Текст книги "Кинофантастика"

Автор книги: Жан-Себастьян Стейер

Соавторы: Ролан Леук
сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 11 страниц)

Глава 2.

«Гравитация». Всеобщее парение

На черном фоне появляются первые слова: «На высоте 600 км температура колеблется между плюс 125 и минус 100 градусами Цельсия. Звук не распространяется, давление нулевое. Кислород отсутствует. Жизнь в космосе невозможна». Дальше – шок: в черном пространстве бесшумно возникает Земля. Вас притягивает сияющая дуга ее лимба. Медленное величественное вращение Земли. Приближается и растет яркая точка – космический челнок «Эксплорер», экипаж которого занят ремонтом космического телескопа. Великолепное зрелище, острое ощущение парения в пустоте рядом с работающими астронавтами. Но после десяти минут захватывающей безмятежности начинается ужас в межпланетном пространстве. Центр управления полетами в Хьюстоне резко прерывает трансляцию, так как в доставивший астронавтов на орбиту челнок грозят врезаться летящие на огромной скорости обломки российского спутника. Для астронавтов начинается обратный отсчет времени: они должны, рискуя жизнью, попытаться вернуться на корабль, а потом – на Землю. Приключение начинается…

«Гравитацию» снял в 2013 году мексиканец Альфонсо Куарон. Реализм картинки так силен, что есть соблазн принять все сцены за чистую монету. Фильм не документальный, но режиссер признавался, что одной из его целей было передать ощущения астронавта в невесомости. Эта цель блестяще достигнута. Не обошлось, впрочем, без вольностей в обращении с реальностью и с законами физики для обострения интриги. Так, телескоп «Хаббл», Международная космическая станция (МКС) и китайская станция «Тяньгун» находятся в фильме на одной и той же орбите, что на самом деле не так. В реальной жизни спасшиеся не смогли бы переходить с одной станции на другую, а значит, не было бы и фильма.

Зато многое из пережитого злополучной астронавткой Райан Стоун вполне достоверно, потому что такое бывало! В фильме она переживает то неконтролируемое вращение (как Нил Армстронг и Дейв Скотт в 1966-м), то пожар и столкновение (как у станции «Мир» в 1997-м), то взрыв (как во время лунной экспедиции «Аполлона-13»), то аварийное вхождение в атмосферу (такое случалось неоднократно, начиная с «Союза-5» в 1969-м), то падение в озеро (так приводнился в 1976 году «Союз-23») с угрозой утонуть (как едва не утонул Гас Гриссом при возвращении спускаемой капсулы «Меркурия-4» в 1961-м)… И это еще не все возможные опасности. После приземления можно было бы устроить для Стоун – ради полноты ощущений – еще и встречу с волками или с другими дикими зверями (на борту первых «Союзов» на этот случай предусматривалось ружье: мало ли что может стрястись в казахской степи…), и никто не посмел бы назвать это перебором. А теперь попытаемся разделить истину и вымысел при помощи физики.

Тревога!

Вереница катастроф, составляющая интригу фильма, начинается с разрушения ракетой российского спутника, находящегося на орбите, близкой к орбите МКС.

Подобное намеренное разрушение, к сожалению, происходит нередко: зафиксировано 54 таких случая, причем два последних имели место в результате пуска противоспутниковых ракет. Образуется крупное облако обломков разных размеров, представляющее опасность для спутников на соседних орбитах. Так, разрушение в 2007 году китайского спутника «Фэн Юнь-1С» оставило более двух тысяч крупных обломков на сильно накрененных орбитах высотой 860 км. Возможны и произвольные столкновения вроде того, которое произошло между спутником связи «Иридиум-33» и российским военным спутником «Космос-2251» 10 февраля 2009 года^[9]. Но если риск столкновения вполне реален, то повторные столкновения с полуторачасовым интервалом, как в «Гравитации», – чистейшая фантазия. Давайте разберемся почему.

Для столкновения двух тел требуется их перемещение относительно друг друга. В повседневной жизни так происходит регулярно: каждый движущийся объект – пешеход, мотоцикл, автомобиль, грузовик – обладает свободой выбора скорости в интервале, заданном приводящей его в движение силой. В космосе же существует дополнительная тонкость: скорость тела на орбите не «свободна», а задается радиусом орбиты, если она круговая^[10]. Представим два обращающихся вокруг Земли тела, оказывающихся одновременно в одном и том же месте. Если у них одинаковая орбита, то и скорость одинаковая, и они постоянно находятся очень близко друг от друга, но неподвижны относительно друг друга, так что их столкновение невозможно! Чтобы эти два тела столкнулись, у них должны быть разные скорости, и значит, и разные (при этом пересекающиеся) орбиты. Что происходит тогда?

Анализ 216 зафиксированных на сегодняшний день случаев фрагментации вследствие взрывов или столкновений чрезвычайно поучителен и указывает на два обстоятельства. Во-первых, спутник разваливается на большое количество обломков, скорость которых увеличивается или уменьшается на несколько сотен метров в секунду (до тысяч метров в секунду в случае взрыва) относительно первоначальной орбитальной скорости. Значительное приращение скорости выражается в существенном изменении орбиты объекта. Поэтому осколок, набирающий при удалении от орбиты МКС скорость 100 м/с, достигает апогея в 360 км над первоначальной орбитой, и его период обращения увеличивается на 4 минуты. Иначе говоря, облако осколков достигнет следующей орбиты менее чем через 4 минуты после МКС. Отсюда абсолютная невозможность нового столкновения после полного обращения на дополнительной орбите, показанного в «Гравитации», где командир Мэтт Ковальски^[11] предостерегает о возвращении осколков каждые полтора часа^[12].

Во-вторых, осколки, образовавшиеся в результате фрагментации объекта, имеют самую разную форму и массу, но в целом более высокий «баллистический коэффициент», чем у целого спутника или МКС. Этот коэффициент есть количественное выражение трения в атмосфере на траектории спутника или осколков. На такой высоте атмосфера, конечно, чрезвычайно разрежена, но все же не полностью отсутствует. Поэтому спутник испытывает трение, сила которого пропорциональна произведению площади, перпендикулярной скорости, на коэффициент сопротивления формы – то есть связана с формой объекта. Торможение, вызванное трением, равно силе, поделенной на массу спутника. Значит, оно пропорционально отношению поверхности и массы с учетом коэффициента сопротивления формы; это отношение и называется баллистическим коэффициентом. Чем он выше, тем быстрее спутник теряет высоту относительно своей первоначальной орбиты.

Классический спутник имеет баллистический коэффициент порядка 0,01^[13]. У обломка же – например, у куска алюминиевой обшивки толщиной несколько миллиметров – баллистический коэффициент может быть в десять раз больше. Это значит, что торможение обломка ввиду силы трения в атмосфере будет значительнее, чем торможение МКС: он будет терять все больше высоты на каждой орбите. Скажем, разница высот между МКС и типовым обломком на общей орбите составит порядка нескольких сот метров! Для сравнения: МКС ежемесячно теряет 2 км высоты. Если бы МКС пролетала в некий момент времени через большое облако обломков, то впоследствии орбита последних оказывалась бы более разбросанной во времени – плюс-минус 4 минуты – и в пространстве – не менее чем на несколько сот метров ниже станции. В отличие от того, что показано в фильме, вероятность столкновения при последующем сближении была бы крайне мала. Добавим к этому, что Ковальски сообщает не только о периоде обращения обломков, но и об их скорости – 80 тыс. км/ч, что вдвое больше скорости вращения Земли! Иначе говоря, обломки должны были бы вообще унестись вдаль без малейшего шанса на возвращение!

Завершая эту тему, отметим, что засорение околоземного пространства космическим мусором вызывает все большую озабоченность. Считается, что вероятность утраты спутника, запущенного на замусоренную орбиту, составляет порядка 5 % за всю продолжительность его службы. Это еще приемлемо, но пренебрегать этим уже нельзя. Беда в том, что каждый удар, каждое столкновение увеличивают количество обломков, из-за чего через несколько десятилетий возросшая опасность потери спутников заставит вообще отказаться от их запуска. Растущее количество космического мусора – реальная проблема, и космические агентства начинают закладывать в свои расчеты «загрязнение космической среды», хотя до «уборки» в космосе дело еще не дошло…

Невесомость и гравитация

Странно, что фильм назвали «Гравитация», ведь почти все его действие происходит в невесомости при вроде бы полностью отсутствующей силе тяжести. Думаете, космонавты на МКС парят совершенно свободно ввиду нулевого тяготения? Ничего подобного. Притяжение Земли остается ощутимым на любом удалении от ее центра, хотя и ослабевает в зависимости от расстояния. МКС обращается на высоте примерно 400 км, что в 50 раз выше самой высокой горы, но составляет всего лишь 1/16 земного радиуса. На этой высоте сила тяжести всего на 12 % слабее, чем на поверхности Земли. Но раз гравитация в космосе не исчезает, то как объяснить свободное парение астронавтов, словно на них не действует тяготение?

Чтобы понять происхождение невесомости, вспомним для начала, что испытать ее можно, даже не поднимаясь на орбиту Земли: достаточно погрузиться в «Аэробус А300 Zero-G» компании Novespace^[14]. Этот самолет, специально оборудованный для научных экспериментов, описывает параболические траектории, позволяющие каждому испытать свободное падение продолжительностью в два десятка секунд. Пассажиры, свободно парящие в салоне, испытывают на себе то, что составляло сущность мысленного эксперимента Эйнштейна в 1907 году. В ходе работы над проблемой гравитации его посетила «счастливейшая во всей (его) жизни» идея: он заметил, что «гравитация имеет только относительное существование <…> Для наблюдателя в состоянии свободного падения… никакого гравитационного поля не существует». Эта идея опирается на тот факт – экспериментально подтвержденный с высокой точностью спутником «Микроскоп» в 2017 году, – что в гравитационном поле все тела падают одинаково, независимо от их массы и состава. Знаменитый мысленный эксперимент Галилея (возможно, апокрифический) со свободным падением тел с высоты Пизанской башни именно это и демонстрирует. Брошенные с одинаковой высоты и без замаха большое каменное ядро и легкий деревянный шар того же размера достигают земли одновременно. Дэвид Скотт, астронавт «Аполлона-15», повторил этот эксперимент на Луне, где отсутствует атмосфера, мешающая движению. Перед работающей камерой соколиное перо (кстати, посадочный модуль назывался «Фэлкон» – «сокол») и геологический молоток коснулись лунной поверхности одновременно.

На орбите ситуация такая же, как на борту «Аэробуса Zero-G»: астронавты тоже испытывают состояние свободного падения! А поскольку все тела падают одинаково, то астронавты наблюдают их как относительно неподвижные, свободно парящие по станции относительно них самих. Единственная разница (зато какая!) заключается в том, что на орбитальной станции свободное падение происходит постоянно. От падения на Землю их спасает высокая скорость (у МКС она равна 28 тыс. км/ч): они несутся к Земле, но никак на нее не упадут, потому что все время промахиваются! Если бы не земное притяжение, оставаться вблизи Земли было бы затруднительно, так как инерция заставляла бы их продолжать движение по прямой с постоянной скоростью, удаляясь от нашей планеты. Изгибая траекторию полета станции вместе с пассажирами, земное притяжение делает ее почти кольцевой.

Реактивное кресло

В начале фильма командир корабля Ковальски снует вокруг челнока «Эксплорер» и космического телескопа в особом кресле. Это точь-в-точь знаменитый MMU, пилотируемый маневренный модуль – разработка НАСА для автономного передвижения астронавтов при выходе в открытый космос. MMU крепится на спине скафандра. Маневрирование обеспечивается за счет суммарной тяги 24 сопел, выбрасывающих жидкий азот. MMU использовался в трех полетах американского космического челнока в 1984 году, после чего был забракован, так как его сочли слишком опасным для астронавтов. Затем была создана менее мощная модель SAFER (упрощенный спасательный модуль для внекорабельной деятельности), которая используется теперь при всех выходах астронавтов МКС в открытый космос для случаев непредвиденного удаления от борта.

Важность такого кресла-самолета объясняется тем, что невесомость в космическом вакууме полностью меняет способ перемещения. Зачем земным средствам транспорта – автомобилям, поездам, кораблям, самолетам – двигатель? Для перемещения, скажете вы. Верно, но не только: еще – и это главное – для преодоления силы трения – в воздухе ли, на дорожном ли полотне, – сопротивляющейся движению после начального ускорения. Если выключить мотор, силы трения возобладают, машина станет замедлять ход и остановится. В космическом вакууме никакое трение не препятствует движению. Малейшее приложение силы порождает неостановимое движение! Неверный маневр при перемещении астронавта вдоль МКС может отправить его в смертельный дрейф, если он не пристегнут ремнем безопасности (как и происходит в начале фильма). Из-за той же самой инерции Стоун не может прекратить вращение вокруг своей оси, начавшееся после того, как героиню выбросило из челнока «Эксплорер» при столкновении с облаком обломков. Если вы начнете движение в космосе, вас ничто не остановит… Поэтому автономное перемещение в космическом пространстве требует какой-то «опоры». На практике в космическом кресле применены «огнетушители» – мини-ускорители, разгоняющие его короткими толчками: выбрасываемый ими с большой скоростью азот толкает астронавта в направлении, противоположном выбросу. Но после прекращения тяги кресло продолжает движение, сохраняя приобретенную скорость. Для остановки вторым, симметричным первому ускорителем создается тяга той же силы, но в противоположную сторону. Это в начале фильма и проделывает Ковальски. Мы наблюдаем, как он управляет своим MMU сериями коротких симметричных импульсов. Так же поступает Стоун, выравнивая модуль «Союз» и китайскую станцию.

Жизнь висит на волоске

После того как командир спас астронавтку Стоун, оба героя добираются до МКС и отчаянно пытаются за нее зацепиться, чтобы прекратить движение, потому что в MMU у Ковальски закончился газ. Стоун, на свое счастье, запутывается ногами в стропах пристыкованного к МКС модуля «Союз», и это останавливает ее движение. Она ловко хватает Ковальски за руку и не дает ему уплыть в пустоту. При этом стропы остаются натянутыми, как будто Ковальски тащит в сторону непреодолимая сила. Она и заставляет его пожертвовать собой, выпустив руку Стоун. Его отбрасывает прочь, отчего стропы обвисают, и его самоубийство спасает Стоун жизнь. Эта сцена – классика кино: герои до последнего мгновения держатся за руки, вися над пропастью. Если разжать хватку, то несчастный рухнет вниз, неумолимо увлекаемый земным притяжением. Но в космосе герои, неподвижные по отношению к МКС и находящиеся поэтому на одной с ней орбите, могли бы преспокойно перестать держаться за руки и вернуться по стропам, просто держась за них, чтобы не отцепиться. Притягиваемые Землей, они обладают достаточной скоростью – это орбитальная скорость МКС, – чтобы вечно мимо нее промахиваться! Поэтому вся сцена – вопиющая ошибка, если считать, конечно, что МКС и астронавты пребывают в невесомости, то есть в свободном падении на Землю под действием собственного веса. Правда, у режиссера могут быть смягчающие обстоятельства. Дело в том, что космическая станция тоже подвергается действию силы трения ввиду наличия на высоте 400 км остаточной атмосферы. Эту силу, пусть и малую, нельзя полностью игнорировать, так как она приводит к уменьшению высоты полета МКС, теряющей на каждом витке, как уже говорилось, несколько метров. Точное значение этой потери высоты зависит от ориентации солнечных панелей: ее можно свести к минимуму сворачиванием этих панелей, когда они не используются (в тени Земли), или, наоборот, довести до максимума, если МКС нужно опустить. Подсчеты показывают, что лобовое сопротивление, испытываемое МКС, составляет порядка нескольких ньютонов, то есть оно меньше натяжения стропы, на которой висит (на Земле) груз в 1 кг. Таким образом, натяжение стропы можно считать следствием силы лобового сопротивления в атмосфере: все происходит так, как если бы МКС была большим парусом, который ловит слабенький ветерок, дующий в атмосфере на такой высоте. Вот только силы, сообщаемой этим парусом, совершенно недостаточно, чтобы Ковальски был вынужден разжать пальцы…

Рандеву на орбите

В фильме нет отрицательного героя, эта роль отдана законам физики, управляющим орбитальной механикой. С ними и ведет постоянную борьбу Стоун, перебирающаяся со станции на станцию. Ее трудности проистекают из того обстоятельства, что преследование в космосе – совсем не то же самое, что преследование в автомобиле внизу, на Земле. Во втором случае для поимки объекта преследования достаточно разогнаться быстрее него. В космосе наращивание скорости с целью достижения намеченной отметки приводит к неожиданным последствиям, так как на движущиеся объекты воздействует также земное притяжение. Для успеха космического рандеву мало попасть в нужный момент в нужное место, требуется обладать еще и нужной скоростью. Вспомним, что для поддержания определенной орбиты объект должен иметь высокую скорость и что две разные орбиты – это и две разные скорости (скорость уменьшается с сокращением радиуса орбиты). Изменение скорости немедленно приводит к изменению орбиты! Поэтому настигнуть спутник, летящий на одной с вами орбите, чрезвычайно трудно. Привычный образ мыслей побуждает нас и здесь действовать, как на шоссе: спутник и я движемся с одной скоростью, так как находимся на одной орбите. Я ускорюсь и поймаю его!

Что тут не так? Все! Устремляясь к цели, вы увеличиваете свою суммарную энергию и вылетаете на более удаленную от Земли орбиту, уменьшив этим свою орбитальную скорость! И наоборот, направившись в противоположную цели сторону и уменьшив свою суммарную энергию, вы переходите на более близкую к Земле орбиту и увеличиваете свою орбитальную скорость. Вы никогда не достигнете одного и того же места, двигаясь с одной и той же скоростью. Если два объекта находятся на разных орбитах, то задача все равно остается сложной, но уже ближе к осуществлению! Поскольку скорость на орбите зависит от радиуса орбиты, предметы на разных высотах движутся с разными скоростями. Трудность в том, что для перехода с орбиты на орбиту нужно добавлять или сбрасывать сотни, а то и тысячи километров в час, причем проделывать это в строго определенный момент. К тому же орбиты могут быть наклонены друг к другу, что заставляет корректировать также и направление своего движения. В действительности космический телескоп и МКС имеют совершенно разные орбиты: телескоп летит на 200 км выше станции, и его орбита наклонена на 28,5° к плоскости экватора, тогда как наклон орбиты МКС – 51,6°. Быстрое вычисление показывает, что скорость телескопа на 450 км в час меньше. Та же трудность существует с китайской станцией «Тяньгун»: если радиус ее орбиты близок к радиусу орбиты МКС, то наклон составляет только 42,8°. Устроить космическое рандеву, включая только посадочные силовые установки модуля «Союз» (существующие на самом деле!), практически нереально. Идея использовать такую установку, как космический двигатель^[15], хороша, но не лишена серьезных недостатков. Вспомним, что для точного маневрирования объекта в космосе желательно, чтобы за каждым толчком следовал импульс в противоположном направлении, как у космического кресла Ковальски. Силовая установка типа «огнетушитель» на это неспособна. К тому же если ее тяга происходит не по оси, проходящей через центр гравитации тела Стоун, то она начнет быстро вращаться! Наконец, для эффективности этой тяги двигаться следует спиной к цели, пятясь, что тоже не облегчает маневр. Поэтому ухищрения, к которым прибегает Стоун со своей силовой установкой для сближения со станцией «Тяньгун», никогда не позволили бы до нее добраться.

Возвращение в атмосферу

Добравшись все-таки до китайской станции и устроившись в ее спасательной капсуле, Стоун падает на Землю. Поверхность капсулы раскаляется докрасна из-за аэродинамического трения. Даже при слабой плотности верхних слоев атмосферы это трение очень существенно, так как скорость вхождения капсулы в атмосферу примерно равна ее скорости на орбите, составляя порядка 28 тыс. км/ч. Температура наружных деталей может достигать 2000 °C, поэтому капсула должна иметь термический щит. Эта защита совершенно необходима, как показывает взрыв челнока «Колумбия» при возвращении на Землю 1 февраля 2003 года из-за повреждения его термозащиты еще при старте. Трение в атмосфере приводит к торможению капсулы, падение которой перестает быть свободным, то есть под воздействием одной гравитации. Это замедление может достигать высоких величин и в несколько раз превысить земное притяжение, создавая внутри капсулы искусственное тяготение. При этом в фильме шлем от скафандра Стоун продолжает плавать по кабине, как на орбите! Эта ошибка тем удивительнее, что замедление в фазе вхождения в атмосферу и его воздействие на астронавтов достоверно показаны в других фильмах. Уже после съемок пришлось приложить старания, чтобы добавить плавающий шлем в сцене, где правильнее было бы без этого обойтись. Можно было бы неплохо сэкономить, просто дав создателям фильма кое-какие советы из области физики…

Оборвем в этом месте анализ, хотя обсуждения достойны и многие другие научные и технические аспекты фильма, отдельные из которых, например пожар на МКС, производят сильное впечатление. Альфонсо Куарон очень стремился к реалистичности, особенно удачно у него получились космические виды. Например, даже звездное скопление Плеяды, созвездия Тельца и Орион показаны в его картине правильно! Отметим также, что она завершается обзором эволюции жизни на Земле, адресованным, вероятно, американским поборникам теории креационизма… Как, разве вы не заметили? Вынырнув из озера, куда рухнула капсула, Стоун с трудом выползает на берег, еле-еле выпрямляется и гордо, даже, можно сказать, с вызовом смотрит в небеса!

В конечном счете кинокартина «Гравитация» при всех огрехах сценария производит великолепное визуальное впечатление. Но, как вы догадались, его создателей интересовало другое: благодаря им у нас появился отличный предлог поговорить об орбитальной физике!

Благодарность

Выражаем благодарность Кристофу Бонналю из Национального центра космических исследований (Франция) за ценные сведения о космическом мусоре и о несчастных случаях в космосе.

Что почитать и посмотреть

• Полетом при g = 0 можно полюбоваться по адресу: https://www.youtube.com/watch?v=lVTTpKShVtE.

• Опыт Дэвида Скотта с падением предметов в экспедиции «Аполлона-15» выложен по адресу: https://www.youtube.com/watch?v=03SPBXALJZI.

Глава 3.

«Интерстеллар»: прогулка в черной дыре

На Земле разразилась страшная экологическая катастрофа, планета умирает, на ней бушуют ураганные ветры и пыльные бури^[16]. Падают урожаи, не хватает еды… В условиях недостатка ресурсов человечество агонизирует. Группа ученых-затворников (НАСА!), ища выход, отправляет маленькую экспедицию в космос, на поиски новой Земли. Скитаясь по экзотическим планетам, герой в конце концов попадает в черную дыру, чтобы научить нас той истине, что пространству и времени неподвластна одна любовь…

Притом что «Интерстеллар» (Кристофер Нолан, 2014) не слишком цепляет зрительское внимание, этот фильм, заявляющий о своей преемственности с «Космической одиссеей 2001 года», представляет немалый педагогический интерес ввиду неоспоримой научной серьезности действия и добросовестности режиссера^[17]. Правда, он подправил некоторые эпизоды – особенно те, где фигурирует черная дыра, – в ущерб научной точности: «в Голливуде даже черные дыры прихорашиваются», как сострил по этому поводу британский журнал «Нью сайентист». В итоге многие научные моменты фильма не могут не вызвать у зрителя недоверие^[18]. Мы не станем задерживаться на этих подробностях, а поговорим о науке, чтобы привести кое-какие сведения, никак не вытекающие из некоторых сцен в фильме. Сосредоточимся на черной дыре Гаргантюа и на ее влиянии на окружающее пространство, что составляет сердцевину интриги. Итак, пристегните ремни: отправляемся к черной дыре!

Изгибы пространства-времени

В центре интриги «Интерстеллара», как и «Гравитации» (см. предыдущую главу), находится сила тяготения. Но если для понимания физических процессов в фильме Альфонсо Куарона достаточно теории Ньютона, то, чтобы следовать за интригой Кристофера Нолана, придется обратиться к понятию относительности.

Согласно теории Альберта Эйнштейна, обнародованной в 1915 году, четырехмерное пространство-время представляет собой гибкую эластичную материю, деформируемую присутствующими в ней крупными телами. Распределение энергии порождает гравитационное поле, так как энергия связана с материей по знаменитой формуле Е = mс². В этой логике то, что мы называем гравитацией, есть не что иное, как проявление деформаций в пространстве-времени. В свою очередь, материя и энергия испытывают последствия порождаемых ими деформаций. Из теории следует, что тело, свободно перемещающееся в этом искривленном пространстве-времени, описывает кратчайшую траекторию, называемую «геодезической линией». В «плоском», то есть не содержащем материи, пространстве-времени геодезические линии представляют собой прямые. Но в деформированном пространстве-времени это кривые, какими являются эллиптические орбиты планет Солнечной системы. Вопреки классической физике, свет – а он состоит из лишенных массы частиц, фотонов, – становится чувствительным к присутствию материи, так как тоже должен следовать геодезическим линиям пространства-времени. Значит, его траектория вблизи массивного тела изгибается. Эйнштейн вычислил угол отклонения в случае Солнца: видимое положение звезды, проходящее по границе его лимба, должно переместиться на 1,75 дуговой секунды (этот крохотный угол соответствует видимому размеру монеты в 1 евро с расстояния 2,7 км!). Это явление впервые наблюдали при солнечном затмении 29 мая 1919 года.

Сегодня отклонение световых лучей под воздействием материи – неоспоримый факт. На нем основывается явление гравитационной линзы: изображение удаленной галактики деформируется при прохождении через скопление более близких галактик^[19]. Но что происходит по соседству с черной дырой?

Что такое черная дыра?

Черная дыра, безусловно, самый знаменитый обитатель космического зверинца. Истинная звезда «Интерстеллара» – это, конечно, Гаргантюа, вымышленная черная дыра, вокруг которой (а потом и внутри) разворачивается действие.

Согласно теории относительности, черная дыра – это область пространства-времени, искривленная до такой степени, что из нее не может вырваться ничто, даже свет. Нематериальная граница, отделяющая эту область от остальной вселенной, называется горизонтом событий. Если земной горизонт – понятие относительное, зависящее от наблюдателя, то горизонт черной дыры абсолютен и делит события на две категории. За этим горизонтом, вне его, возможна коммуникация на расстояниях произвольно большой величины благодаря световым сигналам: это обычная вселенная, в которой находимся все мы. Внутри горизонта событий лучи света сходятся в центре и не могут оттуда вырваться. Иначе говоря, ничто из происходящего в черной дыре не может повлиять на внешнее пространство-время; этим и объясняется сам термин «черная дыра». В ее середине расположена сингулярность – область, где кривизна пространства-времени стремится к бесконечности.

Простейшую черную дыру предложил и описал немецкий физик Карл Шварцшильд (1873–1916), сумевший решить уравнение Эйнштейна для сферической инертной массы. Горизонт черной дыры Шварцшильда – это сфера, радиус которой пропорционален массе. У черной дыры с массой Солнца радиус должен быть равен 2 км, притом что фактический радиус нашей звезды равен 696 тыс. км. На расстояниях, значительно превосходящих радиус Шварцшильда, пространство-время вне черной дыры не отличается от пространства-времени звезды эквивалентной массы. Иными словами, замена нашего Солнца черной дырой той же массы ничего не изменит в орбитах планет. Искажения пространственно-временных характеристик черной дыры проявляются только вблизи ее горизонта.

Лебедь Х-1, обнаруженный в 1965 году, был первым объектом, могущим быть проявлением черной дыры. Он представляет собой бинарную систему, состоящую, возможно, из вращающейся черной дыры и гигантской звезды. С тех пор в нашей Галактике идентифицированы два десятка черных дыр. Крупнейшая, Стрелец А*, массой до 4 млн солнц, расположена в центре Млечного Пути. Ее обнаружили в 2002-м при наблюдении орбит звезд вблизи центра нашей Галактики. На 2019 год намечен проект «Телескоп горизонта событий» – съемка участков вблизи горизонта этой центральной черной звезды методом сопоставления данных радиотелескопов, разбросанных по всей земной поверхности. Увидят ли они то, что показано в «Интерстелларе»? Этого никто не знает, но вычисления дают надежду^[20].

Гаргантюа во всей красе

Хотя черная звезда не испускает свечения, ее можно зафиксировать по влиянию на ближнюю периферию, например, по вращающемуся вокруг нее диску материи. Разогреваемый вращением и порождаемым им внутренним трением, диск светится. Траектории лучей света испытывают воздействие искривленности пространства-времени, вызванной черной дырой. Предварительный математический анализ и его компьютерная обработка позволяют точно вычислить эти траектории и получить изображение, которое увидел бы удаленный наблюдатель.

Гаргантюа был рассчитан для фильма компанией «Дабл Негатив», специализирующейся на спецэффектах, с учетом рекомендаций американского физика Кипа Торна, тонкого знатока теории относительности и со-лауреата Нобелевской премии по физике 2017 года за работу с гравитационными волнами. Вопреки утверждениям создателей фильма, необыкновенной новизны в этом не было. Еще в 1979-м французский астрофизик Жан-Пьер Люмине, тоже специалист по черным дырам, опубликовал первые модели-изображения аккреционного диска вокруг черной дыры. В 1990-х его коллега Жан-Ален Марк предложил еще более реалистичные модели. Несколько лет назад другой астрофизик, Ален Риазуэло, получил методом вычисления изображение неба, которое предстало бы взору пассажиров корабля, находящегося на орбите черной дыры. Трудность здесь в том, что для подробного изображения необходимо рассчитать траектории большого количества световых лучей. С этой точки зрения работа «Дабл Негатив» превосходит сделанное предшественниками, так как в распоряжении компании были мощные компьютеры.