Постараюся відповісти на кілька запитань, що виникають по фільму у глядачів.

1) Чому чорна діра Гаргантюа у фільмі виглядає саме так?

Фільм Інтерстеллар - це перший художній фільм в історії кіно, де було застосовано візуалізація чорної діри на основі фізико-математичної моделі. Моделювання здійснювалося командою фахівців з 30 осіб (відділом візуальних ефектів Павла Франкліна) у співпраці з Кіпом Торном - фізиком-теоретиком зі світовим ім'ям, відомого своїми роботами в теорії гравітації, астрофізики і квантової теорії вимірювань. На один кадр витрачалося близько 100 годин, а всього на модель пішло близько 800 терабайт даних.
Торн створив не тільки математичну модель, але і написав спеціалізоване програмне забезпечення (CGI), що дозволило побудувати комп'ютерну модель візуалізації.

Ось що вийшло у Торна:

Звичайно, справедливим буде задати питання: чи є моделювання Торна першим в історії науки? І чи є зображення, отримане Торном, чимось раніше невідомий в науковій літературі? Зрозуміло, немає.
Жан П'єр ЛЮМІНА з Обсерваторії Париж-Мюдон, відділення релятивістських Астрофізики та космології, також котра купила всесвітню популярність своїми працями з області чорних дірок і космології, - один з перших учених, хто отримав шляхом комп'ютерного моделювання зображення чорної діри. У 1987-му році виходить його книга «Чорні діри: популярний вступ» де він пише:

Пояснення, чому зображення виходить саме таким:

"Через кривизни простору-часу в околиці чорної діри зображення системи істотно відрізняється від еліпсів, які ми б бачили, якщо б замінили чорну діру звичайним маломасивних небесним тілом. Випромінювання верхньої сторони диска утворює пряме зображення, причому через сильну дисторсии ми бачимо весь диск (чорна діра не закриває від нас знаходяться за нею частини диска). Нижня частина диска також видима через істотне викривлення світлових променів ".

Зображення ЛЮМІНА напрочуд нагадує результат Торна, отримане ним більш ніж через 30 років після робіт француза!

Чому ж в інших численних візуалізація: як в статтях, так і науково-популярних фільмах, чорну діру часто можна побачити зовсім не такий? Відповідь проста: комп'ютерне «малювання» чорної діри на основі математичної моделі - дуже складний і трудомісткий процес, який часто не вписується в скромні бюджети, тому автори найчастіше обходяться роботою дизайнера, а не фізика.

2) Чому аккреційний диск Гаргантюа не такий ефектний, який можна побачити на численних картинках та науково-популярних фільмах? Чому не можна було показати чорну діру яскравішою і значною?

Це питання я об'єднаю з наступним:

3) Відомо, що аккреційний диск чорної діри є джерелом дуже інтенсивної радіації. Космонавти б просто загинули, якби наблизити до чорної діри.

І це дійсно так. Чорні діри - це двигуни найяскравіших, найбільш високоенергетичних джерел випромінювання у Всесвіті. За сучасними уявленнями, серцем квазарів, які світять часом яскравіше, ніж сотні галактик, всіх разом узятих, є чорна діра. Своєю гравітацією вона притягує величезні маси речовини, змушуючи його стискатися в невеликій області під неймовірно високим тиском. Ця речовина нагрівається, в ньому течуть ядерні реакції з випусканням найпотужнішого рентгенівського і гамма випромінювання.
Ось як часто малюють класичний аккреційний диск чорної діри:

Якби Гаргантюа була такою, то такий аккреційний диск вбив би своїм випромінюванням астронавтів. Акреція у чорної діри Торна не така щільна і масивна, по його моделі температура диска не вище, ніж біля поверхні Сонця. Багато в чому це завдяки тому, що Гаргантюа - надмасивна чорна діра, масою не менше 100 мільйонів мас сонця, з радіусом в одну астрономічну одиницю.
Це не просто надмасивна, а ультрамассівная чорна діра. Навіть чорна діра в центрі Чумацького Шляху має, за різними оцінками, масою 4-4.5 млн. Сонячних мас.
Хоча Гаргантюа - далеко не рекордсмен. Наприклад, діра в галактиці NGC 1277 має масу 17 мільярдів сонць.
Ідея уявити собі такий експеримент, в якому люди досліджують чорну діру, турбувала Торна з 80-х років. Вже у своїй книзі «Чорні діри і складки часу. Зухвале спадщина Ейнштейна », виданої в 1990-му році, Торн розглядає гіпотетичну модель міжзоряного подорожі, в якому дослідники вивчають чорні діри, бажаючи якомога ближче підібратися до горизонту подій, щоб краще зрозуміти його властивості.
Дослідники починають з невеликою чорної діри. Вона їх зовсім не влаштовує тому, що створювані нею приливні сили дуже великі і небезпечні для життя. Вони змінюють об'єкт вивчення на більш масивну чорну діру. Але і вона їх не задовольняє. Нарешті, вони направляються до гігантської Гаргантюа.
Гаргантюа знаходиться поблизу квазара 3C273 - що дозволяє порівняти властивості двох дірок.
Спостерігаючи за ними, дослідників задаються питанням:

Аккреційний диск Гаргантюа щодо холодний, що не масивний, він не випромінює стільки енергії, як це відбувається в квазарі. Чому?

"Після телескопічних досліджень Брет знаходить відповідь: раз в кілька місяців зірка на орбіті центральної діри 3C273 підходить близько до горизонту і розривається приливними силами чорної діри. Залишки зірки, масою приблизною 1 сонячну, розбризкуються в околицях чорної діри. Поступово внутрішньо тертя заганяє Витік газ всередину бублика. Цей свіжий газ компенсує газ, яким бублик постійно постачає дірку і струменя. Таким чином бублик і струменя підтримують свої запаси газу і продовжують яскраво світити.
Брет пояснює, що зірки можуть близько підійти і до Гаргантюа.Але оскільки Гаргантюа набагато більше 3C273, його приливні сили над горизонтом подій занадто слабкі, щоб розірвати зірку.Гаргантюа проковтує зірки цілими, не розбризкуючи їх нутрощі в навколишній бублик.А без бублика Гаргантюа не може створити струменя і інші особливості квазара. »

Щоб навколо чорної діри існував масивний випромінює диск, повинен бути будівельний матеріал, з чого він може утворитися. У квазарі - це щільні газові хмари, дуже близькі до чорної діри зірки. Ось класична модель освіти аккреционного диска:

У Інтерстеллар видно, що масивному аккреционного диску там просто нема з чого виникнути. Немає ні щільних хмар, ні близьких зірок в системі. Якщо щось і було, то все це давно з'їдено.
Єдине, чим задовольняється Гаргантюа - це нізкоплотний хмари межвездного газу, що створюють слабке, «низькотемпературний» аккреційний диск, що не випромінює так інтенсивно, як класичні диски в квазарах або подвійних системах. Тому випромінювання диска Гаргантюа не вб'є астронавтів.

Торн пише в The Science of Interstellar:

Кіп Торн єдиний, хто висловив існування холодних акреційних дисків навколо чорних дір? Зрозуміло, немає.

У науковій літературі холодні аккреційному диски чорних дір давно досліджуються:
Згідно з деякими даними, надмасивна чорна діра в центрі Чумацького Шляху Стрілець А * (Sgr A *) володіє якраз таки холодним аккреційним диском:

(С) Close stars and an inactive accretion disc in Sgr A *: eclipses and fl ares
Sergei Nayakshin1 and Rashid Sunyaev. // 1. Max-Planck-Institut fur Astrophysik, Karl-Schwarzschild-Str. Garching, Germany 2. Space Research Institute, Moscow, Russi

Або Лебідь X-1:

(С) Report at SPIE organization Conference "Astronomical Telescopes and Instrumentation", 21-31 March 2000, Munich, Germany

У цій статті автора теж говорять про холодному аккреційному диску навколо чорної діри в галактичному ядрі:

Interaction Between Stars and an Inactive Accretion Disc in a Galactic Core // Vladimır Karas. Astronomical Institute, Academy of Sciences, Prague, Czech Republic and

(С) Charles University, Faculty of Mathematics and Physics, Prague, Czech Republic // Ladislav Subr. Charles University, Faculty of Mathematics and Physics, Prague, Czech Republic

"Спокійні" чорні діри схожі на дірку в Туманності Андромеди - одну з перших виявлених надмасивних чорних дір. Її маса - близько 140 мільйонів сонячних мас. Але знайшли її не по сильному випромінюванню, а по характерному руху зірок навколо цієї області. Інтенсивним "квазарним" випромінюванням ядра таких галакктіх не володіють. І астрофізики прийшли до висновку, що на цю чорну діру просто не падає речовина. Така ситуація характерна для "спокійних" галактик, на зразок Туманності Андромеди і Чумацького Шляху.

Галактики з активними чорними дірами звуться активних, або сейфертовських галактик. До числа сейфертовських галактик відносять приблизно 1% від всіх спостережуваних спіральних галактик.

Про те, як знайшли сверхмассивную чорну діру в Туманності Андромеди, добре показано в науково-популярному фільмі BBC "Надмасивні чорні діри".

4) Чорні діри, як відомо, мають смертоносними приливними силами. Хіба вони не розірвуть як астронавтів, так і планету Міллера, яка у фільмі знаходиться дуже близько до горизонту подій?

Навіть лаконічна Вікіпедія пише про одну важливу властивість надмасивної чорної діри:

«Приливні сили близько горизонту подій значно слабкіше через те, що центральна сингулярність розташована так далеко від горизонту, що гіпотетичний космонавт, який мандрує до центру чорної діри, не відчує впливу екстремальних приливних сил до тих пір, поки не зануриться в неї дуже глибоко. »

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D...D1%8F_%D0%B4%D1%8B%D1%80%D0%B0

З цим згодні будь-які наукові і популярні джерела, де описуються властивості надмасивних чорних дір.

(С) Schwarzschild black holes // General relativity: an introduction for physicists. - Cambridge University Press, 2006. - P. 265. - ISBN 0-521-82951-8.

Зрозуміло, маса Гаргантюа була обрана так, щоб не розірвати приливами астронавтів.
Варто зауважити, що у Торна Гаргантюа 1990-го року кілька масивніше, ніж в Інтерстеллар:

У книзі «The Science of Interstellar» 2014-го року, де Кіп Торн описує наукові аспекти роботи над фільмом, він призводить вже цифру 100 мільйонів мас сонця - але помічаючи, що це мінімальна маса, яка може бути у «комфортної» щодо приливних сил чорної діри.

5) Як може існувати планета Міллера так близько від чорної діри? Чи не розірве її приливними силами?

Астроном Філ Плейнт, відомий під кличкою «Поганий Астроном» за свій нестримний скептицизм, просто не зміг пройти повз Інтерстеллар. До того ж до цього він злобно руйнував своїм гострим скепсисом багато гучні фільми, наприклад «Гравітацію».

«Я дійсно з нетерпінням чекав Інтерстеллар .. Але те, що я побачив, - було жахливо.Це повний провал.Мені все дуже, дуже не сподобалося »-

пише він у своїй статті від 6-го листопада.
Філ каже, що щодо наукової частини фільм є цілковитою туфтою. Що навіть в гіпотетичних рамках не може відповідати сучасним науковим уявленням. Особливо він проїхався по планеті Міллера. За його словами, планета може стійко обертатися навколо такої чорної діри, але її орбіта повинна бути як мінімум в три рази більше розміру самої Гаргантюа. Годинник буде йти повільніше, ніж на Землі, але всього на 20 відсотків. Стійкість планети, близької до чорної діри, як показано у фільмі - це неможлива вигадка. До того ж її зовсім розірвуть на частини приливні сили чорної діри.

Але 9-го листопада Плейнт з'являється з новою статтею. Він її називає Follow-Up: Interstellar Mea Culpa. Нерімерімий науковий критик вирішив покаятися.

Філ Плейнт визнав, що допустив помилки в своїх міркуваннях і прийшов до неправильних висновків:

«У своєму огляді я говорів про планету Міллера, что Обертана около до чорної дірі.Час, проведений на планеті дорівнює семи земних років.Моя претензія пролягав в тому, что при такому уповільненні годині стабільна орбіта планети би була Неможливо.
І це правда ... для невращающейся чорної дірі.Моя помилка пролягав в тому.что я не Використана правильні Рівняння для чорних Дір, яка Швидко Обертана!Це сильно змінює картину простору-часу біля чорної дірі.Зараз я розумію, стійка орбіта у даній планети вокруг чорної дірі Цілком может існуваті, причому настолько около до горизонту подій, что Вказаним в фільмі уповільнення часу можливо.Загаль, я БУВ не правий.
Я стверджував такоже в своєму первісному аналізі, что гравітаційні припливи розірвуть Цю планету на части.Я консультувався з парою астрофізіків, Які такоже сказали, что припливи Гаргантюа, ймовірно, повінні зніщіті планету, но математично це поки що НЕ підтверджено.Вони до цих пір працюють над вирішенням цього завдання - і як тільки вона буде вирішена, я опублікую рішення.Я сам не можу сказати, чи був я прав, чи ні в своєму аналізі, - і навіть якщо я мав рацію, мої міркування і раніше стосувалися тільки невращающейся чорної діри, так що вони не є справедливими для цього випадку.
Щоб вирішити таке завдання, потрібно обговорити безліч математичних проблем.Але я не знаю точно, наскільки саме далеко була планета Міллера від Гаргантюа, і тому дуже важко сказати, зруйнували б її припливи, чи ні.Книгу фізика і виконавчого продюсера фільму Кіпа Торна «The Science of Interstellar» я ще не читав - думаю, вона проллє світло на цю проблему.
Проте, я помилявся щодо стабільності орбіти - і я зараз вважаю належним скасувати цю мою претензію до фільму.
Отже, підведу підсумок: фізична картина поблизу чорної діри, продемонстрована в фільмі, є насправді відповідної науці.Я зробив помилку, за яку я приношу свої вибачення.

Ikjyot Singh Kohli, фізик-теоретик з Йоркського університету, на своїй сторінці привів рішення рівнянь, доводячи, що існування планети Міллера цілком можливо.
Він знайшов рішення, при якому планета буде існувати в продемонстрованих у фільмі умовах. Але також обговорив і проблему приливних сил, які повинні нібито розірвати планету. Його рішення свідчить, що приливні сили занадто слабкі, щоб її розірвати.
Він навіть обґрунтував наявність гігантських хвиль на поверхні планети.

Міркування Сінгха Коли з прикладами рівнянь тут:

http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cac...mp;hl=ru&ct=clnk&gl=ru

Так показує знаходження планети Міллера Торн в своїй книзі:

Є точки, в яких орбіта буде не стійка. Але Торн знайшов також і стійку орбіту:

Приливні сили не розривають планету, але деформують її:

Якщо планета обертається навколо джерела приливних сил, то вони будуть постійно змінювати свій напрямок, по-різному деформуючи її в різних точках орбіти. В одному положенні планета буде сплющена зі сходу на захід і витягнута з півночі на південь. В іншій точці орбіти - здавлена ​​з півночі на південь і розтягнута зі сходу на захід. Оскільки гравітація Гаргантюа дуже велика, то мінливі внутрішні деформації і тертя буде нагрівати планету, роблячи її дуже гарячою. Але, як ми бачили у фільмі, планета Міллера виглядає зовсім інакше.
Тому справедливим буде вважати, що планета завжди повернена до Гаргантюа однією стороною. І це природно для багатьох тіл, які обертаються навколо більш сильного гравитирующего об'єкта. Наприклад, наш Місяць, багато супутники Юпітера і Сатурна завжди повернені до планеті тільки однією стороною.

Також Торн зупинився на ще одному важливому моменті:

6) Як можливі настільки гігантські хвилі на поверхні планети Міллера?

На це питання Торн відповідає так:

Коли я обчислив період цього розгойдування, то я отримав величину близько години. І це збіглося з тим часом, який вибрав Кріс - до цього ще не знав про мою наукову інтерпретації!
Моя друга модель - це цунамі. Приливні сили Гаргантюа може деформувати кору планети Міллера, з таким же періодом (1 година). Ці деформації можуть створювати дуже сильні землетруси. Вони можуть викликати такі цунамі, які будуть значно перевершувати будь-які, побачені коли-небудь на Землі. »

7) Як можливі такі неймовірні маневри Ендуренс і Рейнджера на орбіті Гаргантюа?

1) Ендуренс рухається по паркувальної орбіті з радіусом, рівним 10 радіусом Гаргантюа, і екіпаж прямує на п. Міллера, рухається зі швидкістю С / 3. Планета Міллера рухається зі швидкістю 55% від С.
2) Рейнджер повинен скинути швидкість від С / 3 на меншу, щоб знизити орбіту і наблизитися до п. Міллера. Він сповільнюється до с / 4, і досягає околиць планети (зрозуміло, тут треба дотримати строгий розрахунок, щоб потрапити. Але це не проблема для комп'ютера)

Механізм для такого істотного зміни швидкості описаний Торном:

Нейтронна зірка показана Торном на малюнку:

Побачення з нейтронної зіркою дозволяє змінити швидкість:

Реальне застосування "гравітаційної рогатки" дивіться на прикладі міжпланетних космічних апаратів, - наприклад, ознайомтеся з історією Вояджеров.