Кип Торн - Интерстеллар: наука за кадром

• Название: Интерстеллар: наука за кадром
• Автор: Кип Торн
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-00057-536-9

Кип Торн, ученый с мировым именем и консультант известной кинокартины Кристофера Нолана «Интерстеллар», в своей книге, глубоко погружаясь в научный мир, подробно объясняет все те невероятные факты о гравитации, черных дырах, пятом измерении и других явлениях, которые визуально воплощены в этом фильме.

Эта книга для всех, кому интересны физика, космос, естественные науки и то, как устроена наша Вселенная. А также для тех, у кого остались вопросы после просмотра фильма «Интерстеллар».

---

Рис. 8.1. Звездное поле вокруг быстровращающейся черной дыры, подобной Гаргантюа, искаженное эффектом гравитационного линзирования. При наблюдении издалека угловой диаметр тени в радианах[40] составит девять радиусов Гаргантюа, деленных на расстояние от наблюдателя до Гаргантюа (Компьютерная модель студии Double Negative, специально для этой книги.)

Когда камера вращается вокруг Гаргантюа, смена ракурса в сочетании с гравитационным линзированием порождает постоянные метаморфозы светового узора. Одни звезды будто бы стремительно летят, другие – медленно плывут, а третьи – стоят на месте: посмотрите видеоролик на сайте Interstellar.withgoogle.com.

В этой главе я расскажу обо всех составляющих внешнего вида Гаргантюа. Начну я с тени и огненного кольца, а затем поведаю о том, каким образом были получены изображения черной дыры в «Интерстеллар».

Напомню, что считаю Гаргантюа быстровращающейся черной дырой, поскольку это необходимо, чтобы вызвать огромные расхождения по времени с Землей, с которыми сталкивается экипаж «Эндюранс» (см. главу 6). Однако в случае дыры, которая вращалась бы действительно быстро, зрителей могло бы смутить уплощение в левой части тени Гаргантюа (рис. 8.1), а также необычное перетекание звездного поля и вид аккреционного диска, поэтому для отображения Гаргантюа в фильме Кристофер Нолан и Пол Франклин решили взять скорость вращения в 60 процентов от максимальной, см. последний параграф главы 9.

Внимание, содержание следующих трех параграфов может потребовать тщательного осмысления; однако не беспокойтесь: вы можете пропустить их без ущерба для понимания остальных частей книги!

Тень и огненное кольцо

Огненная оболочка (см. главу 6) – одна из главных черт во внешем виде Гаргантюа. На рис. 8.2 огненная оболочка – это фиолетовая область, окружающая Гаргантюа, в которой временно заключены лучи света (фотонные орбиты), вроде той, что показана в правом верхнем углу[41].

Рис. 8.2. Гаргантюа (центральный сфероид), ее экваториальная плоскость (изображена голубым), ее огненная оболочка (изображена фиолетовым); черными и белыми линиями обозначены лучи света, формирующие для наблюдателя край тени и тонкое кольцо вокруг нее

Предположим, что вы находитесь в позиции, которая отмечена желтой точкой. Белые лучи A и B и другие им подобные формируют для вас изображение огненного кольца, тогда как черные лучи A и B формируют края тени. Пусть, например, белый луч A идет от далекой звезды, доходит до Гаргантюа и застревает во внутреннем слое огненной оболочки в экваториальной плоскости Гаргантюа, где летает кругами, движимый пространственным вихрем, а затем вырывается наружу и, наконец, доходит до ваших глаз. Черный луч, также помеченный буквой A, идет наружу от горизонта событий Гаргантюа, оказывается заключен все в том же внутреннем слое огненной оболочки, где летает кругами, а затем вырывается наружу и достигает ваших глаз вместе с белым лучом A. Белый луч сформирует для вас часть изображения тонкого кольца, а черный – часть края тени. Огненная оболочка сводит эти лучи вместе и направляет к вашим глазам.

Для белого и черного лучей B все аналогично, с той разницей, что они заключены во внешнем слое огненной оболочки и движутся по часовой стрелке (сопротивляясь пространственному вихрю), тогда как лучи A заключены во внутреннем слое оболочки и движутся против часовой стрелки (влекомые пространственным вихрем). Тень на рис. 8.1 приплюснутая с левого края и округлая с правого из-за лучей A (левый край), исходящих из внутреннего, очень близкого к горизонту слоя огненной оболочки, и лучей B (правый край), исходящих из значительно более удаленного внешнего слоя оболочки.

Черные лучи C и D на рис. 8.2 берут начало от горизонта, двигаются наружу и застревают на неэкваториальных орбитах огненной оболочки. Затем они вырываются с этих орбит и достигают ваших глаз, формируя те участки края тени, которые находятся вне экваториальной плоскости. Орбита «временного заключения» для луча D показана в правом верхнем углу. Белые лучи C и D (на рисунке не показаны) исходят от далеких звезд, застревают там же, где черные лучи C и D, а затем с ними вместе достигают ваших глаз, формируя ту часть огненного кольца, которая находится рядом с краем тени.

Линзирование невращающейся черной дыры

Чтобы разобраться с узором из гравитационно линзированных звезд вокруг тени, а также с мнимым движением звезд при перемещении камеры, рассмотрим сначала невращающуюся черную дыру и лучи света, исходящие от единственной звезды (рис. 8.3). Два луча света исходят от звезды и достигают камеры. Каждый из них стремится следовать по наиболее прямому пути, однако из-за того, что черная дыра искривляет пространство, луч искривляется тоже.

.

Рис. 8.3. Сверху: искривленное пространство вокруг невращающейся черной дыры (взгляд из балка) и два луча, идущих от звезды к камере через искривленное пространство. Снизу: гравитационно линзированный звездный узор, как он виден камере (Моделирование Алена Риасуэло.)

Один искривленный луч движется к камере, огибая дыру с левой стороны, другой – с правой. Каждый из лучей формирует в камере свое отдельное изображение звезды. Эти два изображения показаны на врезке рис. 8.3. Я обвел их красными кружками, чтобы выделить среди прочих видимых камере звезд. Обратите внимание, что правое изображение гораздо ближе к тени черной дыры, чем левое. Причина в том, что путь соответствующего луча проходил ближе к горизонту событий.

Все прочие звезды также видны дважды, по разные стороны от тени. Можете найти парные изображения? Что же касается самой тени черной дыры, она являет собой совокупность направлений, с которых лучи попасть в камеру не могут – см. серую треугольную область с надписью «Тень». Все лучи, «желающие остаться в тени», захватывает и поглощает черная дыра.

По мере того как камера движется слева направо по своей орбите (рис. 8.3), видимый камере звездный узор меняется, как показано на рис. 8.4.

.

Рис. 8.4. Меняющийся звездный узор, видимый камере при ее движении слева направо по орбите, показанной на рис. 8.3 (Моделирование Алена Риасуэло, см. www2.iap.fr/users/riazuelo/interstellar.)

На этом рисунке выделены две звезды. Одна обведена красным (та же звезда, что и на рис. 8.3). Другая находится внутри желтого ромбика. Можно видеть по два изображения каждой звезды: одно – снаружи фиолетовой окружности, другое – внутри ее. Эта фиолетовая окружность называется кольцом Эйнштейна.

По мере того как камера движется направо, изображения звезд движутся вдоль желтой и красной линий.

Те изображения звезд, что находятся за переделами кольца Эйнштейна (назовем их первичными), двигаются ожидаемым образом: постепенно слева направо, однако, приближаясь к черной дыре, они отклоняются от нее. (Можете ответить, почему они отклоняются от дыры, а не к ней?)

Изображения же из второй пары, лежащие внутри кольца Эйнштейна, движутся весьма странным образом: они будто выходят из-за правого края тени, движутся наружу, но, не выходя за кольцо Эйнштейна, плавно поворачиваются к левой стороне тени и приходят к левому ее краю.

Понять, что здесь происходит, можно, обратившись к схеме на рис. 8.3. Правый луч проходит вблизи черной дыры, и правое изображение звезды оказывается рядом с тенью. Раньше, когда камера находилась левее, правый луч проходил еще ближе к дыре (чтобы сильнее изогнуться и достичь камеры), поэтому тогда правое изображение было еще ближе к тени. Левый же луч, напротив, раньше проходил довольно далеко от тени, оставаясь почти прямым, и формировал изображение звезды на отдалении от дыры.

А теперь, если вам все понятно, подумайте, как изображения, показанные на рис. 8.4, станут перемещаться далее.

Линзирование быстровращающейся черной дыры – Гаргантюа

Пространственный вихрь, образующийся из-за огромной скорости вращения Гаргантюа, влияет на гравитационное линзирование. Звездный узор на рис. 8.1 (Гаргантюа) заметно отличается от изображенного на рис. 8.4 (невращающаяся черная дыра), а эффект при движении камеры отличается еще больше.

Для Гаргантюа (рис. 8.5) при движении камеры проявляются два кольца Эйнштейна, обозначенных на рисунке фиолетовыми замкнутыми кривыми. Снаружи внешнего кольца звёзды «движутся» вправо (в частности, вдоль двух пар красных кривых), так же как и для невращающейся черной дыры на рис. 8.4. Однако у заднего края тени пространственный вихрь сжимает поток движения в узкие полосы, которые довольно резко изгибаются у экватора, и ускоряет его. Также вихрь образует в потоке «водовороты» (замкнутые красные кривые).