s bílým paprskem A. Bílý paprsek nese obraz kousku tenkého prstence a černý nese obraz kousku okraje stínu. Ohnivá skořápka je zodpovědná za to, že je posune ze strany na stranu a nasměruje je do vašich očí.

Rýže. 8.2. Gargantua ( koule ve středu), jeho rovníková rovina ( modrý), požární granát ( růžové a fialové) a černobílé paprsky nesoucí obraz okraje stínu a tenkého prstence kolem něj.

Podobně pro bílé a černé paprsky B pouze oni uvíznou na vnějším okraji ohnivé skořápky a pohybují se ve směru hodinových ručiček (k prostorovému víru), zatímco paprsky A dostat se do pasti na vnitřní hranici a pohybovat se proti směru hodinových ručiček (a prostorový vír je zachytí). Na obrázku 8.1 je levý okraj stínu zploštělý a pravý okraj zaoblený kvůli skutečnosti, že paprsky A(z levého okraje) pocházejí z vnitřního okraje ohnivé skořápky, velmi blízko horizontu, a paprsky B(z levého okraje) - z vnějšího, který se nachází mnohem dále od horizontu.

Černé paprsky C A D na obrázku 8.2 začínají na obzoru, pohybují se směrem ven a uvíznou na nerovníkových drahách v ohnivé skořápce, pak unikají ze svých pastí a dosáhnou vašich očí, nesou obrazy kousků okraje stínu ležícího mimo rovník. letadlo. Trap paprsku Orbit D zobrazeno na vložce vpravo nahoře. Bílé paprsky S A D(nezobrazeno) přicházející ze vzdálených hvězd jsou uvězněny vedle sebe černými paprsky C A D a pohybujte se k vašim očím vedle sebe C A D, nesoucí obrazy kusů ohnivého prstenu vedle sebe s kusy stínové hrany.

Nerotující čočka s černou dírou

Abychom porozuměli vzoru hvězd lomených gravitační čočkou a jak proudí při pohybu kamery, začněme nerotující černou dírou a světelnými paprsky vycházejícími z jedné hvězdy (obrázek 8.3). Z hvězdy do kamery jdou dva paprsky světla. Každý z nich se v zakřiveném prostoru otvoru pohybuje po nejpřímější dráze, kterou může, ale vlivem zakřivení se každý paprsek ohýbá.

Jeden zakřivený paprsek se pohybuje směrem ke kameře kolem levého okraje stínu, druhý kolem jeho pravého okraje. Každý paprsek nese svůj vlastní obraz hvězdy do kamery. Tyto dva obrázky, jak je vidí kamera, jsou zobrazeny na obrázku 8.3. Zakroužkoval jsem je červeně, abych je odlišil od všech ostatních hvězd viditelných na kameře. Všimněte si, že pravý obrázek je mnohem blíže stínu díry než levý. Je to proto, že jeho zakřivený paprsek prošel blíže k horizontu událostí díry.

Rýže. 8.3. Výše: Zakřivený prostor nerotující černé díry při pohledu z hmoty a dva paprsky světla pohybující se v zakřiveném prostoru od hvězdy k fotoaparátu. Dno: Vzor hvězdy lomený gravitační čočkou, jak ji vidí kamera. [Modeluje Alain Riazuelo; podívejte se na video jeho modelu na www2.iap.fr/users/riazuelo/interstellar.]

Každá druhá hvězda je na obrázku vidět dvakrát, zapnuto opačné strany stíny díry. Poznáte nějaké páry? Stín černé díry na obrázku se skládá ze směrů, ze kterých žádný paprsek nemůže dosáhnout kamery; Podívejte se na trojúhelníkovou oblast označenou „stín“ v horním diagramu. Všechny paprsky, které „chtějí být“ ve stínu, zachytí a pohltí černá díra.

Jak se kamera na své oběžné dráze pohybuje doprava (obrázek 8.3), mění se hvězdný vzor viděný kamerou, jak je znázorněno na obrázku 8.4.

Na tomto obrázku jsou zvýrazněny dvě samostatné hvězdy. Jedna je zakroužkována červeně (stejná hvězda je zakroužkována na obrázku 8.3). Druhý je uvnitř žluté značky. Vidíme dva obrazy každé hvězdy: jeden vně růžového kruhu, jeden uvnitř. Růžový kruh se nazývá „Einsteinův prsten“.

Když se kamera pohybuje doprava, snímky se pohybují po červené a žluté křivce.

Obrazy hvězd mimo Einsteinův prstenec (říkejme jim primární obrazy) se pohybují tak, jak byste očekávali: plynule zleva doprava, ale při pohybu se odchylují od černé díry. (Můžete vysvětlit, proč k odchylce dochází? z díry, a ne směrem k ní?)

Rýže. 8.4. Měnící se vzor hvězdy, který kamera vidí při pohybu doprava na své oběžné dráze na obrázku 8.3. [Modeluje Alain Riazuelo; viz www2.iap.fr/users/riazuelo/interstellar.]

Sekundární obrazy se však uvnitř Einsteinova prstence pohybují neočekávaným způsobem: zdá se, že vystupují z pravého okraje stínu, pohybují se směrem ven do prstence mezi stínem a Einsteinovým prstencem, otáčejí se kolem stínu a couvají dolů. na okraj stínu. To lze pochopit návratem k hornímu obrázku na obrázku 8.3. Pravý paprsek prochází blízko černé díry, takže pravý obraz hvězdy je vedle jejího stínu. Dříve, když byla kamera nalevo, musel pravý paprsek projít ještě blíže k černé díře, aby se více ohnul a dosáhl na kameru, takže pravý snímek byl velmi blízko okraje stín. Naproti tomu v dřívějším časovém okamžiku levý paprsek procházel poměrně daleko od otvoru, takže byl téměř rovný a vytvářel obraz značně vzdálený od stínu.

Nyní, pokud jste připraveni, přemýšlejte o následném pohybu snímků zachycených na obrázku 8.4.

Rychle se otáčející čočka Black Hole: Gargantua

Prostorový vír vytvořený rychlou rotací Gargantua mění gravitační čočku. Vzory hvězd na obrázku 8.1 (Gargantua) vypadají mírně odlišně než ty na obrázku 8.4 (nerotující černá díra) a vzory proudění jsou ještě odlišnější.

V případě Gargantua jet (obrázek 8.5) odhaluje dva Einsteinovy ​​prstence, znázorněné jako růžové křivky. Vně vnějšího prstence hvězdy proudí doprava (například podél dvou červených křivek), jako v případě nerotující černé díry na obrázku 8.4. Prostorový vír však soustředil proudění do úzkých vysokorychlostních pruhů podél zadní hrany stínu díry, které se ostře zakřivily na rovníku. Vír také vytvořil turbulenci v proudu (uzavřené červené křivky).

Sekundární obraz každé hvězdy je viditelný mezi dvěma Einsteinovými prstenci. Každý sekundární obraz se otáčí podél uzavřené křivky (například dvou žlutých křivek) a otáčí se v opačném směru pohybu červeného proudění mimo vnější prstenec.

Rýže. 8.5. Kresba hvězdného proudu viděného kamerou vedle rychle rotující černé díry, jako je Gargantua. V tomto modelu od týmu pro vizuální efekty Double Negative se díra otáčí 99,9 procenta své maximální rychlosti a kamera je na kruhové rovníkové dráze s obvodem šestkrát větším než je obvod horizontu. Podívejte se na video tohoto modelu na stránce této knihy na adrese Interstellar.withgoogle.com.

Na obloze Gargantua jsou dvě velmi zvláštní hvězdy s vypnutou gravitační čočkou. Jedna leží přesně nad severním pólem Gargantuy, druhá leží přesně pod ním. Jižní pól. Jedná se o analogy Polárky, která se nachází přesně nad severním pólem Země. Pěticípé hvězdy jsem umístil na primární (červené) a sekundární (žluté) snímky Gargantuových pólových hvězd. Zdá se, že všechny hvězdy na pozemské obloze se točí kolem Polárky, když jsme rotací Země taženi v kruhu. Podobně v Gargantua se všechny primární snímky hvězd točí kolem červených snímků pólových hvězd, když se kamera pohybuje po oběžné dráze díry, ale jejich orbitální trajektorie (například dvě červené křivky turbulence) jsou značně zkreslené prostorovým vírem a gravitační čočka. Podobně všechny snímky sekundárních hvězd obíhají kolem snímků hvězd žlutého pólu (např. podél dvou zkreslených žlutých křivek).

Proč v případě nerotující černé díry (obrázek 8.4) byly sekundární obrazy vidět, jak vystupují ze stínu černé díry, rotují kolem díry a sestupují zpět do stínu, místo aby se otáčely v uzavřené křivce , jako v případě Gargantua (obrázek 8.5)? Vlastně ano aplikovat podél uzavřené křivky v případě nerotující černé díry. Vnitřní okraj této uzavřené křivky je však tak blízko okraje stínu, že není vidět. Gargantuova rotace vytváří prostorový vír a tento vír tlačí vnitřní Einsteinův prstenec ven, čímž odhaluje vzor úplného obrácení sekundárních obrazů (žluté křivky na obrázku 8.5) a vnitřního Einsteinova prstence.

Uvnitř vnitřního Einsteinova prstence je vzor proudění složitější. Hvězdy v této oblasti jsou terciárními a vyššími snímky všech hvězd ve vesmíru – tytéž, které lze vidět jako primární snímky mimo vnější Einsteinův prstenec a jako sekundární snímky mezi Einsteinovými prstenci.

Na obrázku 8.6 ukazuji pět malých obrázků Gargantuovy rovníkové roviny, přičemž samotná Gargantua je zobrazena černě, dráha kamery růžová a světelný paprsek červeně. Paprsek světla přenáší obraz hvězdy do kamery, která je umístěna na špičce modré šipky. Kamera se pohybuje kolem Gargantua proti směru hodinových ručiček.

Můžete opravdu pochopit gravitační čočku, když si tyto obrázky projdete jeden po druhém. Všimněte si, že skutečný směr hvězdy je nahoru a doprava (podívejte se na vnější konce červených paprsků). Kamera a začátek každého paprsku ukazují na obraz hvězdy. Desátý obrázek je velmi blízko levého okraje stínu a pravý sekundární obrázek je blízko pravého okraje; Porovnáním směrů kamery pro tyto snímky vidíme, že stín zaujímá oblouk o velikosti asi 150 stupňů směrem nahoru. A to i přesto, že skutečný směr od kamery do centra Gargantua je vlevo a nahoru. Čočka posunula stín vzhledem k Gargantuově současné poloze.

Rýže. 8.6. Paprsky světla, které nesou obrazy hvězd na špičkách modrých šipek. (Anglicky: Primary - Primary, Secondary - Secondary, Terciary - Terciary.) [Ze stejného modelu Double Negative jako na obrázcích 8.1 a 8.5.]

Vytváření vizuálních efektů Černé díry a Červí díry Mezihvězdný

Chris chtěl, aby Gargantua vypadal takhle Ve skutečnosti vypadá zblízka jako rychle se točící černá díra, a tak požádal Paula, aby se mnou poradil. Paul mi dal kontakt na tým Mezihvězdný, který dal dohromady ve studiu vizuálních efektů Double Negative v Londýně.

Přišel jsem do šílenství, když jsem úzce spolupracoval s Oliverem Jamesem, hlavním vědcem. Oliver a já jsme mluvili po telefonu a Skype, vyměňovali jsme si e-maily a soubory a osobně jsme se setkali v Los Angeles a v jeho kanceláři v Londýně. Oliverův akademický titul v optice a atomová fyzika a rozumí Einsteinovým zákonům relativity, takže jsme mluvili stejným technickým jazykem.

Někteří z mých kolegů fyziků to již udělali počítačové modely co by pozorovatel viděl, když by obíhal černou díru nebo do ní dokonce padal. Špičkovými odborníky byli Alain Riazuelo z Institut d'Astrophysique v Paříži a Andrew Hamilton z University of Colorado Boulder. Andrew vytvořil video o černých dírách, které je zobrazeno v planetáriích po celém světě, a Alain simuloval černé díry, které se točí velmi, velmi rychle, jako Gargantua.

Takže můj původní plán byl nastavit Olivera s Alainem a Andrewem a požádat je, aby mu poskytli potřebné informace. Několik dní jsem se s tímto rozhodnutím cítil nepříjemně a pak jsem si to rozmyslel.

Během své půlstoleté kariéry fyzika jsem věnoval velké úsilí tomu, abych sám objevoval nové objevy a instruoval studenty, aby objevovali nové. Proč pro změnu nedělat něco jen proto, že je to zábava, říkal jsem si, i když to už udělali jiní přede mnou? Tak jsem se vrhl na tohle "něco". A byla to zábava. A k mému překvapení to (skromně) vedlo k novým objevům jako vedlejší produkt.

Pomocí zákonů relativity a silně čerpajícího z práce předchůdců (zejména Brandona Cartera z Laboratoire Univers et Théories ve Francii a Jeanne Levinové z Kolumbijské univerzity) jsem odvodil rovnice, které Oliver potřeboval. Tyto rovnice počítají trajektorie světelných paprsků vycházejících z nějakého světelného zdroje, jako je vzdálená hvězda, a pohybujících se Gargantuovým zakřiveným prostorem směrem ke kameře. Z těchto paprsků světla pak moje rovnice vypočítávají obrazy, které vidí kamera, přičemž berou v úvahu nejen světelné zdroje a Gargantuovo zkreslení prostoru a času, ale také pohyb kamery kolem Gargantuy.

Jakmile jsem měl tyto rovnice, vyzkoušel jsem je sám pomocí přátelského softwaru nazvaného Mathematica. Porovnal jsem obrázky vytvořené mým počítačovým kódem Mathematica s obrázky Alaina Riazuela, a když souhlasily, byl jsem nadšený. Pak jsem napsal podrobné popisy mé rovnice a poslal je Oliverovi do Londýna spolu s mým kódem Mathematica.

Můj kód byl velmi pomalý a měl nízké rozlišení. Oliverovým úkolem bylo převést mé rovnice do počítačového kódu, který by dokázal produkovat ultra-kvalitní IMAX obrazy potřebné pro film.

Oliver a já jsme to dělali krok za krokem. Začali jsme s nerotující černou dírou a stacionární kamerou. Pak jsme přidali rotaci černé díry. Poté přidali pohyb kamery: nejprve se pohyboval po kruhové dráze a poté spadl do černé díry. A pak jsme střihli na kameru rotující kolem červí díry.

Tady mě Oliver zasáhl jako blesk z čistého nebe: k modelování těch nejjemnějších efektů by potřeboval nejen rovnice, které popisují dráhy světelných paprsků, ale také rovnice, které popisují, jak průřez paprsek světla při průchodu červí dírou mění velikost a tvar.

Víceméně jsem věděl, jak na to, ale rovnice byly strašně nepřehledné a bál jsem se chyb. Tak jsem hledal technická literatura a zjistili, že v roce 1977 obdrželi Serge Pineault a Rob Rouber z University of Toronto potřebné rovnice téměř ve formě, kterou potřebuji. Po třech týdnech boje s vlastní hloupostí jsem jejich rovnice dostal přesně na pravou míru, vyjádřil je v Mathematice a napsal Oliverovi, který je začlenil do svého vlastního počítačového kódu. Nakonec jeho kód dokázal produkovat kvalitní obrázky potřebné pro film.

V Double Negative byl Oliverův počítačový kód jen začátek. Předal ji uměleckému týmu vedeném Eugenie von Tanzelmannovou, která přidala akreční disk (kapitola 9) a vytvořila galaxii na pozadí s hvězdami a mlhovinami, které by čočka Gargantua zkreslila. Její tým pak dodal Vytrvalost, Rangers and Landers a kamerovou animací (měnící se pohyb, směr, zorné pole atd.) a zformoval snímky do velmi přesvědčivých podob: do neuvěřitelných scén, které se ve filmu objevují. Pokračování v kapitole 9.

Mezitím jsem si lámal hlavu nad vysoce kvalitními videi, které mi Oliver a Eugenia poslali, a usilovně jsem se snažil pochopit, proč snímky vypadají tak, jak vypadají, a hvězdná pole proudí tak, jak vypadala. Pro mě jsou tato videa jako experimentální data: odhalují věci, na které bych bez těchto modelů sám nikdy nepřišel – jako to, co jsem popsal v předchozí části (obrázky 8.5 a 8.6). Vydáme technický článek nebo dva popisující, co jsme se naučili.

Vzhled gravitačních závěsů

I když se Chris rozhodl neukázat nic z gravitace Mezihvězdný Přemýšlel jsem, jak by vypadali pro Coopera, když vedl Strážce na Millerovu planetu. Takže jsem použil své rovnice a Mathematica k modelování obrázků. (Moje obrázky mají mnohem nižší rozlišení než Oliver a Eugenie kvůli pomalému kódu.)

Obrázek 8.7 ukazuje sérii snímků, jak jsou vidět z Ranger Cooper, jak je pumpován kolem černé díry. Průměrná hmotnost(CHDSM) zahájit sestup na Millerovu planetu – podle mého vědeckého výkladu Mezihvězdný. Toto je smyčka popsaná na obrázku 7.2.

Obrázek 8.7. Gravitační smyčka kolem ChDSM na pozadí Gargantua [Můj vlastní model a vykreslení.]

Na horním obrázku je Gargantua za ní a BDSM projíždí před ní. HDSM zachycuje paprsky světla ze vzdálených hvězd směřující ke Gargantuovi, otáčí je kolem sebe a vrhá je směrem ke kameře. To vysvětluje koblihu hvězdného světla obklopujícího stín BSSM. Ačkoli je BSSM tisíckrát menší než Gargantua, je mnohem blíže k Ranger než Gargantua, takže se zdá být jen mírně menší.

Jak se závěsná kamera pohybuje doprava, nechává za sebou Gargantuův primární stín (prostřední obrázek na obrázku 8.7) a tlačí před sebe sekundární obraz Gargantuova stínu. Tyto dva snímky jsou přesně stejné jako primární a sekundární snímky hvězdy lomené gravitační čočkou černé díry; ale nyní čočka ChDSM láme stín Gargantua. Na spodním obrázku se velikost sekundárního stínu zmenšuje, jak se BDS pohybuje dále. V tomto okamžiku je gravitační smyčka téměř dokončena a kamera na palubě Strážce se řítí dolů k Millerově planetě.

Jakkoli jsou tyto snímky působivé, lze je vidět pouze v blízkosti BSSM a Gargantua, nikoli z obrovské vzdálenosti k Zemi. Pro astronomy na Zemi jsou nejpůsobivějšími optickými efekty obřích černých děr výtrysky, které z nich vyčnívají, a světlo z třpytivého disku plynu na jejich oběžné dráze. Nyní se na ně obrátíme.