Кинофантастика

В фильме аккреционный диск показан «умеренно реалистично», без учета этих релятивистских эффектов: так пожелал сам Кристофер Нолан, решив, что асимметрия смутила бы зрителя. Но если черная дыра сильно влияет на окружающее световое поле, то она должна диктовать свои законы и приблизившимся к ней по неосторожности астронавтам.
 Приближаясь к чудовищу 
По соседству с черной дырой вы напрямую испытали бы изгиб пространства-времени: это приливные силы. Мы ощущаем их и на Земле, без труда наблюдая самое заметное их следствие — океанские приливы и отливы. В классической физике они происходят от колебания силы гравитации в зависимости от расстояния до притягивающего тела. Оказываясь в поле лунного притяжения, участки Земли, находящиеся под Луной, притягиваются ею немного сильнее, чем противоположное полушарие[21].
На Земле это выражается в вытягивании, ось которого направлена к Луне, и нагляднее наблюдается на примере легко деформируемых океанических масс. При этом две точки на Земле, расположенные на перпендикулярной «лунному» направлению прямой, сближаются, потому что вместе «падают» в направлении центра нашего спутника. Поэтому Земля и ее океаны сжимаются в направлении, перпендикулярном «лунному».
Применительно к черной дыре приливные силы порождаются различиями в изгибе пространства-времени и могут выглядеть гораздо более впечатляющими, чем происходящее на Земле. Падая ногами в направлении черной дыры, вы почувствовали бы вытяжение вдоль тела и сжатие в перпендикулярном направлении. Как ни странно, момент, с которого вытяжение становится невыносимым для человека (скажем, при разнице в ускорении, равной 10g), не зависит от размера дыры: он наступает где-то за десятую долю секунды до достижения центральной сингулярности. То, что эта продолжительность одинакова для всех черных дыр, означает, что человек будет буквально разорван приливными силами маленькой черной дыры массой всего в несколько солнц задолго до ее горизонта, радиус которой преодолевается за долю миллисекунды. Зато мы могли бы достигнуть живыми и невредимыми горизонта черной дыры массой в 10 тыс. солнц и даже исследовать внутренность гигантской черной дыры массой в 100 млн солнц… В последнем случае приливные силы на горизонте событий становятся слабее, чем те, неуловимые, которые действуют на нас на Земле. Тем не менее после пересечения горизонта вас неудержимо повлечет к центральной сингулярности и там, независимо от массы черной дыры, разорвет приливными силами, значения которых стремятся к бесконечности!
 Какова масса Гаргантюа? 
Тот факт, что планету Миллер, обращающуюся на орбите Гаргантюа, не уничтожают приливные силы черной дыры, позволяет довольно точно определить массу последней. Можно показать, что интенсивность приливного вытяжения обратно пропорциональна квадрату массы черной дыры. Иначе говоря, чем выше масса черной дыры, тем слабее приливные силы. С другой стороны, само существование планеты Миллер обеспечено ее гравитацией, сопротивляющейся приливным силам. Если бы вторые превзошли первую, планета развалилась бы. Так произошло с кометой Шумейкеров — Леви: в июле 1992 года ее раздавили приливные силы Юпитера, в который спустя два года врезались ее остатки.
Если считать плотность планеты Миллер близкой к плотности Земли, а высоту орбиты уподобить радиусу горизонта, то масса Гаргантюа составит не менее 200 млн солнечных масс. Цифра кажется колоссальной, и она именно такова, если помнить, что «обычная» черная дыра имеет массу порядка нескольких солнечных. Черная звезда такого типа, называемого «звездным», обычно появляется после взрыва очень массивной звезды. Черная дыра в центре нашей Галактики, имеющая массу 4 млн солнц, — карлик по сравнению с дырой массой в 200 солнц. Но в центре некоторых активных галактик — например, Мессье 87 — обнаружены черные дыры, массы которых значительно превышают миллиард солнц! По сравнению с ними наш Гаргантюа — настоящий середнячок. Остается нерешенная проблема: такие сверхмассивные черные дыры находят пока что только в центре галактик…
  
 Берегись, волна! 
Хотя планета Миллер не гибнет от приливных сил Гаргантюа, она должна подвергаться вытягиванию по оси, соединяющей ее с черной дырой (и сжатию по перпендикулярной оси). В отличие от земных океанов, деформируемых лунными и солнечными приливными силами, но приподнимающимися на считаные метры, океанская масса планеты Миллер вздымается на добрый километр! Эта гигантская деформация не может не порождать одиночную волну, именуемую физиками солитоном. Ее впервые описал в 1834 году шотландский инженер Джон Скотт Рассел (1808–1882): он проследил на протяжении нескольких километров одиночную волну в канале, вызванную резким причаливанием судна. Его удивило, что, в отличие от обычных волн, солитоны обладают нетипичными параметрами пространственной локализации, а также постоянной скоростью и сохранением энергии: они перемещаются без рассредоточения в пространстве и без рассеивания во времени. Такие явления с разными причинами, как приливная волна «маскарет», цунами и «волна-предатель» — это солитоны, и «волна» на планете Миллер на них подозрительно похожа. При ее впечатляющих размерах остается удивляться, почему этот прилив не сопровождается катастрофическим оттоком вод там, где плавают исследователи. Заметим также, что раз происходит океанический прилив, значит должен происходить и континентальный: при высоком океаническом приливе происходит деформация земной коры на глубину 30 см. Силы земного прилива деформируют лунную поверхность на несколько метров вглубь, а приливные силы, порождаемые Юпитером, деформируют его спутник Ио метров на сто. Рассеивание энергии от вызванного этим трения приводит к сильной вулканической активности, из-за чего Ио — единственное (кроме Земли) место с действующими вулканами. При бушующих на планете Миллер приливных силах над ее водами должны были бы вздыматься огромные вулканы…
Есть и другие следствия приливных сил. Подобно Луне и Ио, планета Миллер должна вращаться вокруг своей оси примерно в том же ритме, в каком движется по орбите. Иными словами, она всегда должна быть обращена к черной дыре одной и той же стороной. Такая синхронизация обращения и вращения проистекает из явления замедления приливных сил. Когда Луна вращалась быстрее, чем сейчас, вызываемая земным приливом деформация двигалась в ритме этого вращения, приводя к трению внутри грунта спутника, и вызванное этим рассеивание энергии замедляло вращение Луны. Это торможение продолжалось до тех пор, пока не исчезла причина трения, то есть пока Луна не стала вращаться так медленно, чтобы все время оставаться одной стороной к нам. То же самое происходит на Земле, где трение водной массы об океанское дно приводит к торможению ее периода вращения на 2 миллисекунды за столетие. Это же должно происходить на планете Миллер, но с одной оговоркой: если бы ее вращение и обращение были полностью синхронизированы, то океанический вал должен был бы зафиксироваться по отношению к планете, так как обращался бы в ритме обращения планеты вокруг черной дыры, а этот ритм аналогичен вращению планеты вокруг своей оси. Однако, как видят действующие лица, приливная волна вздымается примерно раз в час. Это значит, что обращение и вращение планеты еще не вполне синхронны и что она колеблется вокруг среднего положения с периодом примерно в час, отделяющий один прилив от другого.
Вывод: планета Миллер находится на этой орбите не так давно, ведь с учетом приливных сил Гаргантюа синхронизация вращения и обращения должна быть быстрой.
 Разница во времени 
Интрига в фильме «Интерстеллар» опирается на странную ситуацию: один час на планете Миллер соответствует семи годам на большом удалении от нее[22]. Это огромное расхождение — одно из следствий общей относительности: часы в поле сильного тяготения отстают от таких же часов в поле более слабого тяготения. Точнее, если синхронизировать двое одинаковых часов, поместить одни в более сильное гравитационное поле, а потом поставить их рядом с другими, то выяснится, что первые отстанут от вторых, причем тем больше, чем сильнее то самое гравитационное поле и чем дольше они в нем находились.