Глава 7. Гравитационные Пращи

Гравитационные Пращи

(И)

Управлять космическим кораблем вблизи Гаргантюа непросто, поскольку скорости очень высоки. Чтобы уцелеть, планете, звезде или космическому кораблю надо противопоставить огромной гравитации Гаргантюа сопоставимо огромную центробежную силу. Значит, надо двигаться с очень высокой скоростью. С почти световой скоростью, как выясняется. В моем научном толковании Интерстеллара Эндуранс, припаркованная в десяти радиусах Гаргантюа, пока экипаж спускается на планету Миллера, движется с одной третьей скорости света: с/3, где с выражает скорость света. Планета Миллера движется с 55 процентами скорости света, 0,55с.

Чтобы добраться до планеты Миллера с парковочной орбиты, в моем толковании (рисунок 7.1), Рэйнжер должен замедлить орбитальную скорость с с/3 до гораздо меньшего значения, чтобы гравитация Гаргантюа могла затянуть его вниз. А достигнув окрестностей планеты Миллера, Рэйнжер должен повернуть с нисходящей траектории на орбитальную. И поскольку, падая, он слишком разогнался, то ему нужно замедлиться примерно на с/4 до скорости планеты Миллера в 0,55с, чтобы состыковаться с ней.

Рис. 7.1. Рейс Рэйнжера на планету Миллера, в моем толковании Интерстеллара.

Каким же способом Купер, пилот Рэйнжера, может добиться таких огромных перепадов скорости?

Технологии Двадцать Первого Века

Требуемые перепады скорости, грубо с/3, составляют 100 000 километров в секунду (в секунду, а не в час!).

Сопоставим: на сегодняшний день самые мощные реактивные двигатели человечества развивают скорость 15 километров в секунду, медленнее необходимого в семь тысяч раз. В Интерстелларе Эндуранс добирается до Сатурна за два года со средней скоростью 20 километров в секунду, в пять тысяч раз медленнее необходимого. Самая большая скорость, которую смогут развить человеческие космические корабли в двадцать первом веке, думаю, составит 300 километров в секунду. Это потребует серьезных усилий в НИОКР (научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработках) ядерных ракет, но это по-прежнему в 300 раз медленнее, чем нужно для Интерстеллара. К счастью, Природа предоставляет возможность добиться огромных перепадов скорости - необходимых в Интерстелларе с/3 - с помощью гравитационных пращей вокруг черных дыр, намного меньших Гаргантюа.

Курс к Планете Миллера Через Пращи

Звезды и маленькие черные дыры скапливаются вокруг гигантских черных дыр вроде Гаргантюа (подробнее об этом в следующем разделе). В своем научном толковании фильма я воображаю, как Купер со своей командой извлекает пользу из всех маленьких черных дыр на орбите Гаргантюа. Одну из них они находят в подходящем месте, чтобы гравитационно преломить траекторию Рэйнжера с почти круговой орбиты и заставить его нырнуть к планете Миллера (рисунок 7.2). Такой маневр, осуществляемый с помощью гравитации, называется “гравитационной пращой”, и им часто пользуется НАСА в Солнечной системе - хотя в этом случае гравитация исходит от планет, а не от черных дыр (см. конец этой главы).

Этот маневр-праща не показывается и не обсуждается в Интерстелларе, но Купер упоминает следующий: “Смотри, я могу прокачнуться вокруг той нейтронной звезды, чтобы сбросить скорость,” говорит он. Сброс скорости необходим, так как, падая под действием громадного тяготения Гаргантюа с орбиты Эндуранс до орбиты Миллера, Рэйнжер слишком переразогнался; он движется на с/4 быстрее планеты Миллера. На рисунке 7.3 нейтронная звезда, движущаяся влево по отношению к планете Миллера, преломляет и замедляет движение Рэйнжера, чтобы он мог мягко состыковаться с планетой.

Рис. 7.2. Рэйнжер совершает маневр-пращу вокруг маленькой черной дыры, которая преломляет его траекторию вниз, к планете Миллера.

Рис. 7.3. Праща вокруг нейтронной звезды позволяет посадочному аппарату состыковаться с планетой Миллера.

Теперь, у этих пращей есть очень неприятная особенность. На самом деле, смертельная: это приливные силы (Глава 4).

Чтобы обеспечить такие перепады скорости, как с/3 или с/4, Рэйнжеру придется пройти достаточно близко к маленькой черной дыре и нейтронной звезде и ощутить их мощную гравитацию. На столь коротких расстояниях, если преломляющее тело - нейтронная звезда или черная дыра с радиусом менее 10 000 километров, то Рэйнжер вместе с экипажем разорвет в клочья приливными силами (Глава 4). Чтобы Рэйнжер и экипаж уцелели, преломляющее тело должно быть черной дырой величиной по крайней мере 10 000 километров (порядка размера Земли).

Теперь, черные дыры такого размера таки встречаются в Природе. Они называются черными дырами средней массы (англ. intermediate-mass black holes), или ЧДСМ, но несмотря на крупный размер, по сравнению с Гаргантюа они крошечные: в десять тысяч раз меньше ее.

Так что для замедления Рэйнжера Кристоферу Нолану следовало использовать ЧДСМ размером с Землю, а не нейтронную звезду. Я обсуждал это с Крисом, когда он начинал переписывать сценарий Джоны. После этого обсуждения Крис все же выбрал нейтронную звезду. Почему? Потому что он не хотел смущать зрителя двумя черными дырами в фильме. Одна черная дыра, одна кротовая нора и одна нейтронная звезда, и все это надо уместить в динамичном двухчасовом фильме вместе с прочей обильной наукой Интерстеллара; Крис считал, что больше ему не вытянуть. Выяснив, что для кораблевождения рядом с Гаргантюа необходимы мощные гравитационные пращи, Крис включил одну в реплику Купера, заплатив за это использованием неправдоподобного с точки зрения науки преломляющего тела - нейтронный звезды вместо черной дыры.

Черные Дыры Средней Массы в Ядрах Галактик

10 000-километровая черная дыра весит около 10 000 солнечных масс. Это в десять тысяч раз меньше Гаргантюа, но в тысячу раз больше обыкновенных черных дыр. Именно такие преломляющие тела нужны Куперу.

Считается, что некоторые ЧДСМ образуются в сердце плотных скоплений звезд - шаровых скоплений, - и некоторые из них, вероятно, способны добраться до ядер галактик, где обитают гигантские черные дыры.

В качестве примера может выступать Андромеда - ближайшая к нашей крупная галактика (рисунок 7.4), - в ядре которой таится черная дыра размером с Гаргантюа - в 100 миллионов солнечных масс. Огромное количество звезд затягивается в окрестности столь гигантских черных дыр; до тысячи звезд на кубический световой год. Проходя через столь плотную область, ЧДСМ гравитационно преломляет траектории звезд, образуя за собой спутную струю повышенной плотности (рисунок 7.4). Эта спутная струя гравитационно притягивает ЧДСМ, замедляя ее движение, этот процесс называется “динамическое трение”. По мере очень постепенного замедления ЧДСМ, она тонет вглубь окрестностей гигантской черной дыры. Так Природа могла бы обеспечить Купера, в моем научном толковании Интерстеллара, необходимыми для пращей ЧДСМ.[19]

Рис. 7.4. Слева: Галактика Андромеда, приютившая черную дыру размером с Гаргантюа. Справа: Динамическое трение, из-за которого ЧДСМ постепенно замедляется и тонет вглубь окрестностей гигантской черной дыры.

Орбитальная Навигация Сверхразвитых Цивилизаций: Отступление

С большой точностью, орбиты всех планет и комет в нашей Солнечной системе - эллипсы (рисунок 7.5). Это гарантируют и обеспечивают законы гравитации Ньютона. В противоположность этому, вокруг гигантской вращающейся черной дыры вроде Гаргантюа, где балом правят законы теории относительности Эйнштейна, орбиты куда сложнее. Пример изображен на рисунке 7.6. На этой орбите каждый оборот вокруг Гаргантюа занял бы от нескольких часов до нескольких дней, так что весь узор рисунка 7.6 намотался бы примерно за год. Через несколько лет орбита добралась бы до практически любого пункта назначения, какое только можно пожелать, хотя скорость прибытия может оказаться не той. Для изменения скорости и состыковки может потребоваться праща.

Рис. 7.5. Орбиты планет, Плутона и кометы Галлея в Солнечной системе. Все они - эллипсы.

Рис. 7.6. Единственная орбита космического корабля, планеты или звезды вокруг гигантской, быстро вращающейся черной дыры вроде Гаргантюа. [Смоделировано Стивом Драско.]

Я позволю вам самим вообразить, как сверхразвитая цивилизация могла бы использовать подобные сложные орбиты. В своих научных толкованиях фильма, для простоты я, в основном, избегаю их и сосредотачиваюсь, главным образом, на круговых экваториальных орбитах (орбита припаркованной Эндуранс, орбита планеты Миллера и критическая орбита) и на простых траекториях, по которым Эндуранс перемещается между круговыми экваториальными орбитами. Исключение моставляет орбита планеты Манна, которую я обсуждаю в Главе 19.

Гравитационные Пращи НАСА в Солнечной Системе

Давайте вернемся из мира возможного (допускаемого законами физики) к практичным, настоящим гравитационным пращам в уютных границах нашей Солнечной системы (то, чего человечество по-настоящему достигло на 2014 год).

Вам может быть знаком космический аппарат НАСА Кассини (рисунок 7.7). Его запустили с Земли 15 октября 1997 года с недостаточным для достижения цели - Сатурна - количеством топлива. С этой нехваткой справились с помощью пращей: вокруг Венеры 26 апреля 1998 года; вторая праща вокруг Венеры 24 июля 1999 года; вокруг Земли 18 августа 1999 года; и вокруг Юпитера 30 декабря 2000 года. По прибытии на Сатурн 1 июля 2004 года Кассини сбросил скорость с помощью пращи вокруг ближайшего спутника Сатурна, Ио.

Рис. 7.7. Траектория Кассини от Земли до Сатурна.

Ни одна из этих пращей не похожа на то, что я описал выше. Вместо сильного преломления траектории космического аппарата, Венера, Земля, Юпитер и Ио преломляли ее лишь слегка. Почему?

Гравитащия преломляющих тел была слишком слаба для сильного преломления. В случаях Венеры, Земли и Ио преломление неизбежно было бы малым, потому что их гравитация от природы слаба. У Юпитера куда более сильная гравитация, но сильное преломление отправило бы Кассини не в том направлении; чтобы добраться до Сатурна, требовалось малое преломление.

Несмотря на малые преломления, Кассини получил существенные ускорения в результате этих пролетов, достаточные, чтобы возместить нехватку топлива. Во время каждого пролета (кроме Ио) Кассини проходил за преломлящей планетой под некоторым углом, так что гравитация планеты наилучшим образом выталкивала Кассини вперед, ускоряя его. В Интерстелларе Эндуранс совершает похожую пращу вокруг Марса.

Кассини исследовал Сатурн и его спутники в течение последнего десятилетия, присылая удивительные изображения и информацию - кладезь красоты и науки. Взглянуть можно здесь: http://www.nasa.gov/mission_pages/cassini/main/.

В противоположность слабым пращам в Солнечной системе, мощная гравитащия Гаргантюа может захватить даже то, что движется со сверхвысокой скоростью, и швырнуть его по сильно изогнутой праще. Даже луч света. Так появляется гравитационная линза - ключ к тому, как мы видим Гаргантюа.

---

19. Вероятность найти ЧДСМ в нужном месте в нужное время мала, но поскольку это не выходит за ограничения физических законов, мы можем их использовать, в духе научной фантастики.

- Предыдущая Глава - Содержание - Следующая Глава -