«Интерстеллар»: спецэффекты по науке

6823
6

В российский прокат вышел главный научно-фантастический блокбастер года — космическая сага Кристофера Нолана «Интерстеллар». Мы не могли пройти мимо этого события и пригласили на сеанс Павла Аболмасова, астрофизика из Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга.

Герои фильма, вынужденные оставить умирающую Землю, отправляются на поиски нового дома в далекой галактике. Невесть откуда взявшаяся «кротовая нора» ведет их от окрестностей Сатурна в систему планет, вращающихся вокруг сверхмассивной черной дыры в 10 млрд световых лет от Солнца.

Считается, что сверхмассивные черные дыры имеются в центрах множества галактик, во многом определяя их эволюцию. Есть она и в нашем Млечном Пути, здесь масса ее оценивается в 2–5 млн масс Солнца.

Дыра Гаргантюа

«Когда я узнал, что в работе над фильмом участвовал сам великий Кип Торн, — рассказывает Павел Аболмасов, — мне уже стало интересно. Он приезжал к нам с лекциями, это не только большой эксперт в астрофизике, но и человек с замечательным пониманием основной теории гравитации — Общей Теории Относительности. Уникальность Торна — в том, что, понимая гравитацию, он грамотно ее применяет и к реальным, и к гипотетическим астрофизическим системам — вплоть до тех же кротовых нор». Именно благодаря научным консультациям Кипа Торна черная дыра в фильме демонстрируется с высокой достоверностью. «Жаль только, что появляется она так ненадолго, — расстроился Павел, — я ожидал, будет намного больше».

Вид с круговой экваториальной орбиты вокруг черной дыры, вращающейся на скорости 0,999 от теоретически допустимого максимума. «Камера» находится на расстоянии r = 6,03 GM/c2, где М — масса черной дыры, G — гравитационная постоянная, c — скорость света в вакууме. Горизонт событий черной дыры располагается на r = 1,045 GM/c2.

О размерах черной дыры Гаргантюа в «Интерстеллар» судить довольно сложно. «Если размер планеты раз в сто меньше размера горизонта событий, получается масса около одного миллиона солнечных масс, — добавляет Павел Аболмасов. — Сложно судить по изображениям, может, и больше — примерно как сверхмассивная дыра в центре нашей Галактики». Ее окружает облако раскаленного вещества, падающего в недра дыры. Закручиваясь спиралью и ускоряясь, эта материя раскаляется до невероятных температур, начиная излучать. «На самом деле, львиная часть излучения аккреционного диска приходится на ультрафиолет, и немало — на рентген, — заметил Павел Аболмасов, — поэтому трудно представить, как возможно планировать жизнь в непосредственной близости от черной дыры. Даже за свое космическое путешествие он (герой фильма, фермер и пилот Купер — ред.) получил бы такую дозу радиации, что вряд ли сумел бы выжить».

В одной из сцен фильма российские астрономы заметили кириллическую аббревиатуру ЯБ — по результатам бурного обсуждения на форумах было решено, что она отсылает к великому советскому физику и астрофизику Якову Борисовичу Зельдовичу.

Ярко сияющий аккреционный диск Гаргантюа — главное зрелище «Интерстеллар» — внешне похож на пару перпендикулярных дисков. «Это очень точно показано! — прокомментировал Павел Аболмасов. — Притяжение черной дыры заставляет некоторые фотоны огибать ее, поэтому сверху и снизу мы можем видеть те области, которые на самом деле находятся за ней. За черной дырой невозможно спрятаться».

Если вы успеете уследить за происходящим на экране в те впечатляющие моменты, когда Гаргантюа предстает во всей своей красе, вы заметите еще одну замечательную деталь. Дело в том, что из-за притяжения черной дыры часть фотонов успеет несколько раз обернуться вокруг нее, прежде чем вырвется и улетит прочь. Эти фотоны создают вторичные изображения, которые — при определенной ловкости — становятся видимы вокруг самой черной дыры, внутри ее аккреционного диска.

Неподвижная черная дыра начинает вращаться и достигает скорости 0,999 от теоретически допустимого максимума. «Камера» сближается с ней с расстояния 10GM/c2 до 2,6 GM/c2, после чего выходит на круговую экваториальную орбиту. Тень черной дыры искажена из-за особенностей проекции изображения на плоский экран.

Впрочем, в работе физика Торна и режиссера Кристофера Нолана нашлись и неточности. «В действительности вещество аккреционного диска движется так быстро, что в дело вступают релятивистская аберрация и релятивистский эффект Допплера. Первая делает ярче излучение от приближающегося вещества, второй изменяет его частоту, — добавляет Павел Аболмасов. — Поэтому излучение той стороны диска, которая вращается в нашу сторону, будет выглядеть намного ярче, чем излучение с противоположной. Скорее даже, мы увидим не столько диск, сколько серп — одну его сторону. Видимо, режиссер пожертвовал точностью в пользу зрелищу». Однако строго судить не будем: в конце концов, «Интерстеллар» — не диссертация, а кино, и формальных неточностей в нем предостаточно.

Планеты и сингулярность

Среди экзопланет, которые посещает миссия «Интерстеллар», одна — планета-океан — расположена в опасной близости к Гаргантюа. «Здесь один час как семь лет на Земле», — говорят герои.

Павел Аболмасов улыбается: «Конечно, можно провести точный расчет, но я готов сказать сразу, что для такого сильного замедления времени требуется колоссальная гравитация. Чтобы оно работало, планета должна находиться, фактически, в нескольких метрах, а то и сантиметрах от горизонта событий — на самом «краю» черной дыры. В таком положении она была бы разорвана действием приливных сил в гравитационном поле Гаргантюа, либо просто упала бы под горизонт событий. Интересно, что приливные силы тем больше, чем больше размер тела, на которое они действуют. Поэтому может быть и так, что планету разорвет (или во всяком случае поднимет мощнейшую приливную волну), а человек при этом останется цел».

Планеты-океаны известны современной астрономии. В них могут превратиться ледяные гиганты массой в несколько раз больше Земли, сместившись достаточно близко к своим звездам. Теоретически их существование было предположено достаточно давно, а с конца 2000-х несколько из них обнаружены в наблюдениях.

Впрочем, члены героической экспедиции «Лазарус» в фильме к действию гравитации исключительно устойчивы. Они умудряются проникнуть даже в святая святых черной дыры — сингулярность. Дальше начинается уже чистая фантастика: то, как может выглядеть мир, что с ним будет происходить — и будет ли мир вообще — в сингулярности, пока что неизвестно вовсе.

«Мне интереснее другое, — комментирует Павел Аболмасов, — Мы видим, как притяжение дыры искажает видимое изображение. Но точно так же оно должно искажать и сигналы передатчиков. Непонятно, как они умудряются переговариваться: частоты радиосигналов будут непрерывно меняться, уменьшаясь во столько же раз, во сколько растягивается время. То есть, 1 ГГц в этих обстоятельствах превратится в примерно 16 кГц».

Кротовая нора

Прежде чем попасть в сингулярность и просто приблизиться к черной дыре, герои «Интерстеллар» совершают поразительное путешествие сквозь «кротовую нору». Павел Аболмасов замечает: «Объяснение кротовой норы дано вполне точное, классическое: берем две области пространства-времени и сшиваем».

Кротовая нора, или червоточина — гипотетически предполагающаяся топологическая «деталь» пространства-времени, туннель, соединяющий две его разделенные области. Классическая иллюстрация ее — две точки на листе бумаги, который можно согнуть, наложив их друг на друга. Их соединение и будет кротовой норой, с той лишь разницей, что наш пример — с двумерным листом, а не с реальным четырехмерным пространством-временем.

Надо сказать, что все существующие теоретические модели кротовых нор — а на практике о наблюдениях их пока и речи не идет — требуют использования экзотических форм материи, обладающих отрицательной плотностью энергии.

Считается, что этому соответствует одна лишь темная энергия — субстанция, о которой мы пока что даже не знаем толком, что она из себя представляет. По современным представлениям, темная энергия равномерно распределена по всей Вселенной, и как сконцентрировать ее в одной области, чтобы создать кротовую нору — совершенно непонятно.

Из-за гравитационного линзирования звезды близ черной дыры складываются в весьма необычную картину.

Интересно, что полет сквозь кротовую нору у героев «Интерстеллар» занимает довольно заметное время: они несколько минут несутся сквозь туннель пространства-времени. «В существующих моделях это не так: считается, что глубина червоточины будет примерно равна диаметру ее горловины, — замечает Павел Аболмасов. — При этом гравитационное поле ее сравнимо с полем черной дыры. Кротовая нора с массой Земли будет иметь размеры в несколько сантиметров. А нора размеров, показанных в фильме — минимум несколько сотен метров — должна иметь массу, наверное, как у Солнца. Вряд ли космонавты выдержали бы перегрузки при приближении к ней. Вообще, страшно подумать, что натворило бы тело звездной массы в районе орбиты Сатурна. Но это касается только простейших моделей кротовых нор — в реальности у них могут быть и другие свойства».

Однако общение сквозь кротовую нору вполне возможно, причем двустороннее. Если один автоматический зонд «нырнет» в нее и окажется в другой части Вселенной, он сможет передавать сигналы второму, находящемуся близ кротовой норы с «нашей» стороны, на ее орбите: выход червоточины в трехмерном пространстве будет напоминать сферу. Такую связь налаживают и разведчики в «Интерстеллар» — а насколько им это удалось, узнайте сами — не будем портить всю интригу.

Опыт эйнштейновской относительности времени в «Интерстеллар» передан так, как ни в одном другом фильме.

Нил ДеГрасс Тайсон

«Вообще, надо сказать, что я очень доволен тем, как все показано, — резюмирует Павел Аболмасов. — Достаточно точно, очень зрелищно… Обязательно рекомендую к просмотру коллегам. Главное — люди отправляются к другим планетам, и этот посыл в фильме очень важен. Это должны понять все: человечеству рано или поздно придется осваивать новые миры. Это вопрос выживания в долгосрочной перспективе».