Черната дупка Гаргантюа съществува. Леща на бързовъртяща се черна дупка - Гаргантюа

Черните дупки не излъчват светлина, така че единственият начин да видим Гаргантюа е чрез влиянието му върху светлината от други обекти. IN Междузвездендруги обекти са акреционният диск (Глава 9) и галактиката, в която се намира, включително мъглявини и изобилно звездно поле. За по-голяма простота нека засега включим само звездите.

Гаргантюа хвърля черна сянка върху звездното поле и също така пречупва лъчите на светлината от всяка звезда, изкривявайки звездния модел, видим на камерата. Това изкривяване е гравитационна леща, описана в глава 3.

Фигура 8.1 показва бързо въртяща се черна дупка (да я наречем Гаргантюа) срещу звездно поле, както би ви изглеждало, ако сте в екваториалната равнина на Гаргантюа. Сянката на Гаргантюа е напълно черна област. Точно зад ръба на сянката има много тънък пръстен от звездна светлина, наречен "огнен пръстен", който ръчно подобрих, за да направя ръба на сянката по-остър. Извън пръстена виждаме плътен спрей от звезди в концентричен модел, създаден от гравитационната леща.

Ориз. 8.1.Звезден модел, създаден от гравитационна леща около бързо въртяща се черна дупка като Гаргантюа. Когато се гледа от разстояние, ъгловият диаметър на сянката в радиани е 9 радиуса на Гаргантюа, разделени на разстоянието на наблюдателя от Гаргантюа. [Моделирано за тази книга от екипа за визуални ефекти в Double Negative.]

Докато камерата се движи около Гаргантюа, изглежда, че звездите се движат. Това движение, комбинирано с лещата, създава грандиозно променящи се светлинни модели. В някои области звездите текат с висока скорост, в други текат спокойно, в трети замръзват на място; вижте видеоклипа на страницата на тази книга на Interstellar.withgoogle.com.

В тази глава обяснявам всички тези нюанси, започвайки със сянката и нейния огнен пръстен. След това ще опиша как всъщност са получени изображенията на черната дупка Междузвезден.

Изобразявайки Гаргантюа в тази глава, смятам, че това е бързо въртяща се черна дупка, каквато трябва да бъде, за да осигури изключителна загуба на време на екипажа Издръжливостпо отношение на Земята (Глава 6). Въпреки това, в случай на бързо въртене, масовата публика може да бъде объркана от плоскостта на левия ръб на сянката на Гаргантюа (Фигура 8.1) и някои специфични характеристики на звездния поток и акреционния диск, така че Кристофър Нолан и Пол Франклин избраха по-нисък скорост на въртене - 60 процента от максималната - за изображенията на Гаргантюа във филма. Вижте последния раздел в Глава 9.

Предупреждение: Обясненията в следващите три раздела може да изискват много умствени усилия; те могат да бъдат пропуснати, без да се загуби нишката на останалата част от книгата. Няма нужда да се тревожиш!

Сянката и нейният огнен пръстен

Да приемем, че сте на жълтата точка. Бели лъчи АИ Б, както и други лъчи като тях, ви носят образа на огнен пръстен и черни лъчи АИ Бносят изображение на ръба на сянката. Например бял лъч Аизлъчвайки се от някаква звезда, далеч от Гаргантюа, той се придвижва навътре и остава в капан по вътрешния ръб на огнената обвивка в екваториалната равнина на Гаргантюа, където лети отново и отново в кръг, задвижван от пространствен вихър, след което се измъква и достига твоите очи. Black Ray, също подписан А, идва от хоризонта на събитията на Гаргантюа, той се движи навън и остава в капан на същия вътрешен ръб на огнената обвивка, след което избяга и достига очите ви рамо до рамо с белия лъч А. Белият лъч носи изображението на парче от тънък пръстен, а черният носи изображението на парче от ръба на сянката. Огнената черупка е отговорна за привеждането им отстрани и насочването им към очите ви.

Ориз. 8.2.Гаргантюа ( сфера в центъра), неговата екваториална равнина ( син), огнена черупка ( розово и лилаво) и черни и бели лъчи, носещи изображението на ръба на сянката и тънкия пръстен около него.

По същия начин за белите и черните лъчи Б, само те попадат в капан на външната граница на огнената обвивка и се движат по посока на часовниковата стрелка (проправяйки си път към пространствения вихър), докато лъчите Апопадат в капан на вътрешната граница и се движат обратно на часовниковата стрелка (и пространственият вихър ги поема). На фигура 8.1 левият ръб на сянката е сплескан, а десният ръб е заоблен поради факта, че лъчите А(от левия край) идват от вътрешната граница на огнената черупка, много близо до хоризонта, и лъчите Б(от левия край) - отвън, разположен много по-далеч от хоризонта.

Черни лъчи ° СИ дна Фигура 8.2 те започват от хоризонта, придвижват се навън и попадат в капан в неекваториални орбити в огнена черупка, след което излизат от орбитите си в капан и достигат до очите ви, носейки изображения на парчета от ръба на сянката, лежащи извън екваториалната самолет. Орбита на уловителя на лъча дпоказано във вмъкването горе вдясно. Бели лъчи СЪСИ д(не са показани), идващи от далечни звезди, са уловени един до друг с черни лъчи ° СИ ди се придвижете към очите си рамо до рамо с ° СИ д, носещ изображения на парчетата огнени пръстени рамо до рамо с частите на сенчестия ръб.

Невъртяща се леща за черна дупка

За да разберем модела на звездите, пречупени от гравитационна леща и как те протичат, докато камерата се движи, нека започнем с невъртяща се черна дупка и светлинните лъчи, идващи от една звезда (Фигура 8.3). Два лъча светлина преминават от звездата към камерата. Всеки от тях се движи по възможно най-правия път в извитото пространство на дупката, но поради кривината всяка греда се огъва.

Единият извит лъч се движи към камерата около левия край на сянката, а другият около десния й край. Всеки лъч носи собствен образ на звездата към камерата. Тези две изображения, както се виждат от камерата, са показани във вмъкването на Фигура 8.3. Оградих ги в червено, за да ги разгранича от всички останали звезди, които се виждат на камерата. Забележете, че дясното изображение е много по-близо до сянката на дупката, отколкото лявото. Това е така, защото неговият извит лъч премина по-близо до хоризонта на събитията на дупката.

Ориз. 8.3. горе:Извито пространство на невъртяща се черна дупка, както се вижда от обема и два лъча светлина, движещи се в извито пространство от звездата към камерата. отдолу:Звезден модел, пречупен от гравитационна леща, както се вижда от камерата. [Моделиран от Ален Риазуело; вижте видео на неговия модел на www2.iap.fr/users/riazuelo/interstellar.]

Всяка друга звезда се вижда два пъти на снимката, от противоположните страни на сянката на дупката. Можете ли да разпознаете някакви двойки? Сянката на черната дупка в снимката се състои от посоки, от които нито един лъч не може да достигне камерата; Погледнете триъгълната област, обозначена като "сянка" в горната диаграма. Всички лъчи, които „искат“ да бъдат в сянката, са уловени и погълнати от черна дупка.

Докато камерата се движи надясно в своята орбита (Фигура 8.3), звездният модел, наблюдаван от камерата, се променя, както е показано на Фигура 8.4.

На тази снимка са подчертани две отделни звезди. Единият е ограден в червено (същата звезда е оградена на фигура 8.3). Другият е вътре в жълтия маркер. Виждаме две изображения на всяка звезда: едно извън розовия кръг, едно вътре. Розовият кръг се нарича "пръстен на Айнщайн".

Докато камерата се движи надясно, изображенията се движат по червените и жълтите криви.

Изображенията на звездите извън пръстена на Айнщайн (да ги наречем първични изображения) се движат, както бихте очаквали: плавно отляво надясно, но се отклоняват от черната дупка, докато се движат. (Можете ли да обясните защо се получава отклонението отдупки, а не към него?)

Ориз. 8.4.Променящият се звезден модел, наблюдаван от камерата, докато се движи надясно по своята орбита на Фигура 8.3. [Моделиран от Ален Риазуело; вижте www2.iap.fr/users/riazuelo/interstellar.]

Въпреки това вторичните изображения в пръстена на Айнщайн се движат по неочакван начин: изглежда, че излизат от десния край на сянката, преместват се навън в пръстена между сянката и пръстена на Айнщайн, въртят се около сянката и обратно надолу до ръба на сянката. Това може да се разбере, като се върнете към горната снимка на Фигура 8.3. Десният лъч минава близо до черната дупка, така че дясното изображение на звездата е до нейната сянка. В по-ранен момент, когато камерата беше отляво, десният лъч трябваше да премине още по-близо до черната дупка, за да се огъне повече и да достигне камерата, така че дясното изображение беше много близо до ръба на сянка. За разлика от това, в по-ранен момент левият лъч премина доста далеч от дупката, така че беше почти прав и създаде изображение доста далеч от сянката.

Сега, ако сте готови, помислете за последващото движение на изображенията, заснети на Фигура 8.4.

Бързо въртяща се леща за черна дупка: Гаргантюа

Пространственият вихър, създаден от бързото въртене на Гаргантюа, променя гравитационната леща. Звездните модели на Фигура 8.1 (Гаргантюа) изглеждат малко по-различни от тези на Фигура 8.4 (невъртяща се черна дупка), а течащите модели са още по-различни.

В случая на Гаргантюа струята (Фигура 8.5) разкрива два пръстена на Айнщайн, показани като розови криви. Извън външния пръстен звездите се движат надясно (например по двете червени криви), както в случая с невъртящата се черна дупка на фигура 8.4. Обаче пространствен вихър концентрира потока в тесни високоскоростни ивици по задния ръб на сянката на дупката, извивайки се рязко на екватора. Вихърът също създава турбуленция в струята (затворени червени криви).

Вторично изображение на всяка звезда се вижда между два пръстена на Айнщайн. Всяко второстепенно изображение се върти по протежение на затворена крива (например две жълти криви) и се върти в обратна посока на червеното течащо движение извън външния пръстен.

Ориз. 8.5.Чертеж на звезден поток, както се вижда от камера до бързо въртяща се черна дупка като Гаргантюа. В този модел от екипа за визуални ефекти Double Negative, дупката се върти с 99,9 процента от максималната си скорост, а камерата е в кръгова екваториална орбита с обиколка шест пъти по-голяма от обиколката на хоризонта. Вижте видеоклип на този модел на страницата на тази книга на Interstellar.withgoogle.com.

В небето на Гаргантюа има две много специални звезди с изключена гравитационна леща. Единият се намира точно над северния полюс на Гаргантюа, а другият точно под южния полюс. Това са аналози на Полярната звезда, която се намира точно над северния полюс на Земята. Поставих петолъчни звезди върху първичните (червени) и вторичните (жълти) изображения на полярните звезди на Гаргантюа. Всички звезди в небето на Земята изглежда се въртят около Полярната звезда, докато сме привлечени в кръг от въртенето на Земята. По същия начин, в Гаргантюа, всички първични звездни изображения се въртят около червените изображения на полярните звезди, докато камерата се движи по орбитата на дупката, но техните орбитални траектории (например двете червени криви на турбулентност) са силно изкривени от пространствения вихър и гравитационната леща. По същия начин всички изображения на вторични звезди обикалят около изображенията на жълтите полярни звезди (напр. по две изкривени жълти криви).

Защо, в случай на невъртяща се черна дупка (Фигура 8.4), се вижда как вторичните изображения излизат от сянката на черната дупка, въртят се около дупката и се спускат обратно в сянката, вместо да се въртят в затворена крива , както в случая с Гаргантюа (Фигура 8.5)? Всъщност те го правят Приложипо затворена крива в случай на невъртяща се черна дупка. Но вътрешният ръб на тази затворена крива е толкова близо до ръба на сянката, че не може да се види. Въртенето на Гаргантюа създава пространствен вихър и този вихър избутва вътрешния пръстен на Айнщайн навън, разкривайки модела на пълно обръщане на вторичните изображения (жълти криви на фигура 8.5) и вътрешния пръстен на Айнщайн.

Вътре във вътрешния пръстен на Айнщайн моделът на потока е по-сложен. Звездите в този регион са образи от третичен и по-висок слой на всички звезди във Вселената - същите, които се виждат като първични изображения извън външния пръстен на Айнщайн и като вторични изображения между пръстените на Айнщайн.

На фигура 8.6 показвам пет малки снимки на екваториалната равнина на Гаргантюа, като самият Гаргантюа е показан в черно, орбитата на камерата в розово и светлинният лъч в червено. Лъчът светлина пренася изображението на звезда към камерата, която се намира на върха на синята стрелка. Камерата се движи около Гаргантюа обратно на часовниковата стрелка.

Наистина можете да разберете гравитационната леща, ако прегледате тези снимки една по една. Обърнете внимание, че истинската посока на звездата е нагоре и надясно (погледнете външните краища на червените лъчи). Камерата и началото на всеки лъч сочат към изображението на звездата. Десетото изображение е много близо до левия край на сянката, а дясното вторично изображение е близо до десния край; Сравнявайки посоките на камерата за тези изображения, виждаме, че сянката заема дъга от около 150 градуса в посока нагоре. Това е въпреки факта, че действителната посока от камерата към центъра на Гаргантюа е наляво и нагоре. Обективът измести сянката спрямо сегашното положение на Гаргантюа.

Ориз. 8.6.Лъчи светлина, които носят изображения на звезди в върховете на сините стрелки. (на английски: първичен - първичен, вторичен - вторичен, третичен - третичен.) [От същия двоен отрицателен модел, както на фигури 8.1 и 8.5.]

Създаване на визуални ефекти на черна дупка и червеева дупка в Междузвезден

Крис искаше Гаргантюа да изглежда така Всъщностизглежда като бързо въртяща се черна дупка отблизо, така че той помоли Пол да се консултира с мен. Пол ме свърза с екипа Междузвезден, които той състави в студиото за визуални ефекти Double Negative в Лондон.

Изпаднах в лудост, работейки в тясно сътрудничество с Оливър Джеймс, главния учен. С Оливър говорихме по телефона и Skype, разменихме имейли и файлове и се срещнахме лично в Лос Анджелис и в неговия офис в Лондон. Оливър има дипломи по оптика и атомна физика и разбира законите на относителността на Айнщайн, така че говорихме на същия технически език.

Някои от моите колеги физици вече са направили компютърни модели на това, което един наблюдател би видял, докато обикаля около черна дупка или дори пада в нея. Най-добрите експерти бяха Ален Риазуело от Institut d'Astrophysique в Париж и Андрю Хамилтън от университета в Колорадо Боулдър. Андрю създаде видеоклип за черните дупки, който се показва в планетариумите по света, а Ален симулира черни дупки, които се въртят много, много бързо, като Гаргантюа.

Така че моят първоначален план беше да свържа Оливър с Ален и Андрю и да ги помоля да му дадат необходимата информация. Няколко дни се чувствах неудобно от това решение, след което промених решението си.

По време на моята половинвековна кариера като физик съм посветил големи усилия да правя нови открития сам и да наставлявам студенти да правят нови открития. Защо, за разнообразие, не направя нещо само защото е забавно, попитах се, дори ако други вече са го направили преди мен? Така че се нахвърлих върху това „нещо“. И беше забавно. И за моя изненада, това (скромно) доведе до нови открития като страничен продукт.

Използвайки законите на относителността и черпейки до голяма степен от работата на предшествениците си (особено Брандън Картър от Laboratoire Univers et Théories във Франция и Жана Левин от Колумбийския университет), изведох уравненията, от които Оливър се нуждаеше. Тези уравнения изчисляват траекториите на светлинните лъчи, започващи от някакъв източник на светлина, като далечна звезда, и се движат през извитото пространство на Гаргантюа към камерата. От тези лъчи светлина моите уравнения след това изчисляват изображенията, видени от камерата, като вземат предвид не само източниците на светлина и изкривяването на пространството и времето от Гаргантюа, но и движението на камерата около Гаргантюа.

След като получих тези уравнения, аз ги изпробвах сам с помощта на приятелски софтуер, наречен Mathematica. Сравних изображенията, създадени от моя компютърен код на Mathematica, с изображенията на Ален Риазуело и когато те се съгласиха, бях въодушевен. След това написах подробни описания на моите уравнения и ги изпратих на Оливър в Лондон, заедно с моя код на Mathematica.

Кодът ми беше много бавен и имаше ниска резолюция. Работата на Оливър беше да преведе моите уравнения в компютърен код, който можеше да произведе изключително висококачествени IMAX изображения, необходими за филма.

С Оливър го направихме стъпка по стъпка. Започнахме с невъртяща се черна дупка и неподвижна камера. След това добавихме въртенето на черната дупка. След това добавиха движение на камерата: първо движение в кръгова орбита, а след това падане в черна дупка. След това преминаваме към камерата, която се върти около дупката.

Това е мястото, където Оливър ме удари като гръм от ясно небе: за да моделира най-фините ефекти, той ще има нужда не само от уравнения, описващи траекториите на светлинните лъчи, но и от уравнения, описващи как напречното сечение на светлинния лъч променя размера и формата като минава през червеевата дупка .

Горе-долу знаех как да го направя, но уравненията бяха ужасно объркващи и се страхувах да не сгреша. Така че потърсих техническата литература и открих, че през 1977 г. Серж Пино и Роб Рубер от университета в Торонто са получили необходимите уравнения в почти формата, от която се нуждаех. След три седмици борба със собствената си глупост, разбрах точно техните уравнения, изразих ги в Mathematica и ги написах на Оливър, който ги включи в собствения си компютърен код. В крайна сметка неговият код успя да произведе качествените изображения, необходими за филма.

В Double Negative компютърният код на Оливър беше само началото. Той го предаде на художествения екип, ръководен от Еугени фон Танзелман, който добави акреционен диск (Глава 9) и създаде фонова галактика със звезди и мъглявини, които ще бъдат изкривени от лещата на Гаргантюа. След това нейният екип добави Издръжливост, Rangers и Landers и анимация на камерата (промяна на движението, посоката, зрителното поле и т.н.) и оформя изображенията в много убедителни форми: в невероятни сцени, които се появяват във филма. Продължава в глава 9.

Междувременно се озадачавах над висококачествените видеоклипове, които Оливър и Юджиния ми бяха изпратили, опитвайки се упорито да разбера защо изображенията изглеждат така, както изглеждат, и звездните полета текат по начина, по който изглеждат. За мен тези видеоклипове са като експериментални данни: те разкриват неща, които никога не бих разбрал сам без тези модели - като това, което описах в предишния раздел (Фигури 8.5 и 8.6). Ще публикуваме техническа статия или две, описващи какво сме научили.

Външен вид на Gravity Slings

Въпреки че Крис реши да не показва никакви гравитационни прашки Междузвезден, чудех се как щяха да изглеждат за Купър, докато водеше рейнджъра към планетата на Милър. Така че използвах моите уравнения и Mathematica, за да моделирам изображенията. (Изображенията ми са с много по-ниска разделителна способност от тези на Оливър и Юджини поради бавния код на моя код.)

Фигура 8.7 показва поредица от изображения, както се вижда от Рейнджър Купър, докато се изпомпва около черна дупка с междинна маса (IMBH), за да започне спускането си към планетата на Милър - в моята научна интерпретация Междузвезден. Това е прашката, описана на фигура 7.2.

Фигура 8.7.Гравитационна прашка около ChDSM на фона на Гаргантюа [Моят собствен модел и изобразяване.]

На горното изображение Гаргантюа е зад нея, а BDSM минава пред нея. HDSM улавя лъчи светлина от далечни звезди, насочени към Гаргантюа, завърта ги около себе си и ги хвърля към камерата. Това обяснява поничката от звездна светлина около сянката на BSSM. Въпреки че BSSM е хиляда пъти по-малък от Гаргантюа, той е много по-близо до Рейнджър от Гаргантюа, така че изглежда само умерено по-малък.

Докато камерата с прашка се движи надясно, тя оставя първичната сянка на Гаргантюа зад себе си (средна снимка на Фигура 8.7) и избутва вторичното изображение на сянката на Гаргантюа пред себе си. Тези две изображения са точно същите като първичните и вторичните изображения на звезда, пречупена от гравитационната леща на черна дупка; но сега обективът на ChDSM пречупва сянката на Гаргантюа. В долната снимка размерът на вторичната сянка се свива, докато BDS се движи по-нататък. В този момент гравитационната прашка е почти завършена и камерата на борда на Рейнджър се спуска надолу към планетата на Милър.

Колкото и впечатляващи да са тези изображения, те могат да се видят само близо до BSSM и Гаргантюа, а не от огромното разстояние до Земята. За астрономите на Земята най-впечатляващите оптични ефекти на гигантските черни дупки са струите, излизащи от тях, и светлината от блестящия газов диск в тяхната орбита. Сега ще се обърнем към тях.

Съвсем наскоро науката разбра надеждно какво е черна дупка. Но веднага щом учените разбраха този феномен на Вселената, върху тях се стовари нов, много по-сложен и объркващ: свръхмасивна черна дупка, която не може да се нарече черна, а по-скоро ослепително бяла. Защо? Но защото точно това е определението, дадено на центъра на всяка галактика, който свети и блести. Но щом стигнеш там, не остава нищо друго освен чернота. Що за пъзел е това?

Напомняне за черните дупки

Известно е със сигурност, че обикновена черна дупка е някогашна блестяща звезда. На определен етап от съществуването си той започна да се увеличава неимоверно, докато радиусът остана същият. Ако по-рано звездата се „разширяваше“ и растеше, сега силите, концентрирани в нейното ядро, започнаха да привличат всички останали компоненти. Краищата му се „свиват“ към центъра, образувайки невероятен колапс, който се превръща в черна дупка. Такива „бивши звезди“ вече не светят, а са напълно външно невидими обекти на Вселената. Но те са много забележими, тъй като поглъщат буквално всичко, което попада в техния гравитационен радиус. Не е известно какво се крие зад такъв хоризонт на събитията. Въз основа на фактите такава огромна гравитация буквално ще смаже всяко тяло. Но напоследък не само писатели на научна фантастика, но и учени се придържат към идеята, че това могат да бъдат своеобразни космически тунели за пътуване на дълги разстояния.

Какво е квазар?

Свръхмасивна черна дупка има подобни свойства, с други думи, ядрото на галактика, което има свръхмощно гравитационно поле, което съществува поради нейната маса (милиони или милиарди слънчеви маси). Принципът на образуване на свръхмасивни черни дупки все още не е установен. Според една версия причината за този колапс са прекалено компресирани газови облаци, газът в които е изключително разреден и температурата е невероятно висока. Втората версия е увеличаване на масите на различни малки черни дупки, звезди и облаци до един гравитационен център.

Нашата галактика

Свръхмасивната черна дупка в центъра на Млечния път не е от най-мощните. Факт е, че самата галактика има спирална структура, която от своя страна принуждава всички нейни участници да бъдат в постоянно и сравнително бързо движение. По този начин гравитационните сили, които биха могли да бъдат концентрирани изключително в квазара, изглежда се разсейват и нарастват равномерно от ръба към ядрото. Лесно е да се досетите, че при елиптичните или, да речем, неправилните галактики нещата стоят точно обратното. В „покрайнините“ пространството е изключително разредено, планетите и звездите практически не се движат. Но в самия квазар животът буквално кипи.

Параметри на квазара на Млечния път

Използвайки радиоинтерферометрия, изследователите успяха да изчислят масата на свръхмасивната черна дупка, нейния радиус и гравитационната сила. Както беше отбелязано по-горе, нашият квазар е слаб, трудно е да го наречем свръхмощен, но дори самите астрономи не очакваха, че истинските резултати ще бъдат такива. И така, Стрелец A* (това е името на ядрото) е равен на четири милиона слънчеви маси. Освен това, според очевидни данни, тази черна дупка дори не абсорбира материя и обектите, които се намират около нея, не се нагряват. Беше забелязан и интересен факт: квазарът буквално е заровен в газови облаци, чиято материя е изключително разредена. Може би еволюцията на свръхмасивната черна дупка на нашата галактика едва започва и след милиарди години тя ще се превърне в истински гигант, който ще привлече не само планетарни системи, но и други, по-малки

Колкото и малка да е масата на нашия квазар, това, което най-много порази учените, е неговият радиус. Теоретично такова разстояние може да бъде изминато за няколко години на някой от съвременните космически кораби. Размерите на свръхмасивната черна дупка са малко по-големи от средното разстояние от Земята до Слънцето, а именно 1,2 астрономически единици. Гравитационният радиус на този квазар е 10 пъти по-малък от главния диаметър. С такива индикатори, естествено, материята просто няма да може да се отдели, докато не пресече директно хоризонта на събитията.

Парадоксални факти

Галактиката принадлежи към категорията на младите и новите звездни купове. Това се доказва не само от неговата възраст, параметри и позиция на картата на космоса, позната на човека, но и от силата, която притежава нейната свръхмасивна черна дупка. Въпреки това, както се оказа, не само младите могат да имат „смешни“ параметри. Много квазари, които имат невероятна сила и гравитация, изненадват със своите свойства:

• Обикновеният въздух често е по-плътен от свръхмасивните черни дупки.
• Веднъж на хоризонта на събитията, тялото няма да изпитва приливни сили. Факт е, че центърът на сингулярността е доста дълбок и за да стигнете до него, ще трябва да извървите дълъг път, без дори да подозирате, че няма да има път назад.

Гиганти на нашата Вселена

Един от най-обемните и най-старите обекти в космоса е свръхмасивната черна дупка в квазара OJ 287. Това е цял лацертид, разположен в съзвездието Рак, който между другото е много слабо видим от Земята. Тя се основава на двоична система от черни дупки, следователно има два хоризонта на събитията и две точки на сингулярност. По-големият обект има маса от 18 милиарда слънчеви маси, почти същата като малка пълноценна галактика. Този спътник е статичен; само обекти, които попадат в неговия гравитационен радиус, се въртят. По-малката система тежи 100 милиона слънчеви маси и също има орбитален период от 12 години.

Опасен квартал

Установено е, че галактиките OJ 287 и Млечният път са съседи – разстоянието между тях е приблизително 3,5 милиарда светлинни години. Астрономите не изключват възможността в близко бъдеще тези две космически тела да се сблъскат, образувайки сложна звездна структура. Според една от версиите, именно поради приближаването на такъв гравитационен гигант, движението на планетните системи в нашата галактика непрекъснато се ускорява, а звездите стават по-горещи и по-активни.

Супермасивните черни дупки всъщност са бели

В самото начало на статията беше повдигнат много чувствителен въпрос: цветът, в който най-мощните квазари се появяват пред нас, трудно може да се нарече черен. Дори и най-простата снимка на всяка галактика може да се види с просто око, че центърът й е огромна бяла точка. Защо тогава смятаме, че това е свръхмасивна черна дупка? Снимки, направени с телескопи, ни показват огромен клъстер от звезди, които са привлечени от ядрото. Планетите и астероидите, които обикалят наблизо, се отразяват поради близостта си, като по този начин умножават цялата присъстваща наблизо светлина. Тъй като квазарите не привличат всички съседни обекти със светкавична скорост, а само ги задържат в гравитационния си радиус, те не изчезват, а започват да светят още повече, защото температурата им бързо се покачва. Що се отнася до обикновените черни дупки, които съществуват в космоса, името им е напълно оправдано. Размерите са сравнително малки, но силата на гравитацията е колосална. Те просто „изяждат“ светлината, без да изпускат нито един квант от банките си.

Кино и свръхмасивна черна дупка

Гаргантюа - човечеството започна широко да използва този термин по отношение на черните дупки след излизането на филма „Междузвездно“. Гледайки тази снимка, е трудно да разберете защо е избрано точно това име и каква е връзката. Но в оригиналния сценарий те планират да създадат три черни дупки, две от които ще се наричат ​​Гаргантюа и Пантагрюел, взети от сатиричния роман, остава само една „заешка дупка“, за която е избрано първото име . Заслужава да се отбележи, че във филма черната дупка е изобразена възможно най-реалистично. Така да се каже, дизайнът на външния му вид е извършен от учения Кип Торн, който се основава на изследваните свойства на тези космически тела.

Как разбрахме за черните дупки?

Ако не беше теорията на относителността, предложена от Алберт Айнщайн в началото на ХХ век, вероятно никой дори нямаше да обърне внимание на тези мистериозни обекти. Свръхмасивна черна дупка би се разглеждала като обикновен звезден куп в центъра на галактиката, а обикновените малки биха останали напълно незабелязани. Но днес, благодарение на теоретичните изчисления и наблюдения, които потвърждават тяхната правилност, можем да наблюдаваме такова явление като кривината на пространство-времето. Съвременните учени казват, че намирането на „заешка дупка“ не е толкова трудно. Около такъв обект материята се държи неестествено, тя не само се свива, но понякога дори свети. Около черната точка се образува ярък ореол, който се вижда през телескоп. В много отношения природата на черните дупки ни помага да разберем историята на формирането на Вселената. В техния център има точка на сингулярност, подобна на тази, от която преди се е развил целият свят около нас.

Не е известно със сигурност какво може да се случи с човек, който прекрачи хоризонта на събитията. Дали гравитацията ще го смаже или ще се озове на съвсем различно място? Единственото нещо, което може да се каже с пълна увереност, е, че гаргантюа забавя времето и в един момент стрелката на часовника окончателно и безвъзвратно спира.

Вселената е изпълнена с много мистерии. Структурата и характеристиките на различни обекти и възможността за междупланетно пътуване привличат вниманието не само на учените, но и на феновете на научната фантастика. Естествено, най-голяма привлекателност има това, което има уникални свойства, което поради различни обстоятелства не е достатъчно проучено. Такива обекти включват черни дупки.

Черните дупки имат много висока плътност и невероятно силни гравитационни сили. Дори лъчите светлина не могат да избягат от тях. Ето защо учените могат да „видят“ черна дупка само поради ефекта, който има върху околното пространство. В непосредствена близост до черна дупка материята се нагрява и се движи с много висока скорост. Този газообразен материал се нарича акреционен диск, който прилича на плосък, светещ облак. Учените наблюдават рентгеново лъчение от акреционния диск с помощта на рентгенови телескопи. Те също така записват огромната скорост на движение на звездите в техните орбити, което се дължи на високата гравитация на невидим обект с огромна маса. Астрономите разграничават три класа черни дупки:

Черни дупки със звездна маса

Черни дупки с междинна маса,

Супермасивни черни дупки.

Счита се, че една звезда има маса от три до сто слънчеви маси. Черните дупки със стотици хиляди до няколко милиарда слънчеви маси се наричат ​​свръхмасивни. Те обикновено се намират в центъра на галактиките.

Втората скорост на бягство или скоростта на бягство е минимумът, който трябва да бъде постигнат, за да се преодолее гравитационното привличане и да се излезе извън орбитата на дадено небесно тяло. За Земята скоростта на бягство е единадесет километра в секунда, а за черна дупка е повече от триста хиляди, толкова е силна нейната гравитация!

Границата на черна дупка се нарича хоризонт на събитията. Веднъж влязъл в него обект, вече не може да напусне тази зона. Размерът на хоризонта на събитията е пропорционален на масата на черната дупка. За да покажат колко огромна е плътността на черните дупки, учените дават следните цифри: черна дупка с маса 10 пъти по-голяма от слънчевата би имала приблизително 60 km в диаметър, а черна дупка с масата на нашата Земя би била само 2 см. Но това са само теоретични изчисления, тъй като учените все още не са идентифицирали черни дупки, които не са достигнали три слънчеви маси. Всичко, което навлиза в областта на хоризонта на събитията, се движи към сингулярността. Най-просто казано, сингулярността е място, където плътността клони към безкрайност. Невъзможно е да се начертае геодезична линия, влизаща в него през гравитационна сингулярност. Черната дупка се характеризира с изкривяване на структурата на пространството и времето. Права линия, която във физиката представлява пътя на светлината във вакуум, става извита близо до черна дупка. Какви физични закони работят близо до точката на сингулярност и директно в нея, все още не е известно. Някои изследователи, например, говорят за наличието на така наречените червееви дупки или пространствено-времеви тунели в черните дупки. Но не всички учени са съгласни да признаят съществуването на такива тунели на червееви дупки.

Темата за космическите пътувания и пространствено-времевите тунели служи като източник на вдъхновение за писатели на научна фантастика, сценаристи и режисьори. През 2014 г. е премиерата на филма „Интерстелар“. По създаването му работи цяла група учени. Техен ръководител беше известният учен, специалист в областта на теорията на гравитацията и астрофизиката - Кип Стивън Торн. Този филм се счита за един от най-научните сред научнофантастичните филми и съответно към него се поставят високи изисквания. Има много дебати относно степента, в която различните аспекти на филма съответстват на научните факти. Дори беше публикувана книга „The Science of Interstellar“, в която професор Стивън Торн обяснява различни сцени от филма от научна гледна точка. Той каза, че голяма част от филма се основава както на научни факти, така и на научни предположения. Има обаче и просто художествена измислица. Например черната дупка Гаргантюа е представена като светещ диск, който се огъва около светлината. Това не противоречи на научните познания, защото... Не се вижда самата черна дупка, а само акреционният диск, а светлината не може да се движи по права линия поради мощната гравитация и кривината на пространството.

Черната дупка на Гаргантюа съдържа червеева дупка, която е червеева дупка или тунел през пространството и времето. Наличието на такива тунели в черните дупки е само научно предположение, с което много учени не са съгласни. Художествена фантазия е да можеш да пътуваш през такъв тунел и да се върнеш обратно.

Черната дупка на Гаргантюа е фантазия на създателите на Interstellar, която до голяма степен съответства на реални космически обекти. Затова за особено ревностните критици напомням, че филмът все пак е научна фантастика, а не научно-популярна. Показва красотата и величието на света, който ни заобикаля, и ни напомня колко нерешени проблеми все още имаме. И да се изисква научнофантастичен филм да отразява точно научно доказани факти е някак несправедливо и наивно.

Черната дупка е област от време-пространство, чието гравитационно привличане е толкова силно, че дори светлината не може да я напусне. Черните дупки, които са нараснали до гигантски размери, образуват ядрата на повечето галактики.

Свръхмасивна черна дупка е черна дупка с маса от около 105-1010 слънчеви маси. От 2014 г. свръхмасивни черни дупки са открити в центъра на много галактики, включително нашия Млечен път.

Най-тежката свръхмасивна черна дупка извън нашата галактика се намира в гигантската елиптична галактика NGC 4889 в съзвездието Coma Berenices. Масата му е около 21 милиарда слънчеви маси!

На това изображение галактиката NGC 4889 е в центъра. Някъде там дебнеше същият този гигант.

Няма общоприета теория за образуването на черни дупки с такава маса. Има няколко хипотези, най-очевидната от които е хипотезата, която описва постепенното увеличаване на масата на черна дупка чрез гравитационно привличане на материя (обикновено газ) от околното пространство. Трудността при образуването на свръхмасивна черна дупка е, че достатъчно количество материя трябва да бъде концентрирано в сравнително малък обем.

Впечатление на художник от свръхмасивна черна дупка и нейния акреционен диск.

Спирална галактика NGC 4845 (тип Sa) в съзвездието Дева, разположена на разстояние 65 милиона светлинни години от Земята. В центъра на галактиката има свръхмасивна черна дупка с маса около 230 000 слънчеви маси.

Рентгеновата обсерватория Чандра (НАСА) наскоро предостави доказателства, че много свръхмасивни черни дупки се въртят с огромни скорости. Измерената скорост на въртене на една от черните дупки е 3,5 трилиона. мили/час е около половината от скоростта на светлината и нейната невероятна гравитация дърпа околното пространство на много милиони километри.

Спирална галактика NGC 1097 в съзвездието Fornax. В центъра на галактиката има свръхмасивна черна дупка, която е 100 милиона пъти по-тежка от нашето Слънце. Всмуква в себе си всяка материя в района.

Най-мощният квазар в галактиката, Markarian 231, може да получава енергия от две централно разположени черни дупки, които кръжат една около друга. Според изчисленията на учените масата на централната черна дупка надвишава слънчевата маса 150 милиона пъти, а масата на сателитната черна дупка надвишава слънчевата маса 4 милиона пъти. Това динамично дуо консумира галактическа материя и произвежда огромни количества енергия, причинявайки ореол в центъра на галактиката, който може да засенчи милиарди звезди.

Квазарите са най-ярките източници във Вселената, чиято светлина е по-ярка от сиянието на техните галактики. Има хипотеза, че квазарите са ядра на далечни галактики в етап на необичайно висока активност. Квазарът в центъра на галактиката Markarian 231 е най-близкият такъв обект до нас и се проявява като компактен радиоизточник. Учените оценяват възрастта му само на милион години.

Гигантската елиптична галактика M60 и спиралната галактика NGC 4647 изглеждат като много странна двойка. И двете се намират в съзвездието Дева. Bright M60, на около 54 милиона светлинни години, има проста яйцевидна форма, създадена от произволно роящи се стари звезди. NGC 4647 (горе вдясно), от друга страна, се състои от млади сини звезди, газ и прах, всички подредени във въртящите се рамена на плосък, въртящ се диск.

В центъра на M60 е свръхмасивна черна дупка с 4,5 милиарда слънчеви маси.

Галактика 4C+29.30, разположена на разстояние 850 милиона светлинни години от Земята. В центъра е свръхмасивна черна дупка. Масата му е 100 милиона пъти по-голяма от масата на нашето Слънце.

Астрономите отдавна търсят потвърждение, че Стрелец А, нашата свръхмасивна черна дупка в центъра на Млечния път, е източникът на плазмената струя. Най-накрая го откриха според новите резултати, получени от рентгеновата обсерватория Чандра и радиотелескопа VLA. Тази струя или джет се образува от поглъщането на материя от свръхмасивна черна дупка и съществуването й отдавна е предсказано от теоретиците.

Използвайки рентгенови изображения с най-високо качество, астрономите откриха първите ясни доказателства, че масивните черни дупки са били подобни в ранната Вселена. Изследванията и наблюденията на далечни галактики показват, че всички те имат подобни свръхмасивни черни дупки. Най-малко 30 милиона свръхмасивни черни дупки са открити в ранната Вселена. Това е 10 000 пъти повече от предишните оценки.

Рисунката на художника показва нарастваща свръхмасивна черна дупка.

Спирална галактика с преграда NGC 4945 (SBc) в съзвездието Кентавър. Тя е доста подобна на нашата Галактика, но рентгеновите наблюдения показват наличието на ядро, което вероятно съдържа активна супермасивна черна дупка.

Клъстер PKS 0745-19. Черната дупка в центъра е една от 18-те най-големи известни черни дупки във Вселената.

Мощен поток от частици от свръхмасивна черна дупка удря близка галактика. Астрономите са наблюдавали сблъсъци на галактики и преди, но това е първият път, когато подобна „космическа снимка“ е записана. „Инцидентът“ е станал в звездна система, разположена на 1,4 милиарда светлинни години от Земята, където в момента се сливат две галактики. „Черната дупка“ на по-голямата от двете галактики, която астрономите сравняват със „Звездата на смъртта“ от филмовия епос „Междузвездни войни“, изхвърли мощен поток от заредени частици, които се приземиха директно в съседната галактика.

Открита е най-младата черна дупка. Прародителят на новодошлия беше свръхнова, която избухна само преди 31 години.

Художествено изображение на черна дупка, която поглъща космическото пространство. След теоретичното предсказване на черните дупки въпросът за тяхното съществуване остава открит, тъй като наличието на решение от типа „черна дупка“ все още не гарантира, че има механизми за образуването на такива обекти във Вселената.

Изригвания на черна дупка в спиралната галактика M83 (известна също като Южната въртяща се въртележка), заснета от рентгеновата обсерватория Чандра на НАСА. South Pinwheel е приблизително на 15 милиона светлинни години.

Спирална галактика с преграда NGC 4639 в съзвездието Дева. NGC 4639 крие масивна черна дупка, която поглъща космически газ и прах.

Галактика M 77 в съзвездието Кит. В центъра му има свръхмасивна черна дупка.

Художници са изобразили черната дупка на нашата Галактика – Стрелец А*. Това е обект с огромна маса. Чрез анализиране на орбиталните елементи първоначално беше установено, че теглото на обекта е 2,6 милиона слънчеви маси и тази маса се съдържа в обем с диаметър не повече от 17 светлинни часа (120 au).

Погледнете в устието на черна дупка. Астрономи от японската аерокосмическа агенция JAXA успяха да получат уникално изображение на устието на черна дупка и редки явления в близост до нея, използвайки инфрачервената космическа лаборатория WISE на НАСА. Обектът, наблюдаван от WISE, беше черна дупка с 6 пъти масата на слънцето и каталогизирана като GX 339-4. В близост до GX 339-4, разположена на разстояние повече от 20 хиляди светлинни години от Земята, има звезда, чиято материя се изтегля в черната дупка под въздействието на нейното чудовищно гравитационно поле, което е 30 хиляди пъти по-силно отколкото на повърхността на нашата планета. В този случай част от тази материя се изхвърля от черната дупка в обратна посока, образувайки струи от частици, движещи се със скорости, близки до светлината.

Галактика NGC 3081 в съзвездието Хидра. Намира се на разстояние около 86 милиона светлинни години от Слънчевата система. Учените смятат, че в центъра на NGC 3081 има свръхмасивна черна дупка.

Той спи и сънува. Преди почти десетилетие рентгеновата обсерватория Чандра на НАСА откри доказателства за нещо, което изглеждаше като черна дупка, консумираща газ точно в центъра на близката галактика Скулптор. А през 2013 г. космическият телескоп NuSTAR на НАСА, който открива твърди рентгенови лъчи, хвърля бърз поглед в същата посока и открива мирно спяща черна дупка (тя е станала неактивна през последните 10 години).

Масата на спяща черна дупка е около 5 милиона пъти масата на нашето Слънце. Черната дупка се намира в центъра на галактиката Скулптор, известна още като NGC 253.

Плазмата, изхвърлена от свръхмасивни черни дупки в центровете на галактиките, може да пренася огромни количества енергия на гигантски разстояния. Регион 3C353, наблюдаван в рентгенова светлина от телескопите Chandra и Very Large Array, е заобиколен от плазма, изхвърлена от една от черните дупки. На фона на гигантски „пера“ радиацията на галактиката изглежда като малки точки в центъра.

Според художника така може да изглежда свръхмасивна черна дупка с маса от няколко милиона до милиарди пъти масата на нашето Слънце. Трудността при образуването на свръхмасивна черна дупка е, че достатъчно количество материя трябва да бъде концентрирано в сравнително малък обем.

Веднъж в далечната страна на червеевата дупка, космическият кораб навлиза в система от три планети, обикаляща около свръхмасивна черна дупка, която изследователите наричат ​​Гаргантюа. Смята се, че в ядрата на всички галактики се намират свръхмасивни черни дупки, чиято маса варира от един милион до няколко милиарда слънчеви маси. Вероятно в центъра на нашия Млечен път има такъв обект - Стрелец А, чиято маса надвишава 4 милиона слънчеви маси (4,31 106 M;). Според Торн, Гаргантюа е по-вероятно да бъде подобна на още по-масивната свръхмасивна черна дупка, за която се смята, че е в сърцевината на мъглявината Андромеда, която се оценява на 100 милиона слънчеви маси (1,1–2,3; 108 M;). Размерът му е приблизително пропорционален на масата му, а радиусът на такъв гигант би покрил орбитата на Земята около Слънцето.
Такива огромни черни дупки не са фантастично преувеличение, тъй като имаме данни от наблюдения, потвърждаващи съществуването на такива „чудовищни“ черни дупки в далечни галактики (Behemoth). Най-голямата черна дупка, открита досега, е в галактиката NGC 1277, разположена на 250 милиона светлинни години. Масата му може да се оцени на 17 милиарда слънчеви, а размерът му е сравним с орбитата на Нептун.
Друга важна характеристика на Гаргантюа е, че това е бързо въртяща се черна дупка. Всички обекти във Вселената, с изключение на самата Вселена, са склонни да се въртят. Естествено черните дупки също се въртят, което се описва от геометрията на Кер. Последният зависи от два параметъра: масата на черната дупка (M) и ъгловият момент (J). Важна разлика от обикновените звезди, които се въртят по различен начин, е, че черните дупки, според Кер, се въртят с необичайна стабилност: всички точки на нейната конвенционална повърхност (хоризонт на събитията) се въртят с еднаква ъглова скорост. Съществува обаче ограничаващ ъглов момент Jmax, над който хоризонтът на събитията ще изчезне: това ограничение съответства на факта, че скоростта на въртене на хоризонта ще бъде равна на скоростта на светлината. В такава черна дупка, наречена „екстремна“ черна дупка, гравитационното поле в хоризонта на събитията ще изчезне, тъй като вътрешното влияние на гравитацията ще бъде компенсирано от огромните отблъскващи центробежни сили. Напълно възможно е обаче повечето черни дупки във Вселената да имат ъглов момент доста близък до граничния. Например, типична звездна маса (около 3 слънчеви маси) черна дупка, считана за задвижващ механизъм в бинарни рентгенови източници, ще се върти с 5000 оборота в секунда. Предполага се, че черната дупка на Гаргантюа, показана в Интерстелар, има ъглов импулс 10 на -10-та степен, близък до ограничаващия Jmax. Дори ако това е теоретично възможно, тази конфигурация все още изглежда нереалистична от физическа гледна точка. Тъй като колкото по-бързо се върти черна дупка, толкова по-трудно е да се влачи материя, въртяща се в същата посока под въздействието на центробежни сили, докато материята, въртяща се в обратна посока, лесно се „всмуква“ в черната дупка, забавяйки въртенето. В резултат на това черна дупка, въртяща се твърде бързо, ще има тенденция да се забавя до равновесна скорост, по-малка от тази на Гаргантюа (според релативистичните общи изчисления, черните дупки не трябва да се въртят по-бързо от 0,998 Jmax). Въпреки това, предимството на много бързо въртящите се черни дупки е, че планетите могат да орбитират много близо до хоризонта на събитията, без да попадат под него. Това е ключов момент във филма и също така позволява много силно забавяне на времето.
За черна дупка на Шварцшилд (т.е. за дупка с ъглов импулс J=0), стабилната вътрешна кръгова орбита, в която всеки обект ще се върти спираловидно и ще се разбие в черната дупка, се намира на разстояние от три радиуса на самата черна дупка . За черна дупка с маса, равна на 100 милиона слънчеви маси, това разстояние би било около 900 милиона километра, малко повече от разстоянието от Юпитер до Слънцето. Но за черна дупка на Кер, орбитираща много близо до ограничаващия Jmax, стабилна вътрешна кръгова орбита може да бъде толкова близо, колкото самия хоризонт на събитията, само 100 милиона километра. Това обяснява защо в Interstellar планетата на Милър може да орбитира точно над хоризонта на събитията, без да пада.
Също така си струва да се отбележи, че черната дупка на Кер не е топ, въртящ се в неподвижно космическо пространство; въртейки се, той държи цялото платно на пространство-времето заедно със себе си. В резултат на това планетата на Милър трябва да се върти със скорост, близка до тази на светлината.