Загадки гравитации, или как космические корабли преодолевают огромные расстояния во Вселенной

Оказывается, люди уже научились совершать межзвездные перелеты на гигантские расстояния. Раньше считалось, что использовать гравитацию для скачков в пространстве могут только сверхразвитие цивилизации, ведь топливо всегда ограничено — невозможно взять с собой столько, сколько захочется. Однако наука шагнула далеко вперед. Не все знают о том, что свершилась настоящая космическая революция.

Этот принцип, перелеты при помощи гравитации, продемонстрирован в нашумевшем фильме «Интерстеллар». Подробнее об этом удивительном явлении рассказывает Кип Торн, физик-теоретик, консультант фильма (именно он придумывал все, что имеет отношение к науке) и автор книги«Интерстеллар. Наука за кадром».

Вид с корабля, совершающего гравитационную пращу

Хоть режиссер Кристофер Нолан и решил не показывать гравитационные пращи (маневры, о которых мы расскажем ниже) в «Интерстеллар», Кипу Торну было интересно, как бы их увидел Купер, главный герой, пилотируя «Рейнджер» к планете Миллер. Поэтому он, используя свои уравнения, смоделировал изображения для камеры, которая вела бы запись с «Рейнджера», совершающего маневр вокруг черной дыры перед посадкой на планету Миллер.

Гравитационная праща вокруг дыры средней массы. Модель Кипа Торна, — иллюстрация из книги.

Средняя черная дыра захватывает лучи света, идущие от далеких звезд в направлении Гаргантюа, разворачивает их вокруг себя и выбрасывает в сторону камеры. Отсюда кольцо звездного света, которое окружает тень дыры средней массы. Хоть эта дыра и в тысячу раз меньше Гаргантюа, она находится гораздо ближе к «Рейнджеру» и потому не выглядит маленькой.

Жаль, но увидеть такое можно, лишь находясь поблизости от обеих черных дыр, а не с огромного удаления, на котором находится Земля.

Гравитационные пращи

Те, кто смотрел фильм «Интерстеллар», знают: космолет «Эндюранс» ожидал возвращения экипажа с планеты Миллер — той, где один час равен 7 земным годам. Чтобы космолет не затянуло в черную дыру Гаргантюа, он должен вращаться на ее орбите с огромной скоростью. Экипаж, отправляюсь с «Эндюранс» на модуле «Рейнджер», должен был сильно снизить скорость на 100 000 км/сек, чтобы гравитацией его потянуло к дыре — и планете Миллер. И чтобы он мог сблизиться с планетой, их скорости должны сравняться. Но как можно добиться таких резких изменений скорости?

Полет «Рейнджера» к планете Миллер, — иллюстрация из книги.

Самые мощные из ракет, созданных на сегодняшний день людьми, способны развить скорость лишь до 15 километров в секунду, то есть в семь тысяч раз меньше, чем нужно. Возможно, самый быстрый космический корабль, который люди смогут построить в XXI веке, будет развивать скорость до 300 километров в секунду. Но этого все равно мало.

К счастью, природа все же дарит нам возможность совершать огромные скачки скоростей: гравитационные пращи вблизи черных дыр гораздо меньших размеров, чем Гаргантюа.

Полет через гравитационную пращу

Звезды и небольшие черные дыры собираются вокруг гигантских черных дыр вроде Гаргантюа. Купер и его команда разузнали обо всех небольших черных дырах, вращающихся вокруг Гаргантюа. Они нашли среди них дыру, положение которой подходит, чтобы ее гравитация отклонила «Рейнджер» от его почти круговой орбиты и направила его к планете Миллер. Такой маневр называется «гравитационной пращой», и NASA успела не раз применить его в Солнечной системе; правда, использовалась не черная дыра, а планетарная гравитация.

Слева: галактика Андромеды, в ядре которой скрывается черная дыра размером с Гаргантюа. Справа: динамическое трение, благодаря которому дыра средней массы замедляется и притягивается к гигантской черной дыре, — иллюстрация из книги.

Считается, что порой дыры средней массы возникают в центре плотных скоплений звезд. Возьмем для примера галактику Андромеды, ближайшую к нашей крупную галактику, в ядре которой скрывается черная дыра размером с Гаргантюа, массой в 100 миллионов Солнц. К таким гигантским черным дырам стягивается огромное количество звезд. Когда дыра средней массы проходит через столь насыщенную область, она силой своей гравитации смещает звезды, оставляя за собой след повышенной звездной плотности. А след, в свою очередь, притягивает дыру средней массы, замедляя ее движение, — и ее затягивает ближе к гигантской черной дыре.

Этот маневр, гравитационная праща, не показан и не обсуждается в «Интерстеллар», но позже Купер говорит: «Смотри, я могу обогнуть эту нейтронную звезду, чтобы притормозить».

Гравитационные маневры NASA в Солнечной системе

Вернемся из мира вероятностей (то есть всего, что допускают законы физики) к реальным, без изысков, гравитационным пращам в уютных пределах нашей Солнечной системы (по состоянию на 2014 год). Возможно, вы слышали о космолете NASA «Кассини». Он был запущен с Земли 15 октября 1997 года и мог взять на борт слишком мало топлива, чтобы достичь своей цели — планеты Сатурн. С проблемой нехватки горючего удалось справиться за счет гравитационных пращей: праща вокруг Венеры, вокруг Земли и вокруг Юпитера.

Траектория полета «Кассини» от Земли до Сатурна, — иллюстрация из книги

Эти планеты не отклоняли траекторию космолета резко — у них слишком маленькая гравитация, а помогали ему скомпенсировать недостаток топлива. В каждом из случаев «Кассини» огибал отклоняющие его планеты под таким углом, чтобы планетарная гравитация оптимальным образом толкала «Кассини» вперед, увеличивая его скорость.

«Кассини» исследовал Сатурн и его спутники в течение последних 10 лет, отправляя на Землю потрясающие фотографии и данные — сущий клад для ученых.

Если вам интересно, как наука и фильм невероятным образом сплелись в одно целое, смело беритесь за «Интерстеллар. Наука за кадром». Это непередаваемое интеллектуальное удовольствие!