Черная дыра гаргантюа википедия – Линзирование быстровращающейся черной дыры – Гаргантюа. Интерстеллар: наука за кадром

Содержание

Сверхмассивная чёрная дыра — Википедия

Изображение тени сверхмассивной чёрной дыры в ядре галактики M 87, полученное в радиодиапазоне, с помощью Event Horizon Telescope (2019)
Сверху: сверхмассивная чёрная дыра, поглощающая звезду, в представлении художника. Снизу: изображения, предположительно показывающие сверхмассивную чёрную дыру в галактике RXJ 1242-11. Слева: в рентгеновском излучении. Справа: в оптическом диапазоне.[1]

Сверхмасси́вная чёрная дыра́ — это чёрная дыра с массой 105—1011масс Солнца. Сверхмассивные чёрные дыры обнаружены в центре многих галактик, включая Млечный Путь[2].

Сверхмассивные чёрные дыры имеют специфические свойства, отличающие их от меньших чёрных дыр:

  • Парадоксально, но средняя плотность сверхмассивной чёрной дыры (вычисляемая путём деления массы чёрной дыры на её объём Шварцшильда) может быть очень мала (даже меньше плотности воздуха[3]). Это объясняется тем, что радиус Шварцшильда прямо пропорционален массе, а плотность — обратно пропорциональна объёму (то есть в данном случае плотность обратно пропорциональна радиусу Шварцшильда). Так как объём сферического объекта (например, горизонта событий невращающейся чёрной дыры) прямо пропорционален кубу радиуса. В результате средняя плотность чёрной дыры уменьшается с увеличением её массы:
ρ=3c632πM2G3.{\displaystyle \rho ={\frac {3\,c^{6}}{32\pi M^{2}G^{3}}}.}
  • Приливные силы около горизонта событий значительно слабее из-за того, что центральная сингулярность расположена так далеко от горизонта, что гипотетический космонавт, путешествующий к центру чёрной дыры, не почувствует воздействия экстремальных приливных сил до тех пор, пока не погрузится в неё очень глубоко.

\rho ={\frac {3\,c^{6}}{32\pi M^{2}G^{3}}}. Сверхмассивная чёрная дыра и её аккреционный диск в представлении художника.

Общепринятой теории образования чёрных дыр такой массы ещё нет. Существует несколько гипотез, наиболее очевидной из которых является гипотеза, описывающая постепенное наращивание массы чёрной дыры аккрецией вещества на чёрную дыру звёздной массы. Другая гипотеза предполагает, что сверхмассивные чёрные дыры образуются при коллапсе больших газовых облаков и при их превращении в релятивистскую звезду массой в несколько сотен тысяч солнечных масс или больше. Такая звезда быстро становится нестабильной к радиальным возмущениям в связи с процессами образования электронно-позитронных пар, происходящими в её ядре, и может сколлапсировать сразу в чёрную дыру. При этом коллапс идёт минуя стадию сверхновой, при которой взрыв разбросал бы большую часть массы, не позволив образоваться сверхмассивной чёрной дыре. Ещё одна модель предполагает, что сверхмассивные чёрные дыры могли образоваться в результате коллапса плотных звёздных кластеров, когда отрицательная теплоёмкость системы приводит дисперсию скорости в ядре к релятивистским значениям. Наконец, первичные чёрные дыры могли образоваться из начальных возмущений сразу после Большого взрыва.

Трудность образования сверхмассивной чёрной дыры заключается в том, что достаточное для этого количество вещества должно быть сконцентрировано в относительно небольшом объёме. Для этого у материи должен быть очень малый начальный угловой момент — то есть медленное вращение. Обычно скорость аккреции на чёрную дыру ограничена именно угловым моментом падающей материи, который должен быть в основном передан обратно наружу, что и ограничивает скорость роста массы чёрной дыры (см. аккреционный диск).

В наблюдаемом списке кандидатов в чёрные дыры есть провал в распределении масс. Есть чёрные дыры звёздных масс, образующиеся в результате коллапса звёзд, массы которых простираются, вероятно, до 33 солнечных масс. Минимальная же масса сверхмассивных чёрных дыр лежит в районе 105 солнечных масс (при максимальном значении — не более 5·1010 солнечных масс[4]). Самая массивная из обнаруженных чёрных дыр SDSS J140821.67+025733.2 имеет массу 1.96 1011солнечных масс[5]. Между этими значениями должны лежать чёрные дыры промежуточных масс, но такая чёрная дыра (HLX-1, обнаруженная австралийским радиотелескопом CSIRO 9 июля 2012 года) пока известна лишь в единственном экземпляре[6], что является аргументом в пользу различных механизмов образования лёгких и тяжёлых чёрных дыр. Некоторые астрофизические модели[7], однако, объясняют характерные особенности сверхъярких рентгеновских источников, как содержащих именно такие чёрные дыры (промежуточных масс).

Обнаружение сверхмассивных чёрных дыр[править | править код]

В настоящее время единственный достоверный способ отличить чёрную дыру от объекта другого типа состоит в том, чтобы измерить массу и размеры объекта и сравнить его радиус с гравитационным радиусом, который задаётся формулой

 Rg=2GMc2{\displaystyle \ R_{g}={2GM \over c^{2}}},

где  G{\displaystyle \ G} — гравитационная постоянная,  M{\displaystyle \ M} — масса объекта,  c{\displaystyle \ c} — скорость света.

К сожалению, сегодня разрешающая способность телескопов недостаточна для того, чтобы различать области пространства размером порядка гравитационного радиуса чёрной дыры. Поэтому в идентификации сверхмассивных чёрных дыр есть определённая степень допущения. Считается, что установленный верхний предел размеров этих объектов недостаточен, чтобы рассматривать их как скопления белых или коричневых карликов, нейтронных звёзд, чёрных дыр обычной массы.

Существует множество способов определить массу и ориентировочные размеры сверхмассивного тела, однако большинство из них основано на измерении характеристик орбит вращающихся вокруг них объектов (звёзд, радиоисточников, газовых дисков). В самом простейшем и достаточно часто встречающемся случае обращение происходит по кеплеровским орбитам, о чём говорит пропорциональность скорости вращения спутника квадратному корню из большой полуоси орбиты:

 V=GMr{\displaystyle \ V={\sqrt {GM \over r}}}.

В этом случае масса центрального тела находится по известной формуле

 M=V2rG{\displaystyle \ M={V^{2}r \over G}}.

В ряде случаев, когда объекты-спутники представляют собой сплошную среду (газовый диск, плотное звёздное скопление), которая своим тяготением влияет на характеристики орбиты, радиальное распределение массы в ядре галактики получается путём решения т. н. бесстолкновительного уравнения Бернулли.

Метод отношения масса-светимость[править | править код]

Основным методом поиска сверхмассивных чёрных дыр в настоящее время является исследование распределения яркости и скорости движения звёзд в зависимости от расстояния до центра галактики[8].
Распределение яркости снимается фотометрическими методами при фотографировании галактик с большим разрешением, скорости звёзд — по красному смещению и уширению линий поглощения в спектре звезды.

Имея распределение скорости звёзд  V(r){\displaystyle \ V(r)} можно найти радиальное распределение масс  M(r){\displaystyle \ M(r)} в галактике. Например, при эллиптической симметрии поля скоростей решение уравнения Бернулли даёт следующий результат:

 M(r)=V2rG+σr2rG[−dln⁡νdln⁡r−dln⁡σr2dln⁡r−(1−σθ2σr2)−(1−σϕ2σr2)]{\displaystyle \ M(r)={V^{2}r \over G}+{\sigma _{r}^{2}r \over G}\left[-{d\,\ln \nu \over d\,\ln r}-{d\,\ln \sigma _{r}^{2} \over d\,\ln r}-\left(1-{\sigma _{\theta }^{2} \over \sigma _{r}^{2}}\right)-\left(1-{\sigma _{\phi }^{2} \over \sigma _{r}^{2}}\right)\right]},

где  V{\displaystyle \ V} — скорость вращения,  σr,σθ{\displaystyle \ \sigma _{r},\,\,\sigma _{\theta }} и  σϕ{\displaystyle \ \sigma _{\phi }} — радиальная и азимутальные проекции дисперсии скорости,  G{\displaystyle \ G} — гравитационная постоянная,  ν{\displaystyle \ \nu } — плотность звёздного вещества, которая обычно принимается пропорциональной светимости.

Поскольку чёрная дыра имеет большую массу при низкой светимости, одним из признаков наличия в центре галактики сверхмассивной чёрной дыры может служить высокое отношение массы к светимости  M/L{\displaystyle \ M/L} для ядра галактики. Плотное скопление обычных звёзд имеет отношение  M/L{\displaystyle \ M/L} порядка единицы (масса и светимость выражаются в массах и светимостях солнца), поэтому значения  M/L>>1{\displaystyle \ M/L>>1} (для некоторых галактик  M/L>1000{\displaystyle \ M/L>1000}), являются признаком наличия сверхмассивной чёрной дыры. Возможны, однако, альтернативные объяснения этого феномена: скопления белых или коричневых карликов, нейтронных звёзд, чёрных дыр обычной массы.

Измерение скорости вращения газа[править | править код]

В последнее время благодаря повышению разрешающей способности телескопов стало возможным наблюдать и измерять скорости движения отдельных объектов в непосредственной близости от центра галактик. Так, при помощи спектрографа FOS (Faint Object Spectrograph) космического телескопа «Хаббл» группой под руководством Х. Форда была обнаружена вращающаяся газовая структура в центре галактики M87[9].
Скорость вращения газа на расстоянии около 60 световых лет от центра галактики составила 550 км/с, что соответствует кеплеровской орбите с массой центрального тела порядка 3⋅109 масс солнца. Несмотря на гигантскую массу центрального объекта, нельзя сказать с полной определённостью, что он является чёрной дырой, поскольку гравитационный радиус такой чёрной дыры составляет около 0,001 светового года.

Измерение скорости микроволновых источников[править | править код]

В 1995 году группа под руководством Дж. Морана наблюдала точечные микроволновые источники, вращающиеся в непосредственной близости от центра галактики NGC 4258[10].
Наблюдения проводились при помощи радиоинтерферометра, включавшего сеть наземных радиотелескопов, что позволило наблюдать центр галактики с угловым разрешением 0,001″. Всего было обнаружено 17 компактных источников, расположенных в дискообразной структуре радиусом около 10 световых лет. Источники вращались в соответствии с кеплеровским законом (скорость вращения обратно пропорциональна квадратному корню из расстояния), откуда масса центрального объекта была оценена как 4⋅107 масс солнца, а верхний предел радиуса ядра — 0,04 светового года.

Наблюдение траекторий отдельных звёзд[править | править код]

В 1993—1996 годах А. Экарт и Р. Генцель наблюдали движение отдельных звёзд в окрестностях центра нашей Галактики[11].
Наблюдения проводились в инфракрасных лучах, для которых слой космической пыли вблизи ядра галактики не является препятствием. В результате удалось точно измерить параметры движения 39 звёзд, находящихся на расстоянии от 0,13 до 1,3 светового года от центра галактики. Было установлено, что движение звёзд соответствует кеплеровскому, при котором центральное тело массой 2,5⋅106 масс солнца и радиусом не более 0,05 светового года соответствует положению компактного радиоисточника Стрелец-А (Sgr A).

Сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного пути[править | править код]

Масса сверхмассивной чёрной дыры по разным оценкам составляет от двух до пяти миллионов солнечных масс.

Наблюдения в радиодиапазоне[править | править код]

Долгое время центр нашей Галактики, приблизительное положение которого (созвездие Стрельца) было известно по оптическим наблюдениям, не был ассоциирован ни с каким компактным астрономическим объектом. Только в 1960 году Дж. Оорт и Г. Рогур установили, что в непосредственной близости (менее 0,03°) от галактического центра находится радиоисточник Стрелец A* (Sgr A*)[12].
В 1966 году Д. Даунс и А. Максвелл, обобщив данные по радионаблюдениям в дециметровом и сантиметровом диапазонах, пришли к выводу, что малое ядро Галактики представляет собой объект диаметром 10 пк, связанный с источником Стрелец-А[13].

К началу 1970-х годов благодаря наблюдениям в радиоволновом диапазоне было известно, что радиоисточник Стрелец-А имеет сложную пространственную структуру. В 1971 году Даунс и Мартин, проводя наблюдения на Кембриджском радиотелескопе с базой 1,6 км на частотах 2,7 и 5 ГГц с разрешением около 10’, выяснили, что радиоисточник состоит из двух диффузных облаков, находящихся на расстоянии 1’ друг от друга: восточная часть (Sgr A) излучает радиоволновой спектр нетермической природы, а западная (Sgr A*) представляет собой радиоизлучающее облако горячего ионизированного газа диаметром около 45″ (1,8 пк)[14].
В 1974 году Б. Балик и С. Сандерс провели на 43-метровом радиотелескопе Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) картографирование радиоисточника Стрелец-А на частотах 2,7 и 8,1 ГГц с разрешением 2″[15].
Было обнаружено, что оба радиоисточника представляют собой компактные образования диаметром менее 10″ (0,4 пк), окружённые облаками горячего газа.

Начало наблюдений в инфракрасном диапазоне[править | править код]

Вплоть до конца 1960-х годов не существовало эффективных инструментов для изучения центральных областей Галактики, поскольку плотные облака космической пыли, закрывающие от наблюдателя галактическое ядро, полностью поглощают идущее из ядра видимое излучение и значительно осложняют работу в радиодиапазоне.

Ситуация коренным образом изменилась благодаря развитию инфракрасной астрономии, для которой космическая пыль практически прозрачна. Ещё в 1947 году Стеббинс и А. Уитфорд, используя фотоэлемент, сканировали галактический экватор на длине волны 1,03 мкм, однако не обнаружили дискретного инфракрасного источника[16].
В. И. Мороз в 1961 году провёл аналогичное сканирование окрестностей Sgr A на волне 1,7 мкм и тоже потерпел неудачу.[17].
В 1966 году Е. Беклин сканировал район Sgr A в диапазоне 2,0-2,4 мкм и впервые обнаружил источник, по положению и размерам соответствовавший радиоисточнику Стрелец-А.

В 1968 году Е. Беклин и Г. Нейгебауэр провели сканирование для длин волн 1,65, 2,2 и 3,4 мкм с разрешением 0,08—1,8″ и обнаружили объект сложной структуры, состоявший из основного инфракрасного источника диаметром 5′, компактного объекта внутри него, расширенной фоновой области и нескольких компактных звездообразных источников в непосредственной близости от основного источника[18].

В середине 1970-х годов начинается исследование динамических характеристик наблюдаемых объектов. В 1976 году Е. Воллман спектральными методами (использовалась линия излучения неона Ne II с длиной волны 12,8 мкм) исследовал скорость движения газов, в области диаметром 0,8 пс вокруг галактического центра. Наблюдения показали симметричное движение газа со скоростями около 75 км/c. По полученным данным Воллман предпринял одну из первых попыток оценить массу объекта, предположительно находящегося в центре галактики. Полученный им верхний предел массы оказался равным 4⋅106 масс Солнца[19].

Обнаружение компактных инфракрасных источников[править | править код]

Дальнейшее увеличение разрешающей способности телескопов позволило выделить в газовом облаке, окружающем центр Галактики, несколько компактных инфракрасных источников. В 1975 году Е. Беклин и Г. Нейгебауэр составили инфракрасную карту центра Галактики для длин волн 2,2 и 10 мкм с разрешением 2,5″, на которой выделили 20 обособленных источников, получивших название IRS1—IRS20[20].
Четыре из них (1, 2, 3, 5) позиционно совпали с известными по радионаблюдениям компонентами радиоисточника Sgr A. Природа выделенных источников долгое время обсуждалась. Один из них (IRS 7) идентифицирован как молодая звезда-сверхгигант, несколько других — как молодые гиганты. IRS 16 оказался очень плотным (106 масс Солнца на кубический парсек) скоплением звёзд-гигантов и карликов. Остальные источники предположительно являлись компактными облаками H II и планетарными туманностями, в некоторых из которых присутствовали звёздные компоненты[21].
Продольная скорость отдельных источников лежала в пределах ±260 км/c, диаметр составлял 0,1—0,45 пк, масса 0,1—10 масс Солнца, расстояние от центра Галактики 0,05—1,6 пк. Масса центрального объекта оценивалась как 3⋅106 масс Солнца, таким же был порядок массы, распределённой в области радиусом 1 пк вокруг центра. Поскольку вероятная ошибка при вычислении масс была того же порядка, допускалась возможность отсутствия центрального тела, при этом распределённая в радиусе 1 пк масса оценивалась как 0,8—1,6⋅107 масс Солнца[22].

Последующее десятилетие характеризовалось постепенным ростом разрешающей способности оптических приборов и выявлением всё более подробной структуры инфракрасных источников. К 1985 году стало ясно, что наиболее вероятным местом нахождения центральной чёрной дыры является источник, обозначенный как IRS 16. Были обнаружены также два мощных потока ионизированного газа, один из которых вращался по круговой орбите на расстоянии 1,7 пк от центра Галактики, а второй — по параболической на расстоянии 0,5 пк. Масса центрального тела, рассчитанная по скорости этих потоков составила 4,7⋅106 масс Солнца по первому потоку и 3,5⋅106 масс Солнца по второму[23].

Наблюдение отдельных звёзд[править | править код]

\ M/L>1000 Звёзды в пределах ±0,5″ от центра Галактики (рисунок)
\ M/L>1000 Траектории звёзд, ближайших к центру Галактики по данным наблюдений 1995—2003 годов

В 1991 году вступил в строй инфракрасный матричный детектор Sharp I на 3,5-метровом телескопе Европейской южной обсерватории (ESO) в Ла-Силла (Чили). Камера диапазона 1—2,5 мкм обеспечивала разрешение 50 угловых мкс[источник не указан 496 дней] на 1 пиксель матрицы. Кроме того, был установлен 3D-спектрометр на 2,2-метровом телескопе той же обсерватории.

С появлением инфракрасных детекторов высокого разрешения стало возможным наблюдать в центральных областях галактики отдельные звёзды. Изучение их спектральных характеристик показало, что большинство из них относятся к молодым звёздам возрастом несколько миллионов лет. Вопреки ранее принятым взглядам, было установлено, что в окрестностях сверхмассивной чёрной дыры активно идёт процесс звездообразования. Полагают, что источником газа для этого процесса являются два плоских аккреционных газовых кольца, обнаруженных в центре Галактики в 1980-х годах. Однако внутренний диаметр этих колец слишком велик, чтобы объяснить процесс звездообразования в непосредственной близости от чёрной дыры. Звёзды, находящиеся в радиусе 1″ от чёрной дыры (так называемые «S-звёзды») имеют случайное направление орбитальных моментов, что противоречит аккреционному сценарию их возникновения. Предполагается, что это горячие ядра красных гигантов, которые образовались в отдалённых районах Галактики, а затем мигрировали в центральную зону, где их внешние оболочки были сорваны приливными силами чёрной дыры[24].

К 1996 году были известны более 600 звёзд в области диаметром около парсека (25″) вокруг радиоисточника Стрелец А*, а для 220 из них были надёжно определены радиальные скорости. Оценка массы центрального тела составляла 2—3⋅106 масс Солнца, радиуса — 0,2 светового года.

По состоянию на октябрь 2009 года разрешающая способность инфракрасных детекторов достигла 0,0003″ (что на расстоянии 8 кпк соответствует 2,5 а. е.). Число звёзд в пределах 1 пк от центра Галактики, для которых измерены параметры движения, превысило 6000[25].

Рассчитаны точные орбиты для ближайших к центру Галактики 28 звёзд, наиболее интересной среди которых является звезда S2. За время наблюдений (1992—2007), она сделала полный оборот вокруг чёрной дыры, что позволило с большой точностью оценить параметры её орбиты. Период обращения S2 составляет 15,8±0,11 лет, большая полуось орбиты 0,123±0,001″ (1000 а. е.), эксцентриситет 0,880±0,003, максимальное приближение к центральному телу 0,015″ или 120 а. е.[26]
Точное измерение параметров орбиты S2, которая оказалась близкой к кеплеровской, позволило с высокой точностью оценить массу центрального тела. По последним оценкам она равна

 (4.31±0.06∣stat±0.36∣R0)×106M⊙,{\displaystyle \ (4.31\pm 0.06\mid _{stat}\pm \,0.36\mid _{R_{0}})\times 10^{6}M_{\odot },}

где ошибка 0,06 вызвана погрешностью измерения параметров орбиты звезды S2, а ошибка 0,36 — погрешностью измерения расстояния от Солнца до центра Галактики[26].

Наиболее точные современные оценки расстояния до центра галактики дают:

 R0=8.33±0.35kpc.{\displaystyle \ R_{0}=8.33\pm 0.35\,\mathrm {kpc} .}

Пересчёт массы центрального тела при изменении оценки расстояния производится по формуле:

 [4.31(R0/8.33kpc)2.19±0.06±8.6ΔR/R0]×106M⊙.{\displaystyle \ [\,4.31(R_{0}/8.33\,\mathrm {kpc} )^{2.19}\pm 0.06\pm 8.6\Delta R/R_{0}\,]\times 10^{6}M_{\odot }.}

Гравитационный радиус чёрной дыры массой 4⋅106 масс Солнца составляет примерно 12 млн км, или 0,08 а. е., то есть в 1400 раз меньше, чем ближайшее расстояние, на которое подходила к центральному телу звезда S2. Однако среди исследователей практически нет сомнений, что центральный объект не является скоплением звёзд малой светимости, нейтронных звёзд или чёрных дыр, поскольку сконцентрированные в таком малом объёме они неизбежно бы слились за короткое время в единый сверхмассивный объект, который не может быть ничем иным, кроме чёрной дыры.

Сверхмассивные чёрные дыры вне нашей галактики[править | править код]

  • По состоянию на 2018 год самая тяжёлая сверхмассивная чёрная дыра находится в квазаре TON 618 в созвездии Гончих Псов на расстоянии 10,37 млрд световых лет от Солнца. Её масса составляет 66 млрд M.
  • Сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики Хольмберг 15A (en:Holmberg 15A), находящейся в созвездии Кита в 700 млн св. лет от Солнца, имеет массу равную примерно 40±8 млрд масс Солнца[27].
  • Сверхмассивная чёрная дыра массой 21 млрд масс Солнца находится в галактике NGC 4889 в созвездии Волосы Вероники.
  • Квазар OJ 287 в созвездии Рака представляет собой двойную систему чёрных дыр, бо́льшая из которых имеет массу равную 18 млрд M, фактически массу небольшой галактики.
  • Масса чёрной дыры в центре галактики NGC 1277 в созвездии Персея составляет 17 млрд M, что составляет 14 % массы всей галактики[28].
  • Сверхмассивная чёрная дыра Q0906+6930 в созвездии Большой Медведицы имеет массу в 10 млрд M[29].

Сверхмассивные чёрные дыры в карликовых галактиках[править | править код]

В 2011 году активную сверхмассивную чёрную дыру массой 3⋅106M нашли в карликовой галактике Henize 2−10 (en:Hen 2-10) в 30 млн световых лет от Солнца в созвездии Компаса[30]. Затем было найдено около 100 активных массивных чёрных дыр в галактиках с относительно слабым звездообразованием. Дальнейший поиск с помощью более длинных радиоволн помог обнаружить 39 кандидатов в менее активные массивные чёрные дыры, из которых минимум 14 из кандидатов являются, скорее всего, массивными чёрными дырами. Некоторые из этих потенциальных массивных чёрных дыр находятся не в центрах их галактик, а на окраинах. Компьютерное моделирование показало, что до половины всех карликовых галактик могут иметь нецентральные чёрные дыры[31].

  1. ↑ Чандра:: Фотоальбом :: RX J1242-11 :: 18 февраля 2004
  2. ↑ Учёные научились взвешивать отдалённые черные дыры
  3. ↑ Парадоксы сверхмассивных черных дыр
  4. ↑ Астрофизик определил массу самой тяжелой чёрной дыры
  5. ↑ SDSSJ140821.67+025733.2 – квазар с самой большой черной дырой (неопр.) (20 марта 2019). Дата обращения 8 января 2020.
  6. Nease, Eric. Astronomers spot the very first intermediate-mass black hole (неопр.) (недоступная ссылка). The Bunsen Burner (9 июля 2012). Дата обращения 9 июля 2012. Архивировано 13 июля 2012 года.
  7. Winter, L. M.; et al. XMM-Newton Archival Study of the ULX Population in Nearby Galaxies (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 2006. — October (vol. 649). — P. 730—752. — DOI:10.1086/506579.
  8. Kormendy J., Richstone D. Inward Bound – the Search of Supermassive Black Holes in Galactic Nuclei (англ.) // Annual Review of Astronomy and Astrophysics (англ.)русск.. — Annual Reviews, 1995. — Vol. 33. — P. 581.
  9. Harms Richard J.; Ford Holland C.; Tsvetanov Zlatan I. et al. HST FOS spectroscopy of M87: Evidence for a disk of ionized gas around a massive black hole (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 1994. — Vol. 435, no. 1. — P. L35—L38.
  10. Greenhill L. J.; Jiang D. R.; Moran J. M.; Reid M. J.; Lo K. Y.; Claussen M. J. Detection of a Subparsec Diameter Disk in the Nucleus of NGC 4258 (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 1995. — Vol. 440. — P. 619.
  11. Eckart A.; Genzel R. Observations of stellar proper motions near the Galactic Centre (англ.) // Nature. — 1996. — Vol. 383. — P. 415—417.
  12. Oort J. H.; Rougoor G. W. The position of the galactic centre (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. — Oxford University Press, 1960. — Vol. 121. — P. 171.
  13. Downes D.; Maxwell A. Radio Observations of the Galactic Center Region (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 1966. — Vol. 146. — P. 653.
  14. Downes D.; Martin A. H. M. Compact Radio Sources in the Galactic Nucleus (англ.) // Nature. — 1971. — Vol. 233. — P. 112—114.
  15. Balick Bruce; Sanders Robert H. Radio Fine Structure in the Galactic Center (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 1974. — Vol. 192. — P. 325—336.
  16. Stebbins Joel; Whitford A. E. Infrared radiation from the region of the galactic center (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 1947. — Vol. 52. — P. 131.
  17. Moroz V. I. An Attempt to Observe the Infrared Radiation of the Galactic Nucleus // Astronomicheskii Zhurnal. — 1961. — Vol. 38. — С. 487.
  18. Becklin E. E.; Neugebauer G. Infrared Observations of the Galactic Center (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 1968. — Vol. 151. — P. 145.
  19. Wollman E. R.; Geballe T. R.; Lacy J. H.; Townes C. H.; Rank D. M. Spectral and spatial resolution of the 12.8 micron NE II emission from the galactic center (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 1976. — Vol. 205. — P. L5—L9.
  20. Becklin E. E.; Neugebauer G. High-resolution maps of the galactic center at 2.2 and 10 microns (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 1975. — Vol. 200. — P. L71—L74.
  21. Becklin E. E.; Matthews K.; Neugebauer G.; Willner S. P. Infrared observations of the galactic center. I — Nature of the compact sources (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 1978. — Vol. 219. — P. 121—128.
  22. Lacy J. H.; Townes C. H.; Geballe T. R.; Hollenbach D. J. Observations of the motion and distribution of the ionized gas in the central parsec of the Galaxy. II (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 1980. — Vol. 241. — P. 132—146.
  23. Serabyn E.; Lacy J. H. Forbidden NE II observations of the galactic center — Evidence for a massive block hole (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 1985. — Vol. 293. — P. 445—458.
  24. Martins F.; Gillessen S.; Eisenhauer F.; Genzel R.; Ott T.; Trippe S. On the Nature of the Fast-Moving Star S2 in the Galactic Center (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 2008. — Vol. 672. — P. L119—L122.
  25. Schödel R.; Merritt D.; Eckart A. The nuclear star cluster of the Milky Way: proper motions and mass (англ.) // Astronomy and Astrophysics. — EDP Sciences (англ.)русск., 2009. — Vol. 502. — P. 91—111.
  26. 1 2 Gillessen S.; Eisenhauer F.; Trippe S.; Alexander T.; Genzel R.; Martins F.; Ott T. Monitoring Stellar Orbits Around the Massive Black Hole in the Galactic Center (англ.) // The Astrophysical Journal. — IOP Publishing, 2009. — Vol. 692. — P. 1075—1109.
  27. ↑ A 40-billion solar mass black hole in the extreme core of Holm 15A, the central galaxy of Abell 85, 2019
  28. ↑ Космос-журнал: Самая крупная чёрная дыра
  29. ↑ Астрономы обнаружили самую массивную черную дыру во Вселенной (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 2 декабря 2019. Архивировано 30 мая 2016 года.
  30. Amy E. Reines, Gregory R. Sivakoff, Kelsey E. Johnson, Crystal L. Brogan. An actively accreting massive black hole in the dwarf starburst galaxy Henize 2-10, 09 January 2011
  31. ↑ Big black holes can settle in the outskirts of small galaxies, MAY 23, 2019

Список наиболее массивных чёрных дыр — Википедия

Name Масса Солнца
(Солнце = 1)
Notes
TON 618 6,6⋅1010[6] Оценка по данным излучения квазара в линии Hβ.
IC 1101 (4-10)⋅1010[7] Оценка по данным о свойствах галактики; напрямую масса не измерялась.
S5 0014+81 4⋅1010[8][9][10] В статье 2010 года предполагается, что воронка из вещества коллимирует излучение вокруг оси джета, это приводит к иллюзии увеличения яркости, из-за чего полученная оценка массы СМЧД оказывается завышенной.[8]
SDSS J102325.31+514251.0 (3,31 ± 0,61)⋅1010[11] Оценка по данным о корреляции линий MgII в спектре квазара.
h2821+643 3⋅1010[12] Ближайшее скопление галактик с квазаром в ядре.[12]
NGC 6166 3⋅1010[13]
APM 08279+5255 2,3⋅1010[14]
(1,0+0,17
−0,13)⋅1010
[15]
Оценки на основе ширины линии CO вращающегося молекулярного газа,[14] и реверберационного метода для линий излучения SiIV и CIV.[15]
NGC 4889 (2,1 ± 1,6)⋅1010[16][17] Указано наилучшее значение: оценки разнятся от 6 млрд до 37 млрд M[16][17]
Центральная чёрная дыра скопления Феникса 2⋅1010[18] Масса чёрной дыры постепенно растёт со скоростью ~60 M в год.
SDSS J074521.78+734336.1 (1,95 ± 0,05)⋅1010[11] Оценка по данным о корреляции линий MgII в спектре квазара.
OJ 287 главная 1,8⋅1010[19] Вокруг данной СМЧД вращается чёрная дыра массой 100 млн M с периодом 12 лет (см. ниже OJ 287 вторая). Но эта оценка имеет малую точность из-за ограниченного количества и точности наблюдений орбиты компаньона.
NGC 1600 (1,7 ± 0,15)⋅1010[20][21] Неожиданно массивная СМЧД для своего местоположения: в эллиптической галактике в слабо населённой области.
SDSS J08019.69+373047.3 (1,51 ± 0,31)⋅1010[11] Оценка по данным о корреляции линий MgII в спектре квазара.
SDSS J115954.33+201921.1 (1,41 ± 0,10)⋅1010[11] Оценка по данным о корреляции линий MgII в спектре квазара.
SDSS J075303.34+423130.8 (1,38 ± 0,03)⋅1010[11] Оценка по данным о корреляции линий Hβ в спектре квазара.
SDSS J080430.56+542041.1 (1,35 ± 0,22)⋅1010[11] Оценка по данным о корреляции линий MgII в спектре квазара.
Abell 1201 BCG (1,3 ± 0,6)⋅1010[22] Оценка по данным метода сильного гравитационного линзирования фоновой галактики за ярчайшей галактикой скопления.[22] Между определением массы и профиля распределения тёмной материи есть некоторые разногласия.[23]
SDSS J0100+2802 (1,24 ± 0,19)⋅1010[24][25] Оценка по данным о корреляции линий MgII в спектре квазара. Объект возник на ранних этапах эволюции Вселенной (космологическое красное смещение 6,30).
SDSS J081855.77+095848.0 (1,20 ± 0,06)⋅1010[11] Оценка по данным о корреляции линий MgII в спектре квазара.
NGC 1270 1,2⋅1010[26] Эллиптическая галактика в скоплении Персея. Активное ядро галактики с низкой светимостью.[27]
SDSS J082535.19+512706.3 (1,12 ± 0,20)⋅1010[11] Оценка по данным о линии Hβ
SDSS J013127.34-032100.1 (1,1 ± 0,2)⋅1010[28] Оценка по моделированию спектра аккреционного диска.[28]
PSO J334.2028+01.4075 1⋅1010[29] В системе присутствуют две чёрные дыры, обращающиеся друг вокруг друга по тесной орбите с периодом 542 дня. Информация представлена о более массивной чёрной дыре, масса меньшего компонента не определена.[29]
Чёрная дыра в центре эллиптической галактики RX J1532.9+3021 1⋅1010[30]
QSO B2126-158 1⋅1010[8]
Holmberg 15A 1⋅1010[31] Оценка массы находится в пределах от ~310 млрд M до 3 млрд M. Значения основаны на эмпирических масштабных соотношениях, то есть получены экстраполированием и не опираются на данные о кинематике.
NGC 1281 1⋅1010[32] Компактная эллиптическая галактика в скоплении Персея. Оценка массы находится в пределах от 10 млрд M до <5 млрд M[33]
SDSS J015741.57-010629.6 (9,8 ± 1,4)⋅109[11]
NGC 3842 (9,7+3,0
−2,5)⋅109
[16][17]
Ярчайшая галактика в скоплении Льва
SDSS J230301.45-093930.7 (9,12 ± 0,88)⋅109[11] Оценка по данным о корреляции линий MgII в спектре квазара.
SDSS J075819.70+202300.9 (7,8 ± 3,9)⋅109[11] Оценка по данным о линии Hβ
CID-947 (6,9+0,8
−1,2)⋅109
[34]
Составляет 10% от полной массы галактики. Оценка по данным о корреляции линий Hβ в спектре квазара.
SDSS J080956.02+502000.9 (6,46 ± 0,45)⋅109[11] Оценка по данным о корреляции линий Hβ в спектре квазара.
SDSS J014214.75+002324.2 (6,31 ± 1,16)⋅109[11] Оценка по данным о корреляции линий MgII в спектре квазара.
Мессье 87 «Powehi«[35] (7,22+0,34
−0,40)⋅109
[36]
6,3e9[37]
Центральная галактика скопления Девы; примечательна наличием релятивистской струи протяжённостью 4300 световых лет.
NGC 5419 (7,2+2,7
−1,9)⋅109
[38]
Оценка по данным о скорости звёздного населения. Вторая СМЧД-спутник может обращаться вокруг главного компонента на расстоянии около 70 парсеков.[38]
SDSS J025905.63+001121.9 (5,25 ± 0,73)⋅109[11] Оценка по данным о корреляции линий Hβ в спектре квазара.
SDSS J094202.04+042244.5 (5,13 ± 0,71)⋅109[11] Оценка по данным о корреляции линий Hβ в спектре квазара.
QSO B0746+254 5⋅109[8]
QSO B2149-306 5⋅109[8]
SDSS J090033.50+421547.0 (4,7 ± 0,2)⋅109[11] Оценка по данным о корреляции линий MgII в спектре квазара.
Мессье 60 (4,5 ± 1,0)⋅109[39]
SDSS J011521.20+152453.3 (4,1 ± 2,4)⋅109[11] Оценка по данным о корреляции линий Hβ в спектре квазара.
QSO B0222+185 4⋅109[8]
Геркулес А (3C 348) 4⋅109 Примечательна наличием джета протяженностью миллион световых лет.
Abell 1836-BCG (3,61+0,41
−0,50)⋅109
[40]
SDSS J213023.61+122252.0 (3,5 ± 0,2)⋅109[11] Оценка по данным о корреляции линий Hβ в спектре квазара.
SDSS J173352.23+540030.4 (3,4 ± 0,4)⋅109[11] Оценка по данным о корреляции линий MgII в спектре квазара.
SDSS J025021.76-075749.9 (3,1 ± 0,6)⋅109[11] Оценка по данным о корреляции линий MgII в спектре квазара.
NGC 1271 (3,0+1,0
−1,1)⋅109
[41]
Компактная эллиптическая или линзовидная галактика в скоплении Персея.[42]
SDSS J030341.04-002321.9 (3,0 ± 0,4)⋅109[11] Оценка по данным о корреляции линий MgII в спектре квазара.
QSO B0836+710 3⋅109[8]
SDSS J224956.08+000218.0 (2,63 ± 1,21)⋅109[11] Оценка по данным о корреляции линий MgII в спектре квазара.
SDSS J030449.85-000813.4 (2,4 ± 0,50)⋅109[11] Оценка по данным о корреляции линий Hβ в спектре квазара.
SDSS J234625.66-001600.4 (2,24 ± 0,15)⋅109[11] Оценка по данным о корреляции линий Hβ в спектре квазара.
ULAS J1120+0641 2⋅109[43][44] Далёкий квазар, [z]=7,085[43]
QSO 0537-286 2⋅109[8]
NGC 3115 2⋅109[45]
Q0906+6930 2⋅109[46] Далёкий блазар, [z] = 5,47
QSO B0805+614 1,5⋅109[8]
Мессье 84 1,5⋅109[47]
Abell 3565-BCG (1,34+0,21
−0,19)⋅109
[40]
NGC 7768 (1,3+0,5
−0,4)⋅109
[17]
NGC 1277 1,2⋅109[48] Первоначально считалось, что галактика содержит настолько массивную СМЧД, что это противоречит современным теориям формирования и эволюции галактик,[49] повторный анализ данных снизил оценку массы почти втрое,[50] а затем почти до одной десятой от первоначальной.[48]
Чёрная дыра в центре эллиптической галактики MS 0735.6+7421 1⋅109[51][52][53] Создала гигантскую вспышку после аккреции 600 млн M вещества. В явном виде масса не известна; получен только нижний предел. Необходимо делать предположения о эффективности аккреции газа и мощности джета.[51][52][53]
QSO B225155+2217 1⋅109[8]
QSO B1210+330 1⋅109[8]
NGC 6166 1⋅109[54] Центральная галактика скопления Abell 2199; примечательна наличием релятивистской струи протяжённостью сто тысяч световых лет.
Лебедь A 1⋅109[55] Ярчайший внесолнечный радиоисточник на небе Земли на частотах более 1 ГГц.
Галактика Сомбреро 1⋅109[56] Галактика с наибольшей болометрической светимостью в локальной области Вселенной; ближайшая СМЧД массой порядка миллиарда масс Солнца.
Маркарян 501 9⋅108–3,4⋅109[57] Ярчайший объект на небе Земли в гамма-диапазоне.
PG 1426+015 (1,298 ± 0,385)⋅109[4]
467 740 000[5]
3C 273 (8,86 ± 1,87)⋅108[4]
550 000 000[5]
Ярчайший квазар на небе Земли
ULAS J1342+0928 8⋅108[58] Далёкий квазар,[58] [z]=7,54[58]
Мессье 49 5,6e8[59]
NGC 1399 5⋅108[60] Центральная галактика скопления Печи
PG 0804+761 (6,93 ± 0,83)⋅108[4]
190 550 000[5]
PG 1617+175 (5,94 ± 1,38)⋅108[4]
275 420 000[5]
PG 1700+518 (7,81++1,82
−-1,65)⋅108
[4]
60 260 000[5]
NGC 4261 4⋅108[61] Примечательна наличием джета протяжённостью 88 000 световых лет.[62]
PG 1307+085 (4,4 ± 1,23)⋅108[4]
281 840 000[5]
SAGE0536AGN (3,5 ± 0,8)⋅108[63][64] Содержит 1,4% массы всей галактики
NGC 1275 3,4⋅108[65][66] Центральная галактика скопления Печи
3C 390.3 (2,87 ± 0,64)⋅108[4]
338 840 000[5]
II Zwicky 136 (4,57 ± 0,55)⋅108[4]
144 540 000[5]
PG 0052+251 (3,69 ± 0,76)⋅108[4]
218 780 000[5]
Мессье 59 2,7⋅108[67] Обладает ретроградным вращением.[68]
PG 1411+442 (4,43 ± 1,46)⋅108[4]
79 430 000[5]
Маркарян 876 (2,79 ± 1,29)⋅108[4]
240 000 000[5]
Галактика Андромеды 2,3⋅108 Ближайшая галактика к Млечному Пути
PG 0953+414 (2,76 ± 0,59)⋅108[4]
182 000 000[5]
PG 0026+129 (3,93 ± 0,96)⋅108[4]
53 700 000[5]
Fairall 9 (2,55 ± 0,56)⋅108[4]
79 430 000[5]
Маркарян 1095 (1,5 ± 0,19)⋅108[4]
182 000 000[5]
Мессье 105 1,4⋅108–2⋅108[69]
Маркарян 509 (1,43 ± 0,12)⋅108[4]
57 550 000[5]
OJ 287 вторая 1⋅108[19] Меньшая из двух чёрных дыр, вращается вокруг OJ 287 главной
RX J124236.9-111935 1⋅108[70] По данным наблюдений обсерватории Чандра разрушает звезду приливным влиянием.[70][71]
Мессье 85 1⋅108[72]
NGC 5548 (6,71 ± 0,26)⋅107[4]
123 000 000[5]
PG 1211+143 (1,46 ± 0,44)⋅108[4]
40 740 000[5]
Мессье 88 8⋅107[73]
Мессье 81 (Галактика Боде) 7⋅107[74]
Маркарян 771 (7,32 ± 3,52)⋅107[4]
7,586⋅107[5]
Мессье 58 7⋅107[75]
PG 0844+349 (9,24 ± 3,81)⋅107[4]
2,138⋅107[5]
Центавр A 5,5⋅107[76] Также примечательна наличием джета протяжённостью миллион световых лет.[77]
Маркарян 79 (5,24 ± 1,44)⋅107[4]
5,25⋅107[5]
Мессье 96 48 000 000[78] Оценки могут быть и не более 1,5 млн масс Солнца
Маркарян 817 (4,94 ± 0,77)⋅107[4]
4,365⋅107[5]
NGC 3227 (4,22 ± 2,14)⋅107[4]
3,89⋅107[5]
NGC 4151 главная 4⋅107[79][80]
3C 120 (5,55++3,14
−-2,25)⋅107
[4]
2,29⋅107[5]
Маркарян 279 (3,49 ± 0,92)⋅107[4]
4,17⋅107[5]
NGC 3516 (4,27 ± 1,46)⋅107[4]
2,3⋅107[5]
NGC 863 (4,75 ± 0,74)⋅107[4]
1,77⋅107[5]
Мессье 82 (Галактика Сигара) 3⋅107[81] Одна из первых известных галактик со вспышкой звездообразования.[82]
Мессье 108 2,4⋅107[83]
M60-UCD1 2⋅107[84] Содержит 15% массы галактики.
NGC 3783 (2,98 ± 0,54)⋅107[4]
9 300 000[5]
Маркарян 110 (2,51 ± 0,61)⋅107[4]
5 620 000[5]
Маркарян 335 (1,42 ± 0,37)⋅107[4]
6 310 000[5]
NGC 4151 вторая 10 000 000[80]
NGC 7469 (12,2 ± 1,4)⋅106[4]
6 460 000[5]
IC 4329 A (9,90++17,88
−-11,88)⋅106
[4]
5 010 000[5]
NGC 4593 (5,36++9,37
−-6,95)⋅106
[4]
8 130 000[5]
Мессье 61 5⋅106[85]
Мессье 32 1,5⋅106–5⋅106[86] Карликовая галактика-спутник Галактики Андромеды.
Стрелец A* 4,3⋅106[87] Чёрная дыра в центре Млечного Пути.

Планковская чёрная дыра — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Пла́нковская чёрная дыра́ — гипотетическая чёрная дыра с минимально возможной массой, которая равна планковской массе.

Масса — порядка 10−5 г (планковская масса), радиус — 10−35 м (планковская длина). Комптоновская длина волны планковской чёрной дыры по порядку величины равна её гравитационному радиусу.

Плотность вещества такой чёрной дыры составляет около 1094 кг/м³ и, возможно, является максимальной достижимой плотностью массы. Физика на таких масштабах должна описываться пока не разработанными теориями квантовой гравитации.

Такой объект тождественен гипотетической элементарной частице с (предположительно) максимально возможной массой — максимону.

Таким образом, все «элементарные объекты» можно разделить на элементарные частицы (их длина волны больше их гравитационного радиуса) и чёрные дыры (длина волны меньше гравитационного радиуса). Планковская чёрная дыра является пограничным объектом, она тождественна максимону, название которого указывает на то, что это самая тяжёлая из возможных элементарных частиц. Другой иногда употребляемый для её обозначения термин — планкеон.

Возможно, что планковская чёрная дыра является конечным продуктом эволюции обычных чёрных дыр, стабильна и больше не подвержена излучению Хокинга.

Планковские чёрные дыры характеризует крайне малое сечение взаимодействия — порядка 10−66{\displaystyle 10^{-66}} см2. Малость сечения взаимодействия нейтральных максимонов с веществом приводит к тому, что значительная (или даже основная) часть материи во Вселенной в настоящее время могла бы состоять из максимонов, не приводя к противоречию с наблюдениями. В частности, максимоны могли бы играть роль невидимого вещества (темной материи), существование которого признается в настоящее время в космологии.[1]

Экстремальная чёрная дыра — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Экстремальная чёрная дыра — понятие теоретической физики, чёрная дыра с минимально возможной массой, которая может обладать данным зарядом и моментом импульса[1]. Иными словами, это чёрная дыра заданной массы с наибольшей допустимой скоростью вращения — при большей скорости горизонт событий исчезает.

В классической динамике чёрных дыр существует теорема неуменьшения площади горизонта, которая, в частности, приводит к тому, что никакими процессами раскрутить уже существующую чёрную дыру быстрее экстремальной невозможно[2]. С квантовой точки зрения такие дыры тоже интересны тем, что они являются стабильными и не выделяют излучение Хокинга.

Считается, что чёрные дыры в центрах активных галактик как минимум близки к экстремальным, так как падающий на них газ несёт с собой обычно момент импульса, превышающий предельный, и поэтому он раскручивал бы их сильнее, чем в случае внесения дополнительной массы. «Лишний» момент импульса, как предполагается, выбрасывается в процессе аккреции в виде релятивистских струй — джетов.[источник не указан 2299 дней]

В теориях суперсимметрии экстремальные чёрные дыры часто являются суперсимметричными объектами: они инвариантны относительно некоторых суперзарядов. Это является следствием связи Богомольного — Прасада — Зоммерфельда (англ.)русск.. Такие чёрные дыры являются стабильными и не выделяют излучение Хокинга. Их энтропия[3] может быть рассчитана с помощью теории струн.

Шон Кэрролл из Калтеха высказал предположение, что энтропия экстремальной чёрной дыры равна нулю. Кэрролл объясняет отсутствие энтропии за счёт возникновения отдельного измерения внутри экстремальной чёрной дыры[4].

Гипотетические электронные чёрные дыры являются, в терминах этой теории, «супер-экстремальными» (обладающими бо́льшим зарядом и моментом импульса, чем экстремальная чёрная дыра той же массы).

  1. Kallosh, Renata (англ.)русск.; Linde, Andrei (англ.)русск.; Ortín, Tomás; Peet, Amanda; Van Proeyen, Antoine. Supersymmetry as a cosmic censor (англ.) // Physical Review D : journal. — 1992. — 1 December (vol. 46, no. 12). — P. 5278—5302. — DOI:10.1103/PhysRevD.46.5278. — Bibcode: 1992PhRvD..46.5278K. — arXiv:hep-th/9205027.
  2. Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. — М.: Мир, 1977. — Т. 3. — С. 123. — 510 с.
  3. Bekenstein, Jacob D. (англ.)русск.. Black Holes and Entropy (англ.) // Phys. Rev. D : journal. — 1973. — Vol. 7, no. 8. — P. 2333—2346. — DOI:10.1103/PhysRevD.7.2333. — Bibcode: 1973PhRvD…7.2333B.
  4. ↑ Carrol, Sean M.; Johnson, Matthew C. & Randall, Lisa (2009), «Extremal limits and black hole entropy», arΧiv:0901.0931v2 [hep-th] 

внутри черной дыры и тессеракта / Habr

Меня зовут Андрей Колокольцев. По роду деятельности меня давно интересуют истории о том, как именитые режиссеры, продюсеры, студии справляются с созданием тех или иных визуальных картин. Для первой моей публикации я выбрал кинофильм, который стал для меня аудиовизуальным откровением и настоящим эмоциональным аттракционом (это при просмотре в кино на экране IMAX, дома на телевизоре теряется 2/3 впечатлений). Вы не подпрыгните от неожиданности, так как в названии уже все прочитали — это фильма Кристофера Нолана «Интерстеллар». Несмотря на то, что интерес к нему давно угас, я хотел бы представить Вашему вниманию вольный перевод оригинальной статьи Майка Сеймура «Interstellar: inside the black art» от 18 ноября, 2014 года. Эта статья рассказывает о том, как создавалась визуализация «Гаргантюа» и других сцен из фильма — думаю, это будет интересно читателям пусть даже спустя 1,5 года.

Режиссер Интерстеллара Кристофер Нолан объясняет Мэттью Макконахи основы квантовой физики суть сцены

Работники цеха спецэффектов и компьютерной графики очень часто сталкиваются с необходимостью создать визуализацию того, чего еще никто никогда не видел. К этому добавляется требование современной киноиндустрии, чтобы все это выглядело реально, даже несмотря на то, что, собственно, никто толком и не представляет, как это, вообще, может выглядеть. В фильме Кристофера Нолана «Интерстеллар», супервайзер спец.эффектов Пол Франклин и команда Double Negative должны были создать визуализацию вещей не из нашего измерения, при том при всем максимально приближенную не только к квантовой физике и релятивистской механике, но также и к нашему общему пониманию квантовой гравитации.

Стало удачей, что среди основной команды Double Negative был Оливер Джеймс, главный научный сотрудник с Оксфордским образованием в сфере оптики и атомной физики, а также глубоким понимание релятивистских законов Эйнштейна. Также как и Франклин, он работал с главным продюсером и научным консультантом Кипом Торном. Торн должен был рассчитать сложные математические уравнения и отправить их Джеймсу для перевода в высококачественные рендеры. Требования, предъявляемые к фильму поставили перед Джеймсом задачу не просто визуализировать объясняющие дуговые траектории света расчёты, но также визуализировать и поперечные сечения лучей света, меняющих свой размер и форму на протяжении путешествия через черную дыру.

Код Джеймса был всего лишь частью общего решения. Рука об руку он работал с руководителем художественной команды, супервайзером эффектов компьютерной графики Евгением фон Танцельманом, который добавил аккреционный диск, а также создал галактику и туманность, искажающиеся как только свет от них проходит мимо черной дыры. Не менее трудной стала задача демонстрации того, как кто-то входит в четырехмерный тессеракт, совмещенный с трехмерным пространством комнаты маленькой девочки – и все это в том виде, чтобы зритель понял, что вообще происходит на экране.

В этой статье мы расскажем про некоторые ключевые кадры, созданные Double Negative, а также про предваряющие их научные исследования. Обратите внимание, что в дальнейшем материале возможны спойлеры.

Создание черной дыры

Возможно одной из самых значительных заслуг в достижении Нолановской задачи максимального реализма является изображение черной дыры Гаргантюа. Получив входные данные от Торна, создатели фильма приложили все усилия, чтобы показать поведение света в черной дыре и червоточине. Для «Double Negative» эта задача вызвала необходимость в написании полностью нового физического рендерера.

Вид с камеры на круговой экваториальной орбите черной дыры, вращающейся с 0,999 ее максимально возможной скорости вращения. Камера находится на расстоянии r=6.03 GM/c^2, где M — масса черной дыры, G и c — постоянная Ньютона и скорость света, соответственно. Горизонт событий черной дыры находится на расстоянии r=1.045 GM/c^2.

«Кип объяснял мне релятивистские искривления пространства вокруг черной дыры», — рассказывает Пол Франклин, — «Гравитация, скручиваемая во времени, отклоняет от себя свет, создавая явление, называемое линзой Эйнштейна, гравитационной линзой вокруг черной дыры. А я в этот момент думал, как же мы можем создать такое изображение и есть ли какие-то примеры, с подобным графическим эффектом, на которые мы бы могли опереться.»

«Я отсмотрел самые базовые симуляции, созданные ученым сообществом», — добавляет Франклин, — «и подумал, ок, движение этой штуки настолько сложное, что придется нам с нуля делать свою собственную версию. Затем Кип стал очень тесно работать с Оливером Джеймсом, нашим главным научным сотрудником, и его департаментом. Они использовали расчеты Кипа, чтобы получить все световые пути и пути трассировки лучей вокруг черной дыры. Помимо этого Оливер работал над насущными вопросами, как все это воплотить в жизнь при помощи нашего нового рендерера DnGR (Double Negative General Relativity).»

Для нового рендерера потребовалось установить все важнейшие параметры для их цифровой черной дыры. «Мы могли установить частоту вращения, массу и диаметр», — объясняет Франклин. «В сущности, это единственные три параметра, которые Вы можете изменять в черной дыре – то есть, это все, что у нас есть для ее измерения. Мы потратили огромное количество времени, работая над тем, как рассчитать пути пучков света вокруг черной дыры. Вся работа шла достаточно интенсивно – целых шесть месяцев ребята писали программное обеспечение. У нас была ранняя версия черной дыры, как раз, ко времени завершения периода препродакшена фильма.»

Покоящаяся черная дыра разгоняется до скорости вращения в 0,999 от возможной; далее камера приближается к черной дыре от радиуса 10 GM/c^2 к радиусу r=2.60 GM/c^2, продолжая двигаться по круговой экваториальной орбите. Огромная тень от черной дыры искажается в прямоугольную форму из-за преобразования сверического изображения с камеры на плоский дисплей.

Эти ранние образы использовались в виде огромных картин для заднего фона снаружи корабля – таким образом, у актеров было, на что смотреть во время съемки. То есть не использовалось ни одного зеленого экрана, просто позже сотрудники Double Negative заменили используемые ранние образы конечными, подправив некоторые звездные скопления. «Большая часть кадров из-за плеча астронавтов, которые Вы видите в прокатной версии фильма», — отмечает Франклин, — «это реальная съемка. У нас было множество кадров, которые не вошли в общий список кадров с визуальными эффектами, хотя для их создания была проделана грандиозная работа.»

Эти «прямые» съемки на камеру стали возможны благодаря сотрудничеству Double Negative и доктора физических наук Хойте Ван Хойтема. Для подсветки полученных фоновых изображений использовались прожекторы, с совокупным световым потоком в 40 000 люмен за сцену.»

Та же самая симуляция только крупнее. Здесь отчетливо видна структура света звездного неба, пропущенного через гравитационную линзу. На краю черной дыры горизонт движется на нас со скоростью близкой скорости света.

«Нам необходимо было перемещать и перенастраивать прожекторы исходя из задач сцены», — продолжает Франклин, — «Вообще, на то, чтобы все правильно настроить, можно было бы потратить целую неделю, но в некоторых случаях все должно было быть готово за 15 минут. Ребята работали так усердно, ведь прожекторы – это огромные неповоротливые махины – каждый весил порядка 270 килограмм. У нас было две специально изготовленных клетки, закрепленных на большой электрической лебедке с возможностью перемещать ее вдоль и поперек павильона, соответственно, мы могли использовать ее для расстановки прожекторов. По рации я объяснял ребятам с прожекторами, как калибровать их, попутно переговариваясь с человеком, управляющим грузоподъемниками, носящимимся над плотно забитой людьми площадкой.»

Создание волн

В фильме Купер (Мэттью Макконахи), Амелия (Энн Хэтуэй), Дойл (Вес Бентли) и ИИ робот КЕЙС посещают полностью покрытую водой планету, волны на которой из-за очень близкого расположения к Гаргантюа достигают необычайных размеров. Зрители уже видели тридцатиметровые волны в других фильмах, но согласно истории, этого было мало – по сценарию волны должны были быть более километра в высоту. Чтобы дать зрителю почувствовать эту высоту, Double Negative должны были переосмыслить стандартный подход к созданию воды. «Когда Вы берете объекты такого масштаба», — объясняет Франклин, — «все характеристики, которые Вы ассоциируете с волнами, такие как буруны и завитки на вершине, просто пропадают, так как становятся незаметными относительно такой массы воды – то есть волна становится больше похожа на движущуюся гору из воды. Именно поэтому мы потратили много времени, работая над превизуализацией и раздумывая, как мы можем использовать такие масштабы волн и небольшой космический корабль Рэйнджер, смываемый ими. Важнейший момент сцены – когда волна настигает Рэйнджер и поднимает его высоко над поверхностью. И Вы видите, как корабль движется по волне вверх, становится все меньше и вдруг вообще теряется на ней. Это был ключевой момент для ощущения масштаба происходящего.»

Энн Хэтуэй в роли Амелии на водной планете

Художники Double Negative управляли волнами посредством анимации деформаторов, эффектно изменяя их в каждый ключевой кадр. «Это дало нам базовую форму волны,» — говорит Франклин, — «но чтобы воспринять эту картинку, как реальную, мы должны добавить пену на поверхности, интерактивные брызги, водные завихрени и всплески. Для этого мы использовали свою внутреннюю разработку, называемую Squirt Ocean. Ну и, конечно же, после было много дополнительной работы в Houdini.»

Кадры создавались в высоком разрешении IMAX. Это требование несколько ограничивало количество времени, отведенное для всех возможных итераций Double Negative. «Я смотрел часть с анимацией волны, говорил «отлично, давайте добавим все остальное», — смеется Франклин, — «а затем я должен был ждать около полутора месяцев, чтобы все это снова вернулось ко мне – такой длительный процесс был обусловлен именно разрешением IMAX. Как Вы понимаете, мы не могли тратить время впустую, ведь обычно весь процесс делился на множество итераций, а в тот раз у нас было максимум три.»

Робот КЕЙС, спасающий Амелию от приливной волны, и его двойник ТАРС, на самом деле, были 80-ти килограммовыми металлическими куклами, управляемыми исландским артистом Биллом Ирвином. Кристофер Нолан хотел, чтобы в фильме было как можно больше реальных элементов, и вместо того, чтобы, как многие, просто нарисовать его, Double Negative необходимо было заниматься удалением исполнителя, находящегося позади робота.

Когда КЕЙС реконфигурирует себя для прохода по воде, а затем катится к Амелии, хватает ее и уносит прочь, в кадре совмещаются два решения: практическое и цифровое. «В этом кадре», — рассказывает Франклин, — «находилась построенная маленькая водная буровая установка, закрепленная на квадроцикле. То есть мы могли кататься «сквозь» воду и получать прекрасные интерактивные брызги и всплески. Также на квадроцикле у нас был установлен специальный подъемник с руками робота, на котором мы могли перевозить двойника Энн Хэтуэй. То есть вся эта конструкция ездила и «резала» воду, а нам оставалось только убрать ее с изображения и заменить цифровой версией робота.»

Double Negative постаралась максимально ограничить количество моментов с цифровыми роботами, делающими необычные вещи. Таковыми моментами были бег через воду, посадка робота в корабль, бег по леднику и некоторые моменты с отсутствующей гравитацией. «Что мы давно заметили, так это то, что ты можешь заставить цифровые моменты работать только в том случае, если совместишь их с реальными», — говорит Франклин, — «Например, в кадрах, где робот забирается в корабль, в самом конце отрезка мы уже видим реальную версию робота, не цифровую. То есть сцена заканчивается кадрами с реальностью, а это помогает почувствовать сцену, как действительно настоящую.»

Внутри тессеракта

В фильме некто «они» оказываются «нами», только достаточно продвинутыми, чтобы помочь Куперу связаться с его дочерью, находящуюся на Земле годами ранее. Так как во вселенной квантовых и релятивистских законов путешествия во времени невозможны, история решает этот вопрос так, что Купер покидает наше трехмерное пространство и попадает в гиперпространство высшего порядка. Если наша вселенная отображается как 2D диск или мембрана, то гиперпространство будет коробкой, окружающей эту мембрану в трех измерениях. Путь к осмыслению этого в том, что каждое измерение требует для его отображения на 1 измерение меньше. Таким образом, трехмерное пространство рисуется как 2Д диск, а трехмерное окружение вокруг этого диска (физики называют ее брана) – на одно измерение выше мембраны.

Изображение, нарисованное Кипом Торном, объяснящее, что такое брана и мембрана

В фильме персонаж Майкла Кейна, Профессор Брэнд, пытается разгадать гравитационные аномалии. На досках в фильме отчетливо видна попытка решить задачу в 4-х и 5 измерениях. В фильме говорится, что если Брэнд сможет понять эти аномалии, их можно будет использовать, чтобы менять гравитацию на Земле и поднять огромную спасающую человечество конструкцию в космос.

Тогда как переход из трехмерного пространства в четырехмерное не решает проблемы путешествий во времени, в фильме это позволяет Куперу отправлять гравитационные волны обратно во времени. Он может видеть любое время, но может только вызывать рябь в этих отрезках времени – гравитационная рябь, которую и пытается понять дочь Купера, Мёрфи.

Работой команды Double Negative было визуально продемонстрировать четырехмерный тессеракт, который будущие «мы» предоставляют Куперу, чтобы тот смог вызывать гравитационные волны. Это было бы легко осуществимо, если делать это в символическом смысле или в виде сновидения, но команда Double Negative решила визуализировать четырехмерный тессеракт в более выразительном виде, создав концепт, который был бы, конечно, гипотезой, но ее можно было бы использовать даже для обучения. Именно в этот момент снова появился Торн.

Формулы Кипа Торна, объясняющие гравитацию в четырех и пяти измерениях. Обратите внимание, что здесь «наша» брана зажата как сэндвич между двумя альтернативными реальностями или другими бранами.

Чтобы понять решение Double Negative, стоит понять природу измерений высшего порядка. Если объект покоится, допустим, мяч – для двухмерного пространства — это круг; для одномерного – линия. Если смотреть на этот круг в трехмерном пространстве, то мы увидим мяч (сферу). А вот что станет с ним, если перейти к четырехмерному пространству? Одна из теорий, которая была основой к нашему ежедневному размышлению, была представить четвертое пространство, как время. Тогда выходит, что тот же самый мяч, но не покоящийся, а прыгающий, и в бесконечно малый промежуток времени виден как тот же мяч. Но на протяжении всего пути он создает фигуру в виде трубы с полусферическими краями. То есть в четырехмерном пространстве мяч – это труба, а сфера – трехмерная проекция этой четырехмерной фигуры.

Если куб в трехмерном пространстве будет с течением времени менять свою форму, например, расти, то он же в четырехмерном пространстве будет изображаться, как коробка, которая со временем перерастает в большую коробку, отображая все состояния трехмерной коробки в течение всего времени ее существования. Она может анимироваться и менять форму так, как показано в этом видео:

По логике фильма, если Вы попадете в этот тессеракт, Вы сможете увидеть трехмерное пространство в любой момент времени его существования, например, в виде линий, уходящих в прошлое и будущее. Более того, если учесть предположение, что существует бесконечное множество параллельных реальностей, Вы увидите все линии всех возможных параллельных реальностей, уходящих в бесконечное множество направлений. Именно это и есть концептуальное решение четырехмерного пространства, с которым работала студия. «Нити» времени, которые видит Купер, выглядят как струны, и касаясь их, он может вызывать гравитационные вибрации, таким образом, общаясь со своей дочерью. Это действительно блестящий кусочек художественной научной визуализации!

Но как это снимать?

Установка Нолана, что при создании видеороликов актеры должны взаимодействовать с окружением распространялась и на тессеракт. После попадания в черную дыру Купер оказывается четырехмерном пространстве, в котором он может видеть любые объекты и их «нить» времени. «Крис сказал, что несмотря на то, что это очень абстрактная концепция, он очень бы хотел построить что-то, что мы могли бы снимать в реальности», — рассказывает Франклин, — «Он хотел увидеть Мэттью, физически взаимодействующего с «нитями» времени, в реальном космосе, а не болтающегося напротив зеленого экрана.»

Это подвигло Франклина обдумать, как воплотить визуализацию тессеракта. «Я провел уйму времени, ломая голову, как же реализовать все это в реальном пространстве», — рассказывает он, — Как показать все эти временные «нити» всех объектов в одной комнате, и чтобы это было понятно в физическом смысле. Ведь опасность была в том, что пространство получится настолько загроможденным «нитями», что придется придумывать, как выделить среди них нужные моменты. Плюс к этому было крайне важно, чтобы Купер не только видел «нити» времени, но и видел их обратную реакцию на взаимодействие, и при этом еще мог сам взаимодействовать с предметами в комнате дочери.»

Финальный вид «открытой решетчатой структуры» был вдохновлен именно концепцией тессеракта. «Тессеракт – трехмерная проекция четырехмерного гиперкуба. Он имеет красивую решетчеподобную структуру, так что мы примерно понимали, что будем делать. Долгое время я рассматривал развертки из выполненных на большой выдержке фотографий (slit-scan photography) и то, как эта техника позволяет отобразить одну и ту же точку в пространстве во все моменты времени. Фотография сама по себе превращает время в одно из измерений конечного изображения. Комбинация этой техники съемки и решетчатой структуры тессеракта позволила нам создать эти трехмерные «нити» времени, как бы вытекающие из объекта. Комнаты – это фотографии, моменты, встроенные в решетчатую структуру «нитей» времени, среди которых Купер может искать нужные, перемещая их назад и вперед.»

«Мы закончили строить одну секцию этой физической модели с четырьмя повторяющимися секциями вокруг», — рассказывает Франклин, — «Затем на компьютере мы размножили эти секции до бесконечности таким образом, что куда бы Вы не взглянули, они уходили в вечность. Также во время съемки мы использовали множество реальных проекций. Мы подкладывали активные «нити» времени под реальные секции, используя проекторы. Это дало нам ощущение дрожи и фебрильной энергии – вся информация перетекала вдоль этих «ните» из секции в секцию и обратно. Но, конечно же, каждое изображение финальной версии фильма помимо всего прочего содержит в себе безумное количество цифровых эффектов, встроенных в сцену.»

Но некоторые моменты вынуждали Double Negative перейти полностью на цифровые визуальные эффекты – таким моментом было, например, движение Купера через тоннели тессеракта. «У нас не было достаточного количества секций тессеракта, чтоб отснять это перемещение, поэтому мы снимали Мэттью среди проекционных экранов, на которых вокруг него отображался предчистовой вариант визуализации этой сцены – так что ему было, с чем взаимодействовать», — рассказывает Франклин, — «Актерам все это безумно нравилось, потому что в противовес изготовлению рекламных роликов или фильма на зеленом экране, у них было, на что смотреть. Позже мы заменили эту версию на высококачественную финальную, только лишь в некоторых моментах оставив предчистовую, так как она просто оказалась не в фокусе и была не видна.»

Франклин также отмечает, что немало цифровых эффектов, удаления троссов и огромное количество ротоскоупинга (roto, rotopaint) потребовалось, чтобы закончить эти сцены. В реализации эффектов, выполненных полностью при помощи компьютерной графики, тоже были определенные сложности. Например, в той части, где тессеракт закрывается и начинает разрушаться. «Мы взяли компьютерную геометрию тессеракта, и пропустили ее через вращение гиперкуба. Ребята работали над тем, как воплотить в жизнь трансформацию вращения гиперкуба и применить ее напрямую к геометрии тессеракта, который мы создали. Для меня это был особенный момент. Когда я увидел результаты, я понял, что это идеально, именно то, что я хотел.»

Другой сложной частью по словам Франклина был момент, когда Купер взаимодействует с пылью и рисует двоичный код на полу во время шторма. «Мы должны были работать с движениями Мэттью на площадке в объеме тессеракта и сделать так, чтобы они взаимодействовали с чем-то, что действительно заставляло эти формы появляться на полу в комнате перед ним.»

Спасибо! Надеюсь, Вам было интересно, и мы встретимся с Вами в следующий раз на рассказе о том, чего так старался избегать Кристофер Нолан — кейинге.

Кандидаты в чёрные дыры — Википедия

Имя Созвездие Красное смещение Масса в M⊙{\displaystyle M{\odot }} Расстояние Массивность Одиночная Активность
1ES 2344+514 Кассиопея[3] 0.044[4] 108.80±0.16[4] 172 мегапарсек[3] Сверхмассивная Блазар
3C 66B (англ.)русск. Андромеда 0.021258 (1.2+0.5−0.2) × 109, (7.0+4.7−6.4) × 108[5] 300 млн св. лет Сверхмассивная двойная[5] Радиогалактика
3C 75 Кит 0.0231 296 млн св. лет Сверхмассивная двойная Активная
3C 371 (англ.)русск. Дракон[3] 0.05 730 млн св. лет Сверхмассивная Блазар
4C +37.11 Сверхмассивная
AP Lib Сверхмассивная
APM 08279+5255 Сверхмассивная
Arp 220 Сверхмассивная
Центавр A (NGC 5128) 12 млн св. лет Сверхмассивная
EXO 0706.1+5913 Сверхмассивная
Fornax A Сверхмассивная
HE0450-2958 Сверхмассивная
IC 1459 Сверхмассивная
J1728.2+5013 Сверхмассивная
MCG-6-30-15 Сверхмассивная
Messier 31 2,52±0,14 млн св. лет Сверхмассивная
Messier 32 2,9 млн св. лет Сверхмассивная
Messier 60 60 млн св. лет Сверхмассивная
Messier 77 Сверхмассивная
Messier 81 Сверхмассивная
Messier 84 Сверхмассивная
Messier 87 Сверхмассивная
Messier 105 Сверхмассивная
Messier 106 Сверхмассивная
Mrk 180 Сверхмассивная
Mrk 421 Сверхмассивная
Mrk 501 Сверхмассивная
NGC 821 Сверхмассивная
NGC 1023 Сверхмассивная
NGC 1097 Сверхмассивная
NGC 1277 Персей +0,0166 17±3 млрд 220 млн св. лет Сверхмассивная
NGC 1566 Сверхмассивная
NGC 2778 Сверхмассивная
NGC 2787 Сверхмассивная
NGC 3079 Сверхмассивная
NGC 3115 Сверхмассивная
NGC 3245 Сверхмассивная
NGC 3377 Сверхмассивная
NGC 3384 Сверхмассивная
NGC 3608 Сверхмассивная
NGC 3894 Сверхмассивная
NGC 3998 Сверхмассивная
NGC 4151 Сверхмассивная
NGC 4261 Сверхмассивная
NGC 4291 Сверхмассивная
NGC 4342 Сверхмассивная
NGC 4350 Сверхмассивная
NGC 4438 Сверхмассивная
NGC 4459 Сверхмассивная
NGC 4473 Сверхмассивная
NGC 4486B Дева 0,005144 ± 0,000130 6+3−2*108 Сверхмассивная
NGC 4564 Сверхмассивная
NGC 4579 Сверхмассивная
NGC 4596 Сверхмассивная
NGC 4697 Сверхмассивная
NGC 4742 Сверхмассивная
NGC 4791 Сверхмассивная
NGC 4945 Сверхмассивная
NGC 5033 Сверхмассивная
NGC 5845 Сверхмассивная
NGC 6251 Сверхмассивная
NGC 7052 Сверхмассивная
NGC 7457 Сверхмассивная
OJ 287 Рак 18,1 млрд 3,5 млрд. световых лет Сверхмассивная Лацертида
PKS 0521-365 Сверхмассивная
PKS 0548-322 Сверхмассивная
PKS 2201+044 Сверхмассивная
Q0906+6930 Большая Медведица 5,47 1010 12,7 млрд св. лет Сверхмассивная Блазар
SDSS J0159+0033[6] 100 млн.[6] Сверхмассивная[6]
Стрелец A* (Sagittarius A*, Sgr A*) Стрелец (4,31 ± 0,36)·106 26 000 св. лет Сверхмассивная
Сомбреро (Messier 110, M 104, NGC 4594) Дева 109 28 млн св. лет
Водоворот (Messier 51, M51, NGC 5194/5194) Гончие Псы 23 млн св. лет Сверхмассивная
A0620-200 8-15 (Солнце=1) 3000 св. лет
Лебедь X-1 Лебедь 14,8[7] 6070 св. лет двойная
Лебедь X-3 Лебедь 15 30 000 св. лет двойная Блазар[8]
A0620-00 Единорог 3-5[9] ~3000 св. лет[9] двойная
GRO J1655-40 Скорпион 5 500—11 000 св. лет[10] двойная
GRS 1124-683 3,01 ± 0,15 двойная
M33 X-7 Треугольник 70/15,65[11][12] 3 млн световых лет[12] двойная
SS 433 Орёл 18 000±700 св. лет[13] двойная

кротовые норы, черные дыры, пространство-время :: Инфониак

Наука в фильме "Интерстеллар": кротовые норы, черные дыры, пространство-времяНаука

Недавно вышедший на экраны визуально-захватывающий фильм «Интрестеллар» основывается на реальных научных понятиях, таких как вращающиеся черные дыры, кротовые норы и расширение времени

Но если вы не знакомы с этими понятиями, то возможно, слегка запутаетесь во время просмотра.

Читайте также: 20 фильмов, над которыми придется серьезно поломать голову

В фильме команда космических исследователей отправляется во внегалактическое путешествие сквозь кротовую нору. На другой стороне они попадают в иную Солнечную систему с вращающейся черной дырой вместо звезды.

Они находятся в гонке с пространством и временем, чтобы выполнить свою миссию. Такое космическое путешествие может показаться слегка запутанным, но оно основывается на основных принципах физики.

Вот основные 5 понятий физики, которые нужно знать, чтобы понять «Интерстеллар»:

Искусственная гравитация

intestellar-4.jpg

Самой большой проблемой, с которой сталкиваемся мы, люди, при длительных космических путешествиях, является невесомость. Мы родились на Земле, и наше тело приспособилось к определенным гравитационным условиям, но когда мы находимся в космосе длительное время, наши мышцы начинают ослабевать.

Читайте также: 10 изменений, которые происходят с нашим телом в космосе

С этой проблемой сталкиваются и герои в фильме «Интерстеллар».

intestellar-7.jpg

Чтобы справиться с этим, ученые создают искусственную гравитацию в космических кораблях. Одним из способов сделать это – раскрутить космический корабль, как в фильме. Вращение создает центробежную силу, которая отталкивает объекты к внешним стенкам корабля. Это отталкивание похоже на гравитацию, только в обратном направлении.

Такую форму искусственной гравитации вы испытываете, когда едете вокруг кривой малого радиуса и вам кажется, что вас отталкивает наружу, от центральной точки кривой. Во вращающемся космическом корабле стены для вас становятся полом.

Вращающаяся черная дыра в космосе

intestellar-10.jpg

Астрономы, хотя и косвенно, наблюдали в нашей Вселенной вращающиеся черные дыры. Никто не знает, что находится в центре черной дыры, но у ученых есть для этого название – сингулярность.

Вращающиеся черные дыры искажают пространство вокруг себя по-иному в отличие от неподвижных черных дыр.

Этот процесс искажения называется «увлечение инерциальных систем отсчёта» или эффект Лензе-Тирринга, и оно влияет на то, как будет выглядеть черная дыра, искажая пространство, и что более важно пространство-время вокруг нее. Черная дыра, которую вы видите в фильме, достаточно сильно приближена к научному понятию.

intestellar-2.jpg

  • Космический корабль «Эндюранс» направляется к Гаргантюа — вымышленной сверхмассивной черной дыре массой в 100 миллион раз больше Солнца. 

  • Она находится на расстоянии 10 миллиардов световых лет от Земли, и вокруг нее вращается несколько планет. Гаргантюа вращается с поразительной скоростью 99,8 процентов от скорости света.

  • Аккреционный диск Гарагантюа содержит газ и пыль с температурой поверхности Солнца. Диск снабжает планеты Гаргантюа светом и теплом.

intestellar-6.jpg

Сложный вид черной дыры в фильме связан с тем, что изображение аккреционного диска искривлено гравитационным линзированием. На изображении появляется две дуги: одна образуется над черной дырой, а другая под ней.

Кротовая нора

intestellar-11.jpg

Кротовая нора или червоточина, которую использует экипаж в «Интерстеллар» – это одно из явлений в фильме, существование которого не доказано. Она гипотетическая, но очень удобная в сюжетах научно-фантастических историй, где нужно преодолеть большое космическое расстояние.

Просто кротовые норы – это своего рода кратчайший путь сквозь пространство. Любой объект с массой создает норку в пространстве, что означает, что пространство можно растягивать, деформировать и даже складывать.

Червоточина — это как складка на ткани пространства (и времени), которая соединяет две очень далекие области, что помогает космическим путешественникам преодолеть большое расстояние за короткий период времени.

Официальное название кротовой норы – «мост Эйнштейна-Розена», так как впервые она была предложена Альбертом Эйнштейном и его коллегой Натаном Розеном в 1935 году.

intestellar-3.jpg

  • В двухмерных диаграммах устье кротовой норы показано в виде круга. Однако, если бы мы могли увидеть кротовую нору, она бы выглядела, как сфера. 

  • На поверхности сферы был бы виден гравитационно искаженный вид пространства с другой стороны «норы».

  • Размеры кротовой норы в фильме: 2 км в диаметре и расстояние переноса — 10 миллиардов световых лет.

Гравитационное замедление времени

intestellar-1.jpg

Гравитационное замедление времени – это реальное явление, наблюдаемое на Земле. Оно возникает потому, что время относительно. Это означает, что оно течет по-разному для различных систем координат.

Когда вы находитесь в сильной гравитационной среде, время течет медленнее для вас по сравнению с людьми, находящимися в слабой гравитационной среде.

Читайте также: 5 поразительных фактов о времени

Если вы находитесь возле черной дыры, как в фильме, ваша система координат, а, следовательно, восприятие времени отличается от восприятия того, кто находится на Земле. Это потому, что гравитационное притяжение черной дыры тем сильнее, чем ближе вы к ней находитесь.

intestellar-13.jpeg intestellar-12.jpeg

  • Согласно уравнению Эйнштейна время течет медленнее в более высоких гравитационных полях. То же самое происходит на планете, близкой к черной дыре: часы тикают медленнее, чем на космическом корабле, вращающемся дальше.

  • Присутствие массы искривляет мембрану, как резиновый лист.

  • Если достаточно массы концентрируется в одной точке, формируется сингулярность. Объекты приближающиеся к сингулярности проходят через горизонт событий, из которого они никогда не возвращаются.

Для вас минута возле черной дыры будет длиться 60 секунд, но если бы вы могли взглянуть на часы на Земле, минута продлилась бы меньше 60 секунд. Это значит, что вы будете стареть медленнее людей на Земле, и чем сильнее гравитационное поле, в котором вы находитесь, тем сильнее замедляется время.

Это играет важную роль в фильме, когда исследователи встречаются с черной дырой в центре другой Солнечной системы.

Пятимерная Вселенная

intestellar-14.jpeg

Альберт Эйнштейн последние 30 лет своей жизни посвятил разработке «теории всего«, которая бы сочетала математические понятия гравитации с другими тремя фундаментальными силами природы: сильную силу, слабую силу и электромагнитную силу. Ему, как впрочем, и другим физикам это не удалось.

Некоторые физики считают, что единственный способ разгадать эту загадку — это воспринимать нашу Вселенную, как 5-мерную, а не 4-мерную, как предлагал Эйнштейн в теории относительности, где сочетается трехмерное пространство с одномерным временем.

В фильме наша Вселенная представлена в 5-ти измерениях, и гравитация играет важную роль во всем этом.

intestellar-9.jpg

Нашу трехмерную Вселенную можно представить в виде плоской мембраны (или «браны»), плавающую в четырехмерном гиперпространстве.

Трейлер «Интерстеллар» 2014

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *