Интерстеллар: наука за кадром - Кип Торн

Чтобы выполнить оба условия, орбита планеты Манн должна быть сильно вытянутой. А чтобы планета, проходя вблизи Гаргантюа, не угодила в аккреционный диск, ее орбита должна проходить как можно выше или ниже экваториальной плоскости Гаргантюа, где этот диск располагается.

Рис. 19.1. Возможная орбита планеты Манн, вычисленная с помощью крайне дружелюбной интернет-программы, написанной Дэвидом Сароффом, см. demonstrations.wolfram.com/3DKerrBlackHoleOrbits 

Исходя из этого орбита должна выглядеть примерно так, как показано на рис. 19.1, но отходить от Гаргантюа гораздо дальше — на 600 или больше радиусов дыры[64]. Напоминает орбиту кометы Галлея в Солнечной системе (рис. 7.5): подойдя к Гаргантюа, планета огибает ее и снова улетает прочь. Пространственный вихрь вблизи Гаргантюа заставляет планету облетать вокруг дыры один или два раза при каждом сближении, а также вызывает прецессию под большим углом, как показано на рисунке.

Планету Манн в ее перемещениях к черной дыре и от нее не может сопровождать солнце, поскольку вблизи Гаргантюа огромные приливные силы развели бы планету и солнце врозь, отправив их дальше по совершенно разным орбитам. Поэтому обогревать и освещать планету Манн, как и планету Миллер, может только слабый аккреционный диск Гаргантюа. 

Путь к планете Манн

Путь «Эндюранс» к планете Манн начинается рядом с Гаргантюа и заканчивается вдали от нее. Такой перелет требует — в Кип-версий — двух гравитационных пращей (см. главу 7), одной в начале и другой — в конце.

В начале этого пути есть двойная проблема. Во-первых, находясь на орбите ожидания возле Гаргантюа, «Эндюранс» движется со скоростью втрое меньшей, чем световая (с/3), в неподходящем направлении — по круговой орбите вокруг Гаргантюа; движение нужно изменить на радиальное, от черной дыры. Во-вторых, скорость «Эндюранс» слишком мала — гравитационное притяжение Гаргантюа настолько сильное, что если «Эндюранс» ляжет на радиальную траекторию, не меняя скорости (с/3), Гаргантюа будет удерживать корабль, позволив ему продвинуться лишь на малую часть от расстояния до планеты Манн. Чтобы преодолеть гравитацию Гаргантюа и достичь планеты Манн на скорости, равной скорости планеты (примерно с/20), первая праща должна разогнать «Эндюранс» примерно до половины скорости света. Для этого Куперу нужно найти черную дыру средней массы в подходящем месте и с подходящей скоростью.

Найти такую дыру — дело непростое, и даже если это получится, могут возникнуть сложности с тем, чтобы приблизиться к ней в нужный момент, когда она находится в строго определенной точке своей орбиты. Возможно, большую часть пути (который займет месяцы) придется потратить на перелет к черной дыре средней массы, и не исключено, что придется долго ждать, пока эта дыра окажется в нужном месте. А после того как корабль наконец выполнит пращу, полет до планеты Манн с первоначальной скоростью около с/2 и постепенным замедлением до с/20 потребует еще приблизительно 40 дней.

Во время второй пращи, вблизи планеты Манн, «Эндюранс» понадобится обогнуть подходящую черную дыру средней массы и перейти к плавному сближению с планетой, к сближению, которое не потребует больших трат ракетного топлива. 

Прибытие на планету Манн: ледяные облака

В фильме «Эндюранс» остается на орбите вокруг планеты Манн, а Купер с командой высаживаются на планету в «Рейнджере».

Планета покрыта льдом, чего вполне можно ожидать, учитывая, что (в Кип-версий) большую часть времени она находится вдали от Гаргантюа с ее горячим аккреционным диском. Когда «Рейнджер» снижается перед посадкой на планету, мы видим, как он маневрирует между облаками, но затем «Рейнджер» задевает одно из них (рис. 19.2), и выясняется, что облако состоит изо льда.

Основываясь на беседе с Полом Франклином, я полагаю, что эти облака состоят в основном из замерзшей двуокиси углерода, «сухого льда», и что по мере приближения планеты к аккреционному диску Гаргантюа они начинают нагреваться. Нагреваясь, сухой лед сублимирует (испаряется), и то, что кажется облаками, может быть смесью сухого льда и сублимированного пара — в основном, по-видимому, пара. На меньших высотах, когда «Рейнджер» садится, температура выше, и лед, на который опускается «Рейнджер», скорее всего, состоит исключительно из воды.

Рис. 19.2. «Рейнджер» задевает край ледяного «облака» на планете Манн (Кадр из «Интерстеллар», с разрешения «Уорнер Бразерс».) 

Геологические данные доктора Манна

В фильме доктор Манн ищет на своей планете органику и утверждает, что собрал обнадеживающие данные. Обнадеживающие, но не более того. Он показывает данные Брэнд и Ромилли.

Данные представляют собой полевые заметки, в которых указано, где был найден каждый образец, описана геологическая среда в месте находки и дан химический анализ образца. На результаты химанализа и ссылается доктор Манн, говоря о возможном наличии органики.

На рис. 19.3 показана одна страница из этих заметок. Эти данные для фильма подготовила Эрика Суонсон, талантливый аспирант-геолог из Калтеха. Эрика, подобно доктору Манну, тоже занималась полевыми исследованиями и химическим анализом. Правда, на Земле.

Рис. 19.3. Сверху: Ромилли (актер Дэвид Гяси) и Брэнд (актриса Энн Хэтэуэй) обсуждают с доктором Манном его геологические данные. Снизу: одна страница данных, подготовленных для фильма Эрикой Суонсон: результаты химического анализа вымышленных камней, собранных на поверхности вымышленной планеты. Несколько образцов предположительно содержат следы органики, возможно даже — животного происхождения (Кадры из «Интерстеллар», с разрешения «Уорнер Бразерс».) 

Далее в фильме выясняется, что доктор Манн подделал данные. В этом есть некая ирония, поскольку Эрика данные, разумеется, тоже сфабриковала. Она не проводила полевых исследований на планете Манн. Возможно, когда-нибудь…

В этой книге я ничего не скажу о личной трагедии доктора Манна. Она не имеет отношения к точным наукам. Ее развязка — взрыв, серьезно повреждающий «Эндюранс». А вот конструкция «Эндюранс», взрыв и его последствия — это уже наша епархия, так что давайте об этом и поговорим.

20. «Эндюранс»

Приливная гравитация и конструкция «Эндюранс»

Рис. 20.1. «Эндюранс», два «Рейнджера» и два посадочных модуля пристыкованы к центральному управляющему модулю. «Рейнджеры» расположены перпендикулярно плоскости кольца, а посадочные модули — параллельно (Кадры из «Интерстеллар», с разрешения «Уорнер Бразерс».)

Эндюранс» состоит из 20 модулей, соединенных в кольцо, а также управляющего модуля в центре кольца (рис. 20.1). Два посадочных модуля и два «Рейнджера» пристыковываются к центральному модулю «Эндюранс».

Согласно Кип-версий, «Эндюранс» был сконструирован так, чтобы выдерживать серьезные воздействия сил приливной гравитации. Необходимая предосторожность, если собираешься путешествовать сквозь червоточину. Диаметр кольца «Эндюранс» — 64 метра — равен примерно одному проценту от длины окружности червоточины. Сталь и другие твердые материалы не годились, поскольку они ломаются или необратимо теряют изначальную форму, если подвергнуть их деформациям величиной более нескольких десятых долей процента. К тому же было неясно, что случится с «Эндюранс» по другую сторону червоточины, возле Гаргантюа, так что «Эндюранс» требовался гораздо больший запас прочности, чем необходим для преодоления приливных сил в червоточине.

Углеродное волокно можно изгибать как угодно, при этом деформация материала составит значительно меньше одного процента. Причина в малой толщине волокна. Можно предположить, что прочность «Эндюранс» обеспечивается множеством тончайших углеродных волокон, натянутых по кольцу — подобно тросам, которые держат подвесной мост, изгибаясь и растягиваясь при сильном ветре. Но тогда кольцо стало бы очень гибким. А оно должно обладать достаточной жесткостью, чтобы изгибающие кольцо силы приливной гравитации не столкнули друг с другом его модули.

Конструкторы (в Кип-версий) приложили немало усилий, чтобы «Эндюранс» был устойчив к деформациям, но при этом, подвергаясь воздействию приливных сил, значительно превышающих ожидаемые, мог деформироваться без разрушения. 

Взрыв на орбите вокруг планеты Манн

Такой подход к конструированию корабля приносит свои плоды, когда доктор Манн невольно инициирует сильный взрыв, который размыкает кольцо «Эндюранс», уничтожает два модуля и еще два повреждает (рис. 20.2).