Η μαύρη τρύπα Gargantua υπάρχει. Απόκοσμη ομορφιά: υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Είναι αλήθεια ότι μια μαύρη τρύπα λυγίζει τον χρόνο;

Οι μαύρες τρύπες δεν εκπέμπουν φως, επομένως ο μόνος τρόπος για να δείτε το Gargantua είναι μέσω της επιρροής του στο φως από άλλα αντικείμενα. ΣΕ Διάστεροςάλλα αντικείμενα είναι ο δίσκος προσαύξησης (Κεφάλαιο 9) και ο γαλαξίας στον οποίο κατοικεί, συμπεριλαμβανομένων των νεφελωμάτων και ενός άφθονο αστρικού πεδίου. Για λόγους απλότητας, ας συμπεριλάβουμε μόνο τα αστέρια προς το παρόν.

Ο Gargantua ρίχνει μια μαύρη σκιά στο αστρικό πεδίο και επίσης διαθλά τις ακτίνες φωτός από κάθε αστέρι, παραμορφώνοντας το μοτίβο αστεριών ορατό στην κάμερα. Αυτή η παραμόρφωση είναι ένας βαρυτικός φακός, που περιγράφεται στο Κεφάλαιο 3.

Το σχήμα 8.1 δείχνει μια ταχέως περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα (ας την ονομάσουμε Gargantua) ενάντια σε ένα αστρικό πεδίο, όπως θα σας φαινόταν αν ήσασταν στο ισημερινό επίπεδο του Gargantua. Το Gargantua's Shadow είναι μια εντελώς μαύρη περιοχή. Ακριβώς πέρα ​​από την άκρη της σκιάς υπάρχει ένας πολύ λεπτός δακτύλιος αστρικού φωτός, που ονομάζεται "δακτύλιος φωτιάς", το οποίο βελτίωσα χειροκίνητα για να κάνω την άκρη της σκιάς πιο ευκρινής. Έξω από το δακτύλιο βλέπουμε έναν πυκνό ψεκασμό αστεριών σε ένα ομόκεντρο σχέδιο που δημιουργείται από τον βαρυτικό φακό.

Ρύζι. 8.1.Ένα μοτίβο αστέρι που δημιουργήθηκε από έναν βαρυτικό φακό γύρω από μια ταχέως περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα όπως ο Gargantua. Όταν παρατηρείται από μακριά, η γωνιακή διάμετρος της σκιάς σε ακτίνια είναι 9 ακτίνες Gargantua διαιρούμενη με την απόσταση του παρατηρητή από Gargantua. [Μοντέλο για αυτό το βιβλίο από την ομάδα οπτικών εφέ στο Double Negative.]

Καθώς η κάμερα κινείται γύρω από το Gargantua, τα αστέρια φαίνεται να κινούνται. Αυτή η κίνηση, σε συνδυασμό με τον φακό, δημιουργεί εντυπωσιακά μεταβαλλόμενα μοτίβα φωτός. Σε ορισμένες περιοχές τα αστέρια ρέουν με μεγάλη ταχύτητα, σε άλλες ρέουν ήρεμα, σε άλλες παγώνουν στη θέση τους. δείτε το βίντεο στη σελίδα αυτού του βιβλίου στη διεύθυνση Interstellar.withgoogle.com.

Σε αυτό το κεφάλαιο εξηγώ όλες αυτές τις αποχρώσεις, ξεκινώντας από τη σκιά και το δαχτυλίδι της φωτιάς. Στη συνέχεια θα περιγράψω πώς ελήφθησαν πραγματικά οι εικόνες της μαύρης τρύπας Διάστερος.

Κατά την απεικόνιση του Gargantua σε αυτό το κεφάλαιο, θεωρώ ότι είναι μια ταχέως περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα, η οποία πρέπει να είναι για να διασφαλιστεί η ακραία απώλεια χρόνου του πληρώματος Αντοχήσε σχέση με τη Γη (Κεφάλαιο 6). Ωστόσο, στην περίπτωση μιας γρήγορης περιστροφής, το μαζικό κοινό μπορεί να μπερδευτεί από την επιπεδότητα του αριστερού άκρου της σκιάς του Gargantua (Εικόνα 8.1) και ορισμένα περίεργα χαρακτηριστικά της αστρικής ροής και του δίσκου προσαύξησης, έτσι ο Christopher Nolan και ο Paul Franklin επέλεξαν ένα χαμηλότερο ταχύτητα περιστροφής - 60 τοις εκατό της μέγιστης - για τις εικόνες του Gargantua στην ταινία. Δείτε την τελευταία ενότητα στο Κεφάλαιο 9.

Προειδοποίηση: Οι επεξηγήσεις στις επόμενες τρεις ενότητες μπορεί να απαιτούν πολλή διανοητική προσπάθεια. μπορούν να παραβλεφθούν χωρίς να χαθεί το νήμα του υπόλοιπου βιβλίου. Δεν χρειάζεται να ανησυχείτε!

Η σκιά και το δαχτυλίδι της φωτιάς

Ας πούμε ότι βρίσκεστε στην κίτρινη κουκκίδα. Λευκές ακτίνες ΕΝΑΚαι σι, καθώς και άλλες ακτίνες σαν αυτές, σας φέρνουν την εικόνα ενός δακτυλίου φωτιάς και μαύρων ακτίνων ΕΝΑΚαι σιμεταφέρετε μια εικόνα της άκρης της σκιάς. Για παράδειγμα, λευκό δοκάρι ΕΝΑπου εκπέμπεται από κάποιο αστέρι μακριά από την Gargantua, κινείται προς τα μέσα και παγιδεύεται κατά μήκος της εσωτερικής άκρης του πύρινου κελύφους στο ισημερινό επίπεδο του Gargantua, όπου πετάει ξανά και ξανά σε κύκλο, οδηγούμενος από μια χωρική δίνη, και στη συνέχεια δραπετεύει και φτάνει τα μάτια σου. Black Ray, επίσης υπογεγραμμένο ΕΝΑ, προέρχεται από τον ορίζοντα γεγονότων του Gargantua, κινείται προς τα έξω και παγιδεύεται στην ίδια εσωτερική άκρη του φλογερού κελύφους, μετά ξεφεύγει και φτάνει στα μάτια σας δίπλα δίπλα με τη λευκή δέσμη ΕΝΑ. Η λευκή δέσμη φέρει την εικόνα ενός κομματιού ενός λεπτού δακτυλίου και η μαύρη την εικόνα ενός κομματιού από την άκρη της σκιάς. Το πύρινο κέλυφος είναι υπεύθυνο να τα φέρει δίπλα-δίπλα και να τα κατευθύνει στα μάτια σας.

Ρύζι. 8.2.Γαργαντούα ( σφαίρα στο κέντρο), το ισημερινό του επίπεδο ( μπλε), πυροσβεστική οβίδα ( ροζ και μωβ) και ασπρόμαυρες ακτίνες που φέρουν την εικόνα της άκρης της σκιάς και του λεπτού δακτυλίου γύρω της.

Ομοίως για λευκές και μαύρες ακτίνες σι, μόνο που πέφτουν σε μια παγίδα στο εξωτερικό όριο του πύρινου κελύφους και κινούνται δεξιόστροφα (κάνοντας το δρόμο τους προς τη χωρική δίνη), ενώ οι ακτίνες ΕΝΑπαγιδεύονται στο εσωτερικό όριο και κινούνται αριστερόστροφα (και η χωρική δίνη τους μαζεύει). Στο σχήμα 8.1, η αριστερή άκρη της σκιάς είναι πεπλατυσμένη και η δεξιά άκρη είναι στρογγυλεμένη λόγω του γεγονότος ότι οι ακτίνες ΕΝΑ(από την αριστερή άκρη) προέρχονται από το εσωτερικό όριο του πύρινου κελύφους, πολύ κοντά στον ορίζοντα, και οι ακτίνες σι(από την αριστερή άκρη) - από το εξωτερικό, που βρίσκεται πολύ πιο μακριά από τον ορίζοντα.

Μαύρες ακτίνες ντοΚαι ρεστο Σχήμα 8.2, ξεκινούν από τον ορίζοντα, κινούνται προς τα έξω και παγιδεύονται σε μη ισημερινές τροχιές σε ένα πύρινο κέλυφος, μετά ξεφεύγουν από τις τροχιές της παγίδας και φτάνουν στα μάτια σας, μεταφέροντας εικόνες από κομμάτια της άκρης της σκιάς που βρίσκονται έξω από τον ισημερινό επίπεδο. Beam Trap Orbit ρεφαίνεται στο ένθετο πάνω δεξιά. Λευκές ακτίνες ΜΕΚαι ρε(δεν φαίνεται) που προέρχονται από μακρινά αστέρια παγιδεύονται δίπλα δίπλα με μαύρες ακτίνες ντοΚαι ρεκαι κινηθείτε προς τα μάτια σας δίπλα-δίπλα με ντοΚαι ρε, μεταφέροντας εικόνες των κομματιών του δακτυλίου φωτιάς δίπλα-δίπλα με τα κομμάτια της άκρης της σκιάς.

Μη περιστρεφόμενος φακός μαύρης τρύπας

Για να κατανοήσουμε το μοτίβο των αστεριών που διαθλώνται από έναν βαρυτικό φακό και πώς ρέουν καθώς κινείται η κάμερα, ας ξεκινήσουμε με μια μη περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα και τις ακτίνες φωτός που προέρχονται από ένα μόνο αστέρι (Εικόνα 8.3). Δύο ακτίνες φωτός πηγαίνουν από το αστέρι στην κάμερα. Καθένα από αυτά κινείται κατά μήκος της πιο ευθύγραμμης διαδρομής που μπορεί στον καμπύλο χώρο της τρύπας, αλλά λόγω της καμπυλότητας κάθε δοκός κάμπτεται.

Η μία καμπύλη δέσμη κινείται προς την κάμερα γύρω από την αριστερή άκρη της σκιάς, η άλλη γύρω από τη δεξιά άκρη της. Κάθε ακτίνα μεταφέρει τη δική της εικόνα του αστεριού στην κάμερα. Αυτές οι δύο εικόνες, όπως φαίνονται από την κάμερα, φαίνονται στο ένθετο στην Εικόνα 8.3. Τα έχω κυκλώσει με κόκκινο χρώμα για να τα διαφοροποιήσω από όλα τα άλλα αστέρια που φαίνονται στην κάμερα. Παρατηρήστε ότι η δεξιά εικόνα είναι πολύ πιο κοντά στη σκιά της τρύπας από την αριστερή. Αυτό συμβαίνει επειδή η καμπύλη δέσμη του πέρασε πιο κοντά στον ορίζοντα γεγονότων της τρύπας.

Ρύζι. 8.3. Πάνω από:Ο καμπύλος χώρος μιας μη περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας όπως φαίνεται από τον όγκο και δύο δέσμες φωτός που κινούνται σε καμπύλο χώρο από το αστέρι στην κάμερα. Κάτω μέρος:Ένα μοτίβο αστέρι που διαθλάται από έναν βαρυτικό φακό όπως φαίνεται από την κάμερα. [Μοντέλα Alain Riazuelo; δείτε το βίντεο του μοντέλου του στο www2.iap.fr/users/riazuelo/interstellar.]

Κάθε άλλο αστέρι είναι ορατό δύο φορές στην εικόνα, στις αντίθετες πλευρές της σκιάς της τρύπας. Μπορείτε να αναγνωρίσετε κανένα ζευγάρι; Η σκιά της μαύρης τρύπας στην εικόνα αποτελείται από κατευθύνσεις από τις οποίες καμία ακτίνα δεν μπορεί να φτάσει στην κάμερα. Κοιτάξτε την τριγωνική περιοχή με την ένδειξη "σκιά" στο επάνω διάγραμμα. Όλες οι ακτίνες που «θέλουν» να είναι στη σκιά πιάνονται και καταπίνονται από μια μαύρη τρύπα.

Καθώς η κάμερα κινείται προς τα δεξιά στην τροχιά της (Εικόνα 8.3), το μοτίβο αστεριών που βλέπει η κάμερα αλλάζει όπως φαίνεται στην Εικόνα 8.4.

Σε αυτήν την εικόνα, επισημαίνονται δύο ξεχωριστά αστέρια. Το ένα είναι κυκλωμένο με κόκκινο (το ίδιο αστέρι κυκλώνεται στην Εικόνα 8.3). Το άλλο είναι μέσα στον κίτρινο μαρκαδόρο. Βλέπουμε δύο εικόνες από κάθε αστέρι: μία έξω από τον ροζ κύκλο, μία μέσα. Ο ροζ κύκλος ονομάζεται «δαχτυλίδι του Αϊνστάιν».

Καθώς η κάμερα κινείται προς τα δεξιά, οι εικόνες κινούνται κατά μήκος της κόκκινης και κίτρινης καμπύλης.

Οι εικόνες των αστεριών έξω από το δακτύλιο του Αϊνστάιν (ας τις ονομάσουμε πρωταρχικές εικόνες) κινούνται όπως θα περιμένατε: ομαλά από αριστερά προς τα δεξιά, αλλά αποκλίνοντας από τη μαύρη τρύπα καθώς κινούνται. (Μπορείτε να εξηγήσετε γιατί συμβαίνει η απόκλιση απότρύπες και όχι προς αυτήν;)

Ρύζι. 8.4.Το μεταβαλλόμενο μοτίβο αστεριών που φαίνεται από την κάμερα καθώς κινείται προς τα δεξιά στην τροχιά της στο Σχήμα 8.3. [Μοντέλα Alain Riazuelo; δείτε www2.iap.fr/users/riazuelo/interstellar.]

Ωστόσο, οι δευτερεύουσες εικόνες, μέσα στο δαχτυλίδι του Αϊνστάιν, κινούνται με απροσδόκητο τρόπο: φαίνονται να αναδύονται από τη δεξιά άκρη της σκιάς, να κινούνται προς τα έξω στον δακτύλιο μεταξύ της σκιάς και του δακτυλίου του Αϊνστάιν, να περιστρέφονται γύρω από τη σκιά και να υποχωρούν. στην άκρη της σκιάς. Αυτό μπορεί να γίνει κατανοητό επιστρέφοντας στην επάνω εικόνα στην Εικόνα 8.3. Η δεξιά δέσμη περνά κοντά στη μαύρη τρύπα, άρα η δεξιά εικόνα του άστρου βρίσκεται δίπλα στη σκιά του. Σε παλαιότερο χρονικό σημείο, όταν η κάμερα ήταν στα αριστερά, η δεξιά δέσμη έπρεπε να περάσει ακόμα πιο κοντά στη μαύρη τρύπα για να λυγίσει περισσότερο και να φτάσει στην κάμερα, έτσι ώστε η δεξιά εικόνα να ήταν πολύ κοντά στην άκρη της σκιά. Αντίθετα, σε παλαιότερη χρονική στιγμή, η αριστερή δέσμη περνούσε αρκετά μακριά από την τρύπα, με αποτέλεσμα να είναι σχεδόν ευθεία και να δημιουργήσει μια εικόνα αρκετά μακριά από τη σκιά.

Τώρα, εάν είστε έτοιμοι, σκεφτείτε την επακόλουθη κίνηση των εικόνων που καταγράφονται στην Εικόνα 8.4.

Ταχέως περιστρεφόμενος φακός μαύρης τρύπας: Gargantua

Η χωρική δίνη που δημιουργείται από την ταχεία περιστροφή του Gargantua αλλάζει τον βαρυτικό φακό. Τα σχέδια των αστεριών στο Σχήμα 8.1 (Gargantua) φαίνονται ελαφρώς διαφορετικά από αυτά στο Σχήμα 8.4 (μη περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα) και τα μοτίβα που ρέουν είναι ακόμη πιο διαφορετικά.

Στην περίπτωση του Gargantua, ο πίδακας (Εικόνα 8.5) αποκαλύπτει δύο δακτυλίους Αϊνστάιν, που φαίνονται ως ροζ καμπύλες. Έξω από τον εξωτερικό δακτύλιο, αστέρια ρέουν προς τα δεξιά (για παράδειγμα, κατά μήκος των δύο κόκκινων καμπυλών), όπως στην περίπτωση της μη περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας στο σχήμα 8.4. Ωστόσο, μια χωρική δίνη συγκέντρωσε τη ροή σε στενές λωρίδες υψηλής ταχύτητας κατά μήκος της ακμής της σκιάς της τρύπας, κυρτώνοντας απότομα στον ισημερινό. Η δίνη δημιούργησε επίσης αναταράξεις στον πίδακα (κλειστές κόκκινες καμπύλες).

Μια δευτερεύουσα εικόνα κάθε αστεριού είναι ορατή ανάμεσα σε δύο δακτυλίους του Αϊνστάιν. Κάθε δευτερεύουσα εικόνα περιστρέφεται κατά μήκος μιας κλειστής καμπύλης (για παράδειγμα, δύο κίτρινες καμπύλες) και περιστρέφεται προς την αντίθετη κατεύθυνση της κόκκινης κίνησης που ρέει έξω από τον εξωτερικό δακτύλιο.

Ρύζι. 8.5.Ένα σχέδιο ενός αστρικού ρεύματος όπως φαίνεται από μια κάμερα δίπλα σε μια ταχέως περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα όπως ο Gargantua. Σε αυτό το μοντέλο από την ομάδα οπτικών εφέ Double Negative, η τρύπα περιστρέφεται στο 99,9 τοις εκατό της μέγιστης ταχύτητάς της και η κάμερα βρίσκεται σε κυκλική ισημερινή τροχιά με περιφέρεια έξι φορές μεγαλύτερη από την περιφέρεια του ορίζοντα. Δείτε ένα βίντεο αυτού του μοντέλου στη σελίδα αυτού του βιβλίου στη διεύθυνση Interstellar.withgoogle.com.

Υπάρχουν δύο πολύ ιδιαίτερα αστέρια στον ουρανό του Gargantua με απενεργοποιημένο τον βαρυτικό φακό. Το ένα βρίσκεται ακριβώς πάνω από τον βόρειο πόλο του Gargantua, το άλλο ακριβώς κάτω από το νότιο πόλο του. Πρόκειται για ανάλογα του Βόρειου Αστέρα, που βρίσκεται ακριβώς πάνω από τον βόρειο πόλο της Γης. Τοποθέτησα πεντάκτινα αστέρια στις κύριες (κόκκινες) και δευτερεύουσες (κίτρινες) εικόνες των πολικών αστεριών του Gargantua. Όλα τα αστέρια στον ουρανό της Γης φαίνονται να περιστρέφονται γύρω από το Βόρειο Αστέρι καθώς τραβιόμαστε σε κύκλο από την περιστροφή της Γης. Ομοίως, στο Gargantua, όλες οι πρωταρχικές εικόνες αστεριών περιστρέφονται γύρω από τις κόκκινες εικόνες των πολικών αστεριών καθώς η κάμερα κινείται κατά μήκος της τροχιάς της τρύπας, αλλά οι τροχιακές τροχιές τους (για παράδειγμα, οι δύο καμπύλες κόκκινων αναταράξεων) παραμορφώνονται πολύ από τη χωρική δίνη και ο βαρυτικός φακός. Ομοίως, όλες οι δευτερεύουσες εικόνες αστεριών περιφέρονται γύρω από τις εικόνες του κίτρινου πολικού αστέρα (π.χ. κατά μήκος δύο παραμορφωμένων κίτρινων καμπυλών).

Γιατί, στην περίπτωση μιας μη περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας (Εικόνα 8.4), φάνηκαν δευτερεύουσες εικόνες να αναδύονται από τη σκιά της μαύρης τρύπας, να περιστρέφονται γύρω από την τρύπα και να κατεβαίνουν πίσω στη σκιά, αντί να περιστρέφονται σε μια κλειστή καμπύλη , όπως στην περίπτωση του Gargantua (Εικόνα 8.5); Στην πραγματικότητα, το κάνουν ισχύουνκατά μήκος μιας κλειστής καμπύλης στην περίπτωση μιας μη περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας. Ωστόσο, η εσωτερική άκρη αυτής της κλειστής καμπύλης είναι τόσο κοντά στην άκρη της σκιάς που δεν φαίνεται. Η περιστροφή του Gargantua δημιουργεί μια χωρική δίνη και αυτή η δίνη σπρώχνει τον εσωτερικό δακτύλιο Αϊνστάιν προς τα έξω, αποκαλύπτοντας το σχέδιο της πλήρους αντιστροφής των δευτερευουσών εικόνων (κίτρινες καμπύλες στο Σχήμα 8.5) και του εσωτερικού δακτυλίου του Αϊνστάιν.

Μέσα στον εσωτερικό δακτύλιο του Αϊνστάιν, το σχέδιο ροής είναι πιο περίπλοκο. Τα αστέρια σε αυτήν την περιοχή είναι εικόνες τριτοβάθμιας και ανώτερης βαθμίδας όλων των αστεριών στο Σύμπαν - τα ίδια που φαίνονται ως πρωτεύουσες εικόνες έξω από τον εξωτερικό δακτύλιο του Αϊνστάιν και ως δευτερεύουσες εικόνες μεταξύ των δακτυλίων του Αϊνστάιν.

Στην Εικόνα 8.6, δείχνω πέντε μικρές εικόνες του ισημερινού επιπέδου του Gargantua, με τον ίδιο τον Gargantua να φαίνεται με μαύρο, την τροχιά της κάμερας σε ροζ και τη δέσμη φωτός σε κόκκινο. Η δέσμη φωτός μεταφέρει την εικόνα ενός αστεριού στην κάμερα, η οποία βρίσκεται στην άκρη του μπλε βέλους. Η κάμερα κινείται γύρω από το Gargantua αριστερόστροφα.

Μπορείτε πραγματικά να καταλάβετε τον βαρυτικό φακό αν διαβάσετε αυτές τις εικόνες μία προς μία. Σημειώστε ότι η πραγματική κατεύθυνση του αστεριού είναι πάνω και προς τα δεξιά (κοιτάξτε τα εξωτερικά άκρα των κόκκινων ακτίνων). Η κάμερα και η αρχή κάθε ακτίνας δείχνουν την εικόνα του αστεριού. Η δέκατη εικόνα είναι πολύ κοντά στο αριστερό άκρο της σκιάς και η δεξιά δευτερεύουσα εικόνα βρίσκεται κοντά στη δεξιά άκρη. Συγκρίνοντας τις κατευθύνσεις της κάμερας για αυτές τις εικόνες, βλέπουμε ότι η σκιά καταλαμβάνει ένα τόξο περίπου 150 μοιρών προς τα πάνω. Αυτό συμβαίνει παρά το γεγονός ότι η πραγματική κατεύθυνση από την κάμερα προς το κέντρο του Gargantua είναι αριστερά και πάνω. Ο φακός μετατόπισε τη σκιά σε σχέση με την παρούσα θέση του Gargantua.

Ρύζι. 8.6.Ακτίνες φωτός που μεταφέρουν εικόνες αστεριών στις άκρες των μπλε βελών. (Αγγλικά: πρωτοβάθμια - πρωτοβάθμια, δευτεροβάθμια - δευτεροβάθμια, τριτοβάθμια - τριτοβάθμια.) [Από το ίδιο μοντέλο Διπλού Αρνητικού όπως στα Σχήματα 8.1 και 8.5.]

Δημιουργία οπτικών εφέ μαύρης τρύπας και σκουληκότρυπας στο Διάστερος

Ο Chris ήθελε ο Gargantua να μοιάζει έτσι στην πραγματικότηταμοιάζει με μια ταχέως περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα από κοντά, έτσι ζήτησε από τον Paul να με συμβουλευτεί. Ο Paul με έφερε σε επαφή με την ομάδα Διάστερος, το οποίο έφτιαξε στο στούντιο οπτικών εφέ Double Negative στο Λονδίνο.

Μπήκα σε φρενίτιδα συνεργαζόμενη στενά με τον Όλιβερ Τζέιμς, τον επικεφαλής επιστήμονα. Ο Όλιβερ και εγώ μιλήσαμε στο τηλέφωνο και στο Skype, ανταλλάξαμε email και αρχεία και συναντηθήκαμε προσωπικά στο Λος Άντζελες και στο γραφείο του στο Λονδίνο. Ο Όλιβερ έχει πτυχία στην οπτική και την ατομική φυσική και κατανοεί τους νόμους της σχετικότητας του Αϊνστάιν, επομένως μιλήσαμε την ίδια τεχνική γλώσσα.

Μερικοί από τους συναδέλφους μου φυσικούς έχουν ήδη φτιάξει μοντέλα υπολογιστών για το τι θα έβλεπε ένας παρατηρητής ενώ θα περιφερόταν σε μια μαύρη τρύπα ή ακόμα και θα πέσει μέσα σε αυτήν. Οι κορυφαίοι ειδικοί ήταν ο Alain Riazuelo από το Institut d'Astrophysique στο Παρίσι και ο Andrew Hamilton από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο Boulder. Ο Andrew δημιούργησε ένα βίντεο για τις μαύρες τρύπες που εμφανίζεται σε πλανητάρια σε όλο τον κόσμο και ο Alain προσομοίωσε μαύρες τρύπες που περιστρέφονται πολύ, πολύ γρήγορα, όπως ο Gargantua.

Οπότε το αρχικό μου σχέδιο ήταν να βάλω τον Όλιβερ με τον Alain και τον Andrew και να τους ζητήσω να του δώσουν τη συμβολή που χρειαζόταν. Ένιωσα άβολα με αυτή την απόφαση για λίγες μέρες και μετά άλλαξα γνώμη.

Κατά τη διάρκεια της μισής καριέρας μου ως φυσικός, έχω αφιερώσει μεγάλη προσπάθεια στο να κάνω ο ίδιος νέες ανακαλύψεις και να καθοδηγώ τους μαθητές να κάνουν νέες ανακαλύψεις. Γιατί όχι, για μια αλλαγή, να κάνω κάτι μόνο και μόνο επειδή είναι διασκεδαστικό, ρώτησα τον εαυτό μου, ακόμα κι αν άλλοι το έχουν κάνει ήδη πριν από εμένα; Οπότε έπεσα πάνω σε αυτό το «κάτι». Και ήταν διασκεδαστικό. Και προς έκπληξή μου, οδήγησε (σεμνά) σε νέες ανακαλύψεις ως υποπροϊόν.

Χρησιμοποιώντας τους νόμους της σχετικότητας και βασιζόμενος σε μεγάλο βαθμό στη δουλειά των προκατόχων (ιδιαίτερα του Brandon Carter του Laboratoire Univers et Théories στη Γαλλία και της Jeanne Levin του Πανεπιστημίου Columbia), έβγαλα τις εξισώσεις που χρειαζόταν ο Oliver. Αυτές οι εξισώσεις υπολογίζουν τις τροχιές των ακτίνων φωτός που ξεκινούν από κάποια πηγή φωτός, όπως ένα μακρινό αστέρι, και κινούνται μέσα από τον καμπύλο χώρο του Gargantua προς την κάμερα. Από αυτές τις ακτίνες φωτός, οι εξισώσεις μου υπολογίζουν στη συνέχεια τις εικόνες που βλέπει η κάμερα, λαμβάνοντας υπόψη όχι μόνο τις πηγές φωτός και την παραμόρφωση του χώρου και του χρόνου από τον Gargantua, αλλά και την κίνηση της κάμερας γύρω από το Gargantua.

Μόλις είχα αυτές τις εξισώσεις, τις δοκίμασα μόνος μου χρησιμοποιώντας ένα φιλικό λογισμικό που ονομάζεται Mathematica. Σύγκρισα τις εικόνες που παράγονται από τον κώδικα του υπολογιστή μου Mathematica με τις εικόνες του Alain Riazuelo και όταν συμφώνησαν, ενθουσιάστηκα. Στη συνέχεια έγραψα λεπτομερείς περιγραφές των εξισώσεών μου και τις έστειλα στον Όλιβερ στο Λονδίνο, μαζί με τον κωδικό μου Mathematica.

Ο κώδικας μου ήταν πολύ αργός και είχε χαμηλή ανάλυση. Η δουλειά του Oliver ήταν να μεταφράσει τις εξισώσεις μου σε κώδικα υπολογιστή που θα μπορούσε να παράγει τις εικόνες IMAX εξαιρετικά υψηλής ποιότητας που απαιτούνται για την ταινία.

Ο Όλιβερ κι εγώ το κάναμε βήμα-βήμα. Ξεκινήσαμε με μια μη περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα και μια σταθερή κάμερα. Στη συνέχεια προσθέσαμε την περιστροφή της μαύρης τρύπας. Στη συνέχεια πρόσθεσαν την κίνηση της κάμερας: πρώτα να κινηθεί σε μια κυκλική τροχιά και μετά να πέσει σε μια μαύρη τρύπα. Και μετά κόβουμε την κάμερα που περιστρέφεται γύρω από τη σκουληκότρυπα.

Εδώ ο Oliver με χτύπησε σαν ένα μπουλόνι από το μπλε: για να μοντελοποιήσει τα πιο διακριτικά εφέ, θα χρειαζόταν όχι μόνο εξισώσεις που να περιγράφουν τις τροχιές των ακτίνων φωτός, αλλά και εξισώσεις που να περιγράφουν πώς η διατομή της δέσμης φωτός αλλάζει μέγεθος και σχήμα καθώς περνά μέσα από τη σκουληκότρυπα .

Λίγο πολύ ήξερα πώς να το κάνω, αλλά οι εξισώσεις ήταν τρομερά μπερδεμένες και φοβόμουν μην κάνω λάθη. Έψαξα λοιπόν την τεχνική βιβλιογραφία και ανακάλυψα ότι το 1977, ο Serge Pineault και ο Rob Rouber από το Πανεπιστήμιο του Τορόντο είχαν αποκτήσει τις απαραίτητες εξισώσεις σχεδόν με τη μορφή που χρειαζόμουν. Μετά από τρεις εβδομάδες παλεύοντας με τη δική μου βλακεία, πήρα τις εξισώσεις τους ακριβώς σωστά, τις εξέφρασα στο Mathematica και τις έγραψα στον Όλιβερ, ο οποίος τις ενσωμάτωσε στον δικό του κώδικα υπολογιστή. Στο τέλος, ο κώδικάς του μπόρεσε να παράγει τις ποιοτικές εικόνες που απαιτούνται για την ταινία.

Στο Double Negative, ο κώδικας υπολογιστή του Oliver ήταν μόνο η αρχή. Το παρέδωσε στην ομάδα τέχνης, με επικεφαλής την Eugenie von Tanzelmann, η οποία πρόσθεσε έναν δίσκο προσαύξησης (Κεφάλαιο 9) και δημιούργησε έναν γαλαξία φόντου με αστέρια και νεφελώματα που θα παραμορφώνονταν από τον φακό Gargantua. Η ομάδα της στη συνέχεια πρόσθεσε Αντοχή, Rangers and Landers και κινούμενα σχέδια με κάμερα (αλλαγή κίνησης, κατεύθυνσης, οπτικού πεδίου κ.λπ.) και διαμόρφωσαν τις εικόνες σε πολύ πειστικές μορφές: σε απίστευτες σκηνές που εμφανίζονται στην ταινία. Συνέχεια στο Κεφάλαιο 9.

Εν τω μεταξύ, μπερδευόμουν τα βίντεο υψηλής ποιότητας που μου είχαν στείλει ο Όλιβερ και η Ευγενία, προσπαθώντας σκληρά να καταλάβω γιατί οι εικόνες έμοιαζαν με τον τρόπο που έμοιαζαν και τα πεδία των αστεριών έρεαν όπως έτρεχαν. Για μένα, αυτά τα βίντεο είναι σαν πειραματικά δεδομένα: αποκαλύπτουν πράγματα που ποτέ δεν θα είχα καταλάβει μόνη μου χωρίς αυτά τα μοντέλα - όπως αυτό που περιέγραψα στην προηγούμενη ενότητα (Εικόνες 8.5 και 8.6). Θα δημοσιεύσουμε ένα ή δύο τεχνικά άρθρα που θα περιγράφουν αυτά που μάθαμε.

Εμφάνιση Gravity Slings

Παρόλο που ο Chris αποφάσισε να μην δείξει κανένα από τα βαρυτικά εξαρτήματα Διάστερος, αναρωτήθηκα πώς θα έμοιαζαν για τον Κούπερ καθώς οδηγούσε τον Ρέιντζερ στον πλανήτη του Μίλερ. Έτσι χρησιμοποίησα τις εξισώσεις μου και το Mathematica για να μοντελοποιήσω τις εικόνες. (Οι εικόνες μου έχουν πολύ χαμηλότερη ανάλυση από αυτές του Oliver και της Eugenie λόγω της βραδύτητας του κώδικά μου.)

Το Σχήμα 8.7 δείχνει μια σειρά εικόνων όπως φαίνεται από το Ranger Cooper καθώς αντλείται γύρω από μια ενδιάμεση μάζα μαύρη τρύπα (IMBH) για να ξεκινήσει την κάθοδό της προς τον πλανήτη του Miller - κατά την επιστημονική μου ερμηνεία Διάστερος. Αυτή είναι η σφεντόνα που περιγράφεται στην Εικόνα 7.2.

Εικόνα 8.7.Η σφεντόνα βαρύτητας γύρω από το ChDSM με φόντο το Gargantua [Το δικό μου μοντέλο και απόδοση.]

Στην επάνω εικόνα, ο Gargantua είναι πίσω της και το BDSM περνάει από μπροστά της. Το HDSM συλλαμβάνει ακτίνες φωτός από μακρινά αστέρια που κατευθύνονται προς τον Gargantua, τις περιστρέφει γύρω του και τις ρίχνει προς την κάμερα. Αυτό εξηγεί το ντόνατ του αστρικού φωτός που περιβάλλει τη σκιά του BSSM. Αν και το BSSM είναι χίλιες φορές μικρότερο από το Gargantua, είναι πολύ πιο κοντά στο Ranger από το Gargantua, επομένως φαίνεται μετρίως μικρότερο.

Καθώς η κάμερα sling κινείται προς τα δεξιά, αφήνει πίσω της την κύρια σκιά του Gargantua (μεσαία εικόνα στην Εικόνα 8.7) και σπρώχνει τη δευτερεύουσα εικόνα της σκιάς του Gargantua μπροστά της. Αυτές οι δύο εικόνες είναι ακριβώς οι ίδιες με τις πρωτεύουσες και δευτερεύουσες εικόνες ενός αστεριού που διαθλάται από τον βαρυτικό φακό μιας μαύρης τρύπας. αλλά τώρα ο φακός του ChDSM διαθλά τη σκιά του Gargantua. Στην κάτω εικόνα, το μέγεθος της δευτερεύουσας σκιάς συρρικνώνεται καθώς το BDS προχωρά περαιτέρω. Σε αυτό το σημείο, η σφεντόνα βαρύτητας έχει σχεδόν ολοκληρωθεί και η κάμερα στο Ranger κατευθύνεται προς τον πλανήτη του Μίλερ.

Όσο εντυπωσιακές κι αν είναι αυτές οι εικόνες, μπορείτε να τις δείτε μόνο κοντά στο BSSM και το Gargantua και όχι από την τεράστια απόσταση από τη Γη. Για τους αστρονόμους στη Γη, τα πιο εντυπωσιακά οπτικά εφέ των γιγάντιων μαύρων τρυπών είναι οι πίδακες που προεξέχουν από αυτές και το φως από τον αστραφτερό δίσκο αερίου στην τροχιά τους. Θα στραφούμε σε αυτούς τώρα.

Το σύμπαν είναι γεμάτο με πολλά μυστήρια. Η δομή και τα χαρακτηριστικά διαφόρων αντικειμένων και η δυνατότητα διαπλανητικών ταξιδιών προσελκύουν την προσοχή όχι μόνο των επιστημόνων, αλλά και των θαυμαστών της επιστημονικής φαντασίας. Φυσικά, η μεγαλύτερη ελκυστικότητα είναι αυτή που έχει μοναδικές ιδιότητες, οι οποίες, λόγω διαφόρων συνθηκών, δεν έχουν μελετηθεί επαρκώς. Τέτοια αντικείμενα περιλαμβάνουν μαύρες τρύπες.

Οι μαύρες τρύπες έχουν πολύ υψηλές πυκνότητες και απίστευτα ισχυρές βαρυτικές δυνάμεις. Ακόμη και οι ακτίνες φωτός δεν μπορούν να ξεφύγουν από αυτά. Αυτός είναι ο λόγος που οι επιστήμονες μπορούν να «δουν» μια μαύρη τρύπα μόνο λόγω της επίδρασης που έχει στον περιβάλλοντα χώρο. Σε άμεση γειτνίαση με μια μαύρη τρύπα, η ύλη θερμαίνεται και κινείται με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Αυτό το αέριο υλικό ονομάζεται δίσκος προσαύξησης, ο οποίος μοιάζει με ένα επίπεδο, φωτεινό σύννεφο. Οι επιστήμονες παρατηρούν την ακτινοβολία ακτίνων Χ από τον δίσκο προσαύξησης χρησιμοποιώντας τηλεσκόπια ακτίνων Χ. Καταγράφουν επίσης την τεράστια ταχύτητα κίνησης των άστρων στις τροχιές τους, η οποία συμβαίνει λόγω της υψηλής βαρύτητας ενός αόρατου αντικειμένου τεράστιας μάζας. Οι αστρονόμοι διακρίνουν τρεις κατηγορίες μαύρων τρυπών:

Μαύρες τρύπες με αστρική μάζα

Μαύρες τρύπες με ενδιάμεση μάζα,

Υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

Ένα αστέρι θεωρείται ότι έχει μάζα που κυμαίνεται από τρεις έως εκατό ηλιακές μάζες. Οι μαύρες τρύπες με εκατοντάδες χιλιάδες έως αρκετά δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες ονομάζονται υπερμεγέθεις. Βρίσκονται συνήθως στο κέντρο των γαλαξιών.

Η δεύτερη ταχύτητα διαφυγής ή ταχύτητα διαφυγής είναι το ελάχιστο που πρέπει να επιτευχθεί για να ξεπεραστεί η βαρυτική έλξη και να υπερβεί την τροχιά ενός δεδομένου ουράνιου σώματος. Για τη Γη, η ταχύτητα διαφυγής είναι έντεκα χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, και για μια μαύρη τρύπα είναι πάνω από τριακόσιες χιλιάδες, τόσο ισχυρή είναι η βαρύτητά της!

Το όριο μιας μαύρης τρύπας ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων. Ένα αντικείμενο που βρίσκεται μέσα του δεν μπορεί πλέον να φύγει από αυτήν την περιοχή. Το μέγεθος του ορίζοντα γεγονότων είναι ανάλογο με τη μάζα της μαύρης τρύπας. Για να δείξουν πόσο τεράστια είναι η πυκνότητα των μαύρων οπών, οι επιστήμονες δίνουν τα ακόλουθα στοιχεία: μια μαύρη τρύπα με μάζα 10 φορές μεγαλύτερη από την ηλιακή θα είχε διάμετρο περίπου 60 km και μια μαύρη τρύπα με τη μάζα της Γης μας θα ήταν μόνο 2 εκ. Αλλά αυτό είναι μόνο θεωρητικός υπολογισμός, αφού οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη εντοπίσει μαύρες τρύπες που δεν έχουν φτάσει σε τρεις ηλιακές μάζες. Ό,τι εισέρχεται στην περιοχή του ορίζοντα γεγονότων κινείται προς τη μοναδικότητα. Μια μοναδικότητα, για να το θέσω απλά, είναι ένα μέρος όπου η πυκνότητα τείνει στο άπειρο. Είναι αδύνατο να σχεδιάσουμε μια γεωδαισιακή γραμμή που εισέρχεται σε αυτήν μέσω μιας βαρυτικής ιδιομορφίας. Μια μαύρη τρύπα χαρακτηρίζεται από μια καμπυλότητα της δομής του χώρου και του χρόνου. Μια ευθεία γραμμή, η οποία στη φυσική αντιπροσωπεύει το μονοπάτι του φωτός στο κενό, γίνεται καμπύλη κοντά σε μια μαύρη τρύπα. Ποιοι φυσικοί νόμοι λειτουργούν κοντά στο σημείο της μοναδικότητας και απευθείας σε αυτό είναι ακόμα άγνωστο. Μερικοί ερευνητές, για παράδειγμα, μιλούν για την παρουσία των λεγόμενων σκουληκότρυπων, ή χωροχρονικών σηράγγων, στις μαύρες τρύπες. Αλλά δεν συμφωνούν όλοι οι επιστήμονες να παραδεχτούν την ύπαρξη τέτοιων σηράγγων σκουληκότρυπας.

Το θέμα των διαστημικών ταξιδιών και των χωροχρονικών τούνελ χρησιμεύει ως πηγή έμπνευσης για συγγραφείς, σεναριογράφους και σκηνοθέτες επιστημονικής φαντασίας. Το 2014 πραγματοποιήθηκε η πρεμιέρα της ταινίας "Interstellar". Μια ολόκληρη ομάδα επιστημόνων εργάστηκε για τη δημιουργία του. Αρχηγός τους ήταν ο διάσημος επιστήμονας, ειδικός στον τομέα της θεωρίας της βαρύτητας και της αστροφυσικής - Kip Stephen Thorne. Αυτή η ταινία θεωρείται μια από τις πιο επιστημονικές μεταξύ των ταινιών επιστημονικής φαντασίας και, κατά συνέπεια, τίθενται υψηλές απαιτήσεις σε αυτήν. Έχει γίνει πολλή συζήτηση σχετικά με το βαθμό στον οποίο διάφορες πτυχές της ταινίας αντιστοιχούν σε επιστημονικά δεδομένα. Εκδόθηκε ακόμη και ένα βιβλίο, «The Science of Interstellar», στο οποίο ο καθηγητής Stephen Thorne εξηγεί διάφορες σκηνές από την ταινία από επιστημονική άποψη. Είπε ότι μεγάλο μέρος της ταινίας βασίζεται τόσο σε επιστημονικά δεδομένα όσο και σε επιστημονικές υποθέσεις. Ωστόσο, υπάρχει και απλώς καλλιτεχνική μυθοπλασία. Για παράδειγμα, η μαύρη τρύπα Gargantua αναπαρίσταται ως ένας φωτεινός δίσκος που κάμπτεται γύρω από το φως. Αυτό δεν έρχεται σε αντίθεση με την επιστημονική γνώση, γιατί... Δεν είναι η ίδια η μαύρη τρύπα που είναι ορατή, αλλά μόνο ο δίσκος προσαύξησης και το φως δεν μπορεί να ταξιδέψει σε ευθεία γραμμή λόγω της ισχυρής βαρύτητας και της καμπυλότητας του διαστήματος.

Η μαύρη τρύπα του Gargantua περιέχει μια σκουληκότρυπα, η οποία είναι μια σκουληκότρυπα ή σήραγγα μέσα στο χώρο και το χρόνο. Η παρουσία τέτοιων σηράγγων σε μαύρες τρύπες είναι απλώς μια επιστημονική υπόθεση, με την οποία πολλοί επιστήμονες δεν συμφωνούν. Είναι καλλιτεχνική φαντασίωση να μπορείς να ταξιδέψεις μέσα από ένα τέτοιο τούνελ και να επιστρέψεις πίσω.

Η μαύρη τρύπα του Gargantua είναι μια φαντασίωση των δημιουργών του Interstellar, η οποία αντιστοιχεί σε μεγάλο βαθμό σε πραγματικά διαστημικά αντικείμενα. Ως εκ τούτου, για τους ιδιαίτερα ένθερμους κριτικούς, θα ήθελα να σας υπενθυμίσω ότι η ταινία είναι τελικά επιστημονική φαντασία και όχι λαϊκή επιστήμη. Δείχνει την ομορφιά και το μεγαλείο του κόσμου που μας περιβάλλει και μας θυμίζει πόσα άλυτα προβλήματα έχουμε ακόμα. Και το να απαιτεί κανείς μια ταινία επιστημονικής φαντασίας να αντικατοπτρίζει με ακρίβεια επιστημονικά αποδεδειγμένα γεγονότα είναι κάπως άδικο και αφελές.

Η επιστήμη

Η πρόσφατα κυκλοφόρησε οπτικά σύλληψη ταινία Inresttellar βασίζεται σε πραγματικές επιστημονικές έννοιες όπως περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες, σκουληκότρυπες και χρονική διαστολή.

Αλλά αν δεν είστε εξοικειωμένοι με αυτές τις έννοιες, μπορεί να μπερδευτείτε λίγο ενώ παρακολουθείτε.

Στην ταινία, μια ομάδα εξερευνητών του διαστήματος πηγαίνει στο εξωγαλαξιακό ταξίδι μέσα από μια σκουληκότρυπα. Από την άλλη πλευρά, βρίσκονται σε ένα διαφορετικό ηλιακό σύστημα με μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα αντί για ένα αστέρι.

Βρίσκονται σε μια κούρσα ενάντια στον χώρο και τον χρόνο για να ολοκληρώσουν την αποστολή τους. Αυτό το είδος διαστημικού ταξιδιού μπορεί να φαίνεται λίγο μπερδεμένο, αλλά βασίζεται σε βασικές αρχές της φυσικής.

Εδώ είναι τα κυριότερα 5 έννοιες της φυσικήςΠράγματα που πρέπει να γνωρίζετε για να κατανοήσετε το Interstellar:

Τεχνητή βαρύτητα

Το μεγαλύτερο πρόβλημα που αντιμετωπίζουμε εμείς οι άνθρωποι κατά τη διάρκεια μακροπρόθεσμων διαστημικών ταξιδιών είναι έλλειψη βαρύτητας. Γεννηθήκαμε στη Γη και το σώμα μας έχει προσαρμοστεί σε ορισμένες συνθήκες βαρύτητας, αλλά όταν βρισκόμαστε στο διάστημα για μεγάλο χρονικό διάστημα, οι μύες μας αρχίζουν να εξασθενούν.

Αυτό το πρόβλημα αντιμετωπίζουν και οι ήρωες της ταινίας Interstellar.

Για να το αντιμετωπίσουν αυτό, οι επιστήμονες δημιουργούν τεχνητή βαρύτητα στο διαστημόπλοιο. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι να περιστρέψετε το διαστημόπλοιο, όπως ακριβώς στην ταινία. Η περιστροφή δημιουργεί μια φυγόκεντρη δύναμη που ωθεί τα αντικείμενα προς τα εξωτερικά τοιχώματα του πλοίου. Αυτή η απώθηση είναι παρόμοια με τη βαρύτητα, μόνο προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Αυτή είναι μια μορφή τεχνητής βαρύτητας που αντιμετωπίζετε όταν οδηγείτε γύρω από μια καμπύλη μικρής ακτίνας και νιώθετε σαν να σας σπρώχνουν προς τα έξω, μακριά από το κεντρικό σημείο της καμπύλης. Σε ένα περιστρεφόμενο διαστημόπλοιο, οι τοίχοι γίνονται το πάτωμά σας.

Περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα στο διάστημα

Οι αστρονόμοι, αν και έμμεσα, έχουν παρατηρήσει στο Σύμπαν μας περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες. Κανείς δεν ξέρει τι βρίσκεται στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας, αλλά οι επιστήμονες έχουν ένα όνομα για αυτό -μοναδικότητα .

Οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες παραμορφώνουν τον χώρο γύρω τους διαφορετικά από τις σταθερές μαύρες τρύπες.

Αυτή η διαδικασία παραμόρφωσης ονομάζεται «αδρανειακός συμπαρασυρόμενος πλαισίου» ή το φαινόμενο Φακός-Thirring και επηρεάζει το πώς θα φαίνεται η μαύρη τρύπα παραμορφώνοντας τον χώρο, και πιο σημαντικό τον χωροχρόνο γύρω του. Η μαύρη τρύπα που βλέπετε στην ταινία είναι αρκετήπολύ κοντά στην επιστημονική αντίληψη.

• Το διαστημόπλοιο Endurance κατευθύνεται προς Gargantua - φανταστική υπερμεγέθη μαύρη τρύπα 100 εκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου.
• Απέχει 10 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη και έχει αρκετούς πλανήτες σε τροχιά γύρω από αυτό. Ο Gargantua περιστρέφεται με το εκπληκτικό 99,8 τοις εκατό της ταχύτητας του φωτός.
• Ο δίσκος προσαύξησης του Garagantua περιέχει αέριο και σκόνη ανάλογα με τη θερμοκρασία της επιφάνειας του Ήλιου. Ο δίσκος τροφοδοτεί τους πλανήτες Gargantua με φως και θερμότητα.

Η περίπλοκη εμφάνιση της μαύρης τρύπας στο φιλμ οφείλεται στο γεγονός ότι η εικόνα του δίσκου προσαύξησης παραμορφώνεται από τον βαρυτικό φακό. Στην εικόνα εμφανίζονται δύο τόξα: το ένα σχηματίζεται πάνω από τη μαύρη τρύπα και το άλλο κάτω από αυτήν.

Τυφλοπόντικα τρύπα

Η σκουληκότρυπα ή η σκουληκότρυπα που χρησιμοποιείται από το πλήρωμα στο Interstellar είναι ένα από τα φαινόμενα της ταινίας που του οποίου η ύπαρξη δεν έχει αποδειχθεί. Είναι υποθετικό, αλλά πολύ βολικό στις πλοκές των ιστοριών επιστημονικής φαντασίας όπου πρέπει να ξεπεράσεις μια μεγάλη διαστημική απόσταση.

Απλώς οι σκουληκότρυπες είναι ένα είδος συντομότερο μονοπάτι στο διάστημα. Οποιοδήποτε αντικείμενο με μάζα δημιουργεί μια τρύπα στο χώρο, που σημαίνει ότι ο χώρος μπορεί να τεντωθεί, να στρεβλωθεί, ακόμη και να διπλωθεί.

Μια σκουληκότρυπα είναι σαν μια πτυχή στο ύφασμα του χώρου (και του χρόνου) που συνδέει δύο πολύ μακρινές περιοχές, κάτι που βοηθά τους ταξιδιώτες στο διάστημα ταξιδεύουν μεγάλες αποστάσεις σε σύντομο χρονικό διάστημα.

Το επίσημο όνομα για μια σκουληκότρυπα είναι «γέφυρα Αϊνστάιν-Ρόζεν», όπως προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν και τον συνάδελφό του Νέιθαν Ρόζεν το 1935.

• Στα δισδιάστατα διαγράμματα, το στόμιο μιας σκουληκότρυπας εμφανίζεται ως κύκλος. Ωστόσο, αν μπορούσαμε να δούμε τη σκουληκότρυπα, θα έμοιαζε με σφαίρα.
• Στην επιφάνεια της σφαίρας, θα ήταν ορατή μια βαρυτικά παραμορφωμένη άποψη του χώρου στην άλλη πλευρά της «τρύπας».
• Οι διαστάσεις της σκουληκότρυπας στο φιλμ: 2 km σε διάμετρο και η απόσταση μεταφοράς είναι 10 δισεκατομμύρια έτη φωτός.

Διαστολή βαρυτικού χρόνου

Η βαρυτική διαστολή του χρόνου είναι ένα πραγματικό φαινόμενο που παρατηρείται στη Γη. Προκύπτει επειδή συγγενής του χρόνου. Αυτό σημαίνει ότι ρέει διαφορετικά για διαφορετικά συστήματα συντεταγμένων.

Όταν βρίσκεστε σε ένα ισχυρό βαρυτικό περιβάλλον, ο χρόνος κυλά πιο αργά για εσάςσε σύγκριση με ανθρώπους σε αδύναμο βαρυτικό περιβάλλον.

Μόλις βρεθεί στη μακρινή πλευρά της σκουληκότρυπας, το διαστημόπλοιο εισέρχεται σε ένα σύστημα τριών πλανητών που περιστρέφεται γύρω από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που οι ερευνητές ονομάζουν Gargantua. Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, με μάζες που κυμαίνονται από ένα εκατομμύριο έως αρκετά δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες, πιστεύεται ότι κατοικούν στους πυρήνες όλων των γαλαξιών. Είναι πιθανό ότι στο κέντρο του Γαλαξία μας υπάρχει ένα τέτοιο αντικείμενο - ο Τοξότης Α, του οποίου η μάζα υπερβαίνει τα 4 εκατομμύρια ηλιακές μάζες (4,31 106 M;). Σύμφωνα με τον Thorne, η Gargantua είναι πιο πιθανό να είναι παρόμοια με την ακόμη πιο τεράστια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που πιστεύεται ότι βρίσκεται στον πυρήνα του νεφελώματος της Ανδρομέδας, το οποίο υπολογίζεται σε 100 εκατομμύρια ηλιακές μάζες (1,1–2,3, 108 M;). Το μέγεθός του είναι περίπου ανάλογο με τη μάζα του και η ακτίνα ενός τέτοιου γίγαντα θα κάλυπτε την τροχιά της Γης γύρω από τον Ήλιο.
Τέτοιες τεράστιες μαύρες τρύπες δεν είναι φανταστική υπερβολή, αφού έχουμε δεδομένα παρατήρησης που επιβεβαιώνουν την ύπαρξη τέτοιων «τερατωδών» μαύρων τρυπών σε μακρινούς γαλαξίες (Behemoth). Η μεγαλύτερη μαύρη τρύπα που έχει ανακαλυφθεί μέχρι στιγμής βρίσκεται στον γαλαξία NGC 1277, που βρίσκεται 250 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Η μάζα του μπορεί να υπολογιστεί στα 17 δισεκατομμύρια ηλιακά, και το μέγεθός του είναι συγκρίσιμο με την τροχιά του Ποσειδώνα.
Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό του Gargantua είναι ότι είναι μια μαύρη τρύπα που περιστρέφεται γρήγορα. Όλα τα αντικείμενα στο Σύμπαν, εξαιρουμένου του ίδιου του Σύμπαντος, τείνουν να περιστρέφονται. Φυσικά, περιστρέφονται και οι μαύρες τρύπες, κάτι που περιγράφεται από τη γεωμετρία Kerr. Το τελευταίο εξαρτάται από δύο παραμέτρους: τη μάζα της μαύρης τρύπας (M) και τη γωνιακή ορμή (J). Μια σημαντική διαφορά από τα συνηθισμένα αστέρια, που περιστρέφονται διαφορετικά, είναι ότι οι μαύρες τρύπες, σύμφωνα με τον Kerr, περιστρέφονται με ασυνήθιστη σταθερότητα: όλα τα σημεία στη συμβατική τους επιφάνεια (ορίζοντας γεγονότων) περιστρέφονται με την ίδια γωνιακή ταχύτητα. Ωστόσο, υπάρχει μια περιοριστική γωνιακή ορμή Jmax πάνω από την οποία θα εξαφανιστεί ο ορίζοντας γεγονότων: αυτός ο περιορισμός αντιστοιχεί στο γεγονός ότι η ταχύτητα περιστροφής του ορίζοντα θα είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός. Σε μια τέτοια μαύρη τρύπα, που ονομάζεται «ακραία» μαύρη τρύπα, το βαρυτικό πεδίο στον ορίζοντα γεγονότων θα εξαφανιστεί επειδή η εσωτερική επιρροή της βαρύτητας θα αντισταθμιστεί από τις τεράστιες απωστικές φυγόκεντρες δυνάμεις. Ωστόσο, είναι πολύ πιθανό οι περισσότερες μαύρες τρύπες στο Σύμπαν να έχουν γωνιακή ορμή αρκετά κοντά στην οριακή. Για παράδειγμα, μια τυπική μαύρη τρύπα αστρικής μάζας (περίπου 3 ηλιακής μάζας) που θεωρείται ότι είναι ο μηχανισμός οδήγησης σε δυαδικές πηγές ακτίνων Χ θα περιστρέφεται με 5000 στροφές ανά δευτερόλεπτο. Πιθανώς, η μαύρη τρύπα Gargantua που εμφανίζεται στο Interstellar έχει γωνιακή ορμή 10 προς τη -10η ισχύ κοντά στην οριακή Jmax. Ακόμα κι αν αυτό είναι θεωρητικά δυνατό, αυτή η διαμόρφωση εξακολουθεί να φαίνεται μη ρεαλιστική από φυσική άποψη. Επειδή όσο πιο γρήγορα περιστρέφεται μια μαύρη τρύπα, τόσο πιο δύσκολο είναι να σύρετε την ύλη που περιστρέφεται προς την ίδια κατεύθυνση υπό την επίδραση φυγόκεντρων δυνάμεων, ενώ η ύλη που περιστρέφεται προς την αντίθετη κατεύθυνση «αναρροφάται» εύκολα στη μαύρη τρύπα, επιβραδύνοντας την περιστροφή. Κατά συνέπεια, μια μαύρη τρύπα που περιστρέφεται πολύ γρήγορα θα τείνει να επιβραδύνει σε ταχύτητα ισορροπίας μικρότερη από αυτή του Gargantua (σύμφωνα με σχετικιστικούς γενικούς υπολογισμούς, οι μαύρες τρύπες δεν πρέπει να περιστρέφονται ταχύτερα από 0,998 Jmax). Ωστόσο, το πλεονέκτημα των πολύ γρήγορα περιστρεφόμενων μαύρων τρυπών είναι ότι οι πλανήτες μπορούν να περιφέρονται πολύ κοντά στον ορίζοντα γεγονότων χωρίς να πέσουν κάτω από αυτόν. Αυτό είναι ένα βασικό σημείο στην ταινία και επιτρέπει επίσης πολύ ισχυρή χρονική διαστολή.
Για μια μαύρη τρύπα Schwarzschild (δηλαδή, για μια τρύπα με γωνιακή ορμή J=0), η σταθερή εσωτερική κυκλική τροχιά στην οποία οποιοδήποτε αντικείμενο θα σπειροειδής και θα συντριβεί στη μαύρη τρύπα βρίσκεται σε απόσταση τριών ακτίνων της ίδιας της μαύρης τρύπας . Για μια μαύρη τρύπα με μάζα ίση με 100 εκατομμύρια ηλιακές μάζες, αυτή η απόσταση θα ήταν περίπου 900 εκατομμύρια χιλιόμετρα, ελαφρώς μεγαλύτερη από την απόσταση από τον Δία στον Ήλιο. Αλλά για μια μαύρη τρύπα Kerr που περιφέρεται πολύ κοντά στο περιοριστικό Jmax, μια σταθερή εσωτερική κυκλική τροχιά θα μπορούσε να είναι τόσο κοντά όσο ο ίδιος ο ορίζοντας γεγονότων, μόνο 100 εκατομμύρια χιλιόμετρα. Αυτό εξηγεί γιατί στο Interstellar, ο πλανήτης του Miller μπορεί να περιφέρεται ακριβώς πάνω από τον ορίζοντα γεγονότων χωρίς να πέφτει.
Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι η μαύρη τρύπα Kerr δεν είναι μια κορυφή που περιστρέφεται στο ακίνητο εξωτερικό διάστημα. περιστρεφόμενο, κρατά ολόκληρο τον καμβά του χωροχρόνου μαζί με τον εαυτό του. Κατά συνέπεια, ο πλανήτης του Μίλερ θα πρέπει να περιστρέφεται με ταχύτητα κοντά σε αυτή του φωτός.

Μια μαύρη τρύπα προκύπτει από την κατάρρευση ενός υπερμεγέθους αστέρα του οποίου ο πυρήνας τελειώνει από καύσιμα για μια πυρηνική αντίδραση. Καθώς ο πυρήνας συμπιέζεται, η θερμοκρασία του πυρήνα αυξάνεται και φωτόνια με ενέργεια μεγαλύτερη από 511 keV συγκρούονται και σχηματίζουν ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, γεγονός που οδηγεί σε καταστροφική μείωση της πίεσης και περαιτέρω κατάρρευση του άστρου υπό την επίδραση του δική της βαρύτητα.

Ο αστροφυσικός Ethan Siegel δημοσίευσε το άρθρο «The Largest Black Hole in the Known Universe», στο οποίο συνέλεξε πληροφορίες σχετικά με τη μάζα των μαύρων τρυπών σε διαφορετικούς γαλαξίες. Απλώς αναρωτιέμαι: πού είναι το πιο μαζικό από αυτά;

Δεδομένου ότι τα πυκνότερα σμήνη αστεριών βρίσκονται στο κέντρο των γαλαξιών, τώρα σχεδόν κάθε γαλαξίας έχει μια τεράστια μαύρη τρύπα στο κέντρο του, που σχηματίστηκε μετά τη συγχώνευση πολλών άλλων. Για παράδειγμα, στο κέντρο του Γαλαξία μας υπάρχει μια μαύρη τρύπα με μάζα περίπου 0,1% του γαλαξία μας, δηλαδή 4 εκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου.

Είναι πολύ εύκολο να προσδιοριστεί η παρουσία μιας μαύρης τρύπας μελετώντας την τροχιά των άστρων που επηρεάζονται από τη βαρύτητα ενός αόρατου σώματος.

Αλλά ο Γαλαξίας είναι ένας σχετικά μικρός γαλαξίας, ο οποίος δεν μπορεί να έχει τη μεγαλύτερη μαύρη τρύπα. Για παράδειγμα, όχι μακριά από εμάς στο σμήνος της Παρθένου υπάρχει ένας γιγάντιος γαλαξίας που ονομάζεται Messier 87 - είναι περίπου 200 φορές μεγαλύτερος από τον δικό μας.

Έτσι, από το κέντρο αυτού του γαλαξία, εκρήγνυται ένα ρεύμα ύλης μήκους περίπου 5000 ετών φωτός (εικόνα). Είναι μια τρελή ανωμαλία, γράφει ο Ethan Siegel, αλλά φαίνεται πολύ ωραίο.

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μόνο μια μαύρη τρύπα μπορεί να εξηγήσει μια τέτοια «έκρηξη» από το κέντρο του γαλαξία. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η μάζα αυτής της μαύρης τρύπας είναι περίπου 1.500 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα της μαύρης τρύπας στον Γαλαξία μας, δηλαδή περίπου 6,6 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες.

Πού βρίσκεται όμως η μεγαλύτερη μαύρη τρύπα στο Σύμπαν; Αν υποθέσουμε ότι στο κέντρο σχεδόν κάθε γαλαξία υπάρχει ένα τέτοιο αντικείμενο με μάζα 0,1% της μάζας του γαλαξία, τότε πρέπει να βρούμε τον πιο ογκώδη γαλαξία. Οι επιστήμονες μπορούν επίσης να απαντήσουν σε αυτό το ερώτημα.

Ο πιο ογκώδης γαλαξίας που γνωρίζουμε είναι ο IC 1101 στο κέντρο του σμήνους Abell 2029, το οποίο είναι 20 φορές πιο μακριά από τον Γαλαξία από το σμήνος της Παρθένου.

Στο IC 1101, η απόσταση από το κέντρο μέχρι το πιο μακρινό άκρο είναι περίπου 2 εκατομμύρια έτη φωτός. Το μέγεθός του είναι διπλάσια από την απόσταση από τον Γαλαξία στον πλησιέστερο γαλαξία της Ανδρομέδας. Η μάζα είναι σχεδόν ίση με τη μάζα ολόκληρου του συμπλέγματος της Παρθένου!

Εάν υπάρχει μια μαύρη τρύπα στο κέντρο του IC 1101 (και θα έπρεπε να υπάρχει), τότε θα μπορούσε να είναι η πιο ογκώδης στο γνωστό Σύμπαν.

Ο Ίθαν Σίγκελ λέει ότι μπορεί να κάνει λάθος. Ο λόγος είναι ο μοναδικός γαλαξίας NGC 1277. Αυτός δεν είναι πολύ μεγάλος γαλαξίας, λίγο μικρότερος από τον δικό μας. Αλλά μια ανάλυση της περιστροφής της έδειξε ένα απίστευτο αποτέλεσμα: η μαύρη τρύπα στο κέντρο είναι 17 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες, και αυτό είναι όσο το 17% της συνολικής μάζας του γαλαξία. Αυτό είναι ένα ρεκόρ για την αναλογία της μάζας μιας μαύρης τρύπας προς τη μάζα ενός γαλαξία.

Υπάρχει άλλος ένας υποψήφιος για το ρόλο της μεγαλύτερης μαύρης τρύπας στο γνωστό Σύμπαν. Φαίνεται στην επόμενη φωτογραφία.

Το παράξενο αντικείμενο OJ 287 ονομάζεται blazar. Τα Blazars είναι μια ειδική κατηγορία εξωγαλαξιακών αντικειμένων, ένας τύπος κβάζαρ. Διακρίνονται από πολύ ισχυρή εκπομπή, η οποία στην OJ 287 ποικίλλει με κύκλο 11-12 ετών (με διπλή αιχμή).

Σύμφωνα με τους αστροφυσικούς, το OJ 287 περιλαμβάνει μια υπερμεγέθη κεντρική μαύρη τρύπα, η οποία βρίσκεται σε τροχιά από μια άλλη μικρότερη μαύρη τρύπα. Με 18 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες, η κεντρική μαύρη τρύπα είναι η μεγαλύτερη που είναι γνωστή μέχρι σήμερα.

Αυτό το ζευγάρι μαύρων οπών θα είναι ένα από τα καλύτερα πειράματα για να δοκιμαστεί η γενική θεωρία της σχετικότητας, δηλαδή η παραμόρφωση του χωροχρόνου που περιγράφεται στη Γενική Σχετικότητα.

Λόγω σχετικιστικών επιδράσεων, το περιήλιο της μαύρης τρύπας, δηλαδή το σημείο της τροχιάς της που βρίσκεται πιο κοντά στην κεντρική μαύρη τρύπα, θα πρέπει να μετατοπίζεται κατά 39° ανά περιστροφή! Συγκριτικά, το περιήλιο του Ερμή έχει μετατοπιστεί μόνο κατά 43 δευτερόλεπτα του τόξου ανά αιώνα.