Jakie to uczucie wpaść do wirującej czarnej dziury? Nie da się tego zaobserwować, ale można obliczyć … Pytanie jest niezwykle interesujące, a nauka jest w stanie na nie odpowiedzieć, ponieważ właściwości czarnych dziur są znane, pisze Forbes. Lekarz astrofizyki rozmawiał z wieloma osobami, które dokonały takich obliczeń i spieszy się, aby porozmawiać o niezwykle ciekawych odkryciach, popartych szeregiem wizualizacji.
Istnieje wiele strasznych sposobów, w jakie wszechświat może coś zniszczyć. W kosmosie, jeśli spróbujesz wstrzymać oddech, twoje płuca eksplodują. A jeśli wydychasz całe powietrze do ostatniej cząsteczki, to po kilku sekundach wyłącz się. W niektórych miejscach we wszechświecie zamienisz się w lód, gdy ciepło opuści twoje ciało; w innych miejscach jest tak gorąco, że atomy zamieniają się w plazmę. Ale kiedy zastanawiam się, jak wszechświat może się mnie (lub ciebie) pozbyć, nie mogę sobie wyobrazić bardziej fascynującego widoku niż wejście do czarnej dziury. Tego samego zdania jest naukowiec Heino Falcke, który pracuje nad projektem Event Horizon Telescope. On pyta:
Jakie to uczucie wpaść do wirującej czarnej dziury? Nie da się tego zaobserwować, ale da się policzyć … Rozmawiałem z wieloma osobami, które dokonały takich obliczeń, ale starzeję się i zaczynam dużo zapominać.
To pytanie jest niezwykle interesujące i nauka jest w stanie na nie odpowiedzieć. Zapytajmy ją.
Zgodnie z naszą teorią grawitacji, ogólną teorią względności Einsteina, istnieją tylko trzy cechy, które określają właściwości czarnej dziury. Tutaj są:
1. Masa, czyli całkowita ilość materii i odpowiadająca jej ilość energii (obliczona według wzoru E = mc2), która została wydana na powstanie i wzrost czarnej dziury w jej obecnym stanie.
2. Ładunek, czyli całkowity ładunek elektryczny powstający w czarnej dziurze ze wszystkich dodatnio i ujemnie naładowanych obiektów, które spadają tam podczas jej istnienia.
3. Moment pędu, czyli moment obrotowy, który mierzy całkowitą wielkość ruchu obrotowego czarnej dziury.
Film promocyjny:
Realistycznie, wszystkie czarne dziury we Wszechświecie muszą mieć dużą masę, znaczny moment obrotowy i znikomy ładunek. To bardzo komplikuje sprawę.
Myśląc o czarnej dziurze, przedstawiamy ją w uproszczonej formie, charakteryzującej się jedynie masą. Ma horyzont zdarzeń wokół pojedynczego punktu (osobliwość), a także obszar otaczający ten punkt, z którego światło nie może uciec. Obszar ten ma kształt idealnej kuli i granicę oddzielającą obszary, które mogą emitować światło, od tych, które go nie emitują. Ta granica jest horyzontem zdarzeń. Horyzont zdarzeń znajduje się w bardzo określonej i równej odległości (promień Schwarzschilda) od osobliwości we wszystkich kierunkach.
To jest uproszczony opis prawdziwej czarnej dziury. Lepiej jednak zacząć od zjawisk fizycznych zachodzących w dwóch konkretnych miejscach: poza horyzontem zdarzeń i wewnątrz horyzontu zdarzeń.
Poza horyzontem zdarzeń grawitacja zachowuje się normalnie. Przestrzeń jest zakrzywiona przez obecność tej masy, nadając wszystkim obiektom we wszechświecie przyspieszenie w kierunku centralnej osobliwości. Jeśli zaczniemy w dużej odległości od spoczywającej czarnej dziury i pozwolimy obiektowi wpaść w nią, co zobaczymy?
Załóżmy, że jesteśmy w stanie pozostać nieruchomo. W tym przypadku zobaczymy, jak obiekt powoli, ale z przyspieszeniem, oddala się od nas, zbliżając się do tej czarnej dziury. Przyspiesza w kierunku horyzontu zdarzeń, zachowując swój kolor. Ale wtedy dzieje się coś dziwnego. Obiekt wydaje się zwalniać, zanikać i rozmywać, a następnie staje się coraz bardziej czerwony. Ale nie znika całkowicie. Zamiast tego wydaje się zbliżać do tego stanu zaniku: staje się mniej wyraźny, bardziej czerwony i coraz trudniej jest go wykryć. Horyzont zdarzeń jest jak asymptota światła obiektu: zawsze możemy go zobaczyć, jeśli przyjrzymy się uważnie.
Teraz wyobraź sobie ten sam scenariusz, ale tym razem nie będziemy obserwować obiektu wpadającego do czarnej dziury z daleka. Wyobraźmy sobie siebie w miejscu spadającego przedmiotu. I w tym przypadku nasze wrażenia będą zupełnie inne.
Horyzont zdarzeń rośnie znacznie szybciej wraz z zakrzywieniem przestrzeni, niż się spodziewaliśmy. Przestrzeń jest tak zakrzywiona wokół horyzontu zdarzeń, że zaczynamy widzieć liczne obrazy zewnętrznego wszechświata, jakby był odbijany i wywracany na lewą stronę.
Kiedy przekraczamy horyzont zdarzeń i wchodzimy do środka, widzimy nie tylko zewnętrzny wszechświat, ale także jego część wewnątrz horyzontu zdarzeń. Światło, które otrzymujemy, przesuwa się do fioletowej części widma, a następnie z powrotem do czerwieni i nieuchronnie wpadamy w osobliwość. W ostatnich chwilach kosmos wydaje się dziwnie płaski.
Fizyczny obraz tego zjawiska jest złożony, ale obliczenia są dość proste i proste, a zostały znakomicie wykonane w serii artykułów naukowych napisanych w latach 2000-2010 przez Andrew Hamiltona z University of Colorado. Hamilton stworzył również serię żywych wizualizacji tego, co widzimy, gdy wpadamy w czarną dziurę, na podstawie swoich obliczeń.
Z wyników tych można wyciągnąć wiele lekcji, a wiele z nich jest sprzecznych z intuicją. Próba ich rozgryzienia pomoże nam zmienić nasze wizualne postrzeganie przestrzeni. Zwykle wyobrażamy sobie przestrzeń jako jakąś nieruchomą strukturę i myślimy, że obserwator gdzieś w niej spadł. Jednak w horyzoncie zdarzeń jesteśmy w ciągłym ruchu. Cała przestrzeń jest w zasadzie w ruchu jak przenośnik taśmowy. Porusza się nieustannie, przesuwając wszystko w sobie w kierunku osobliwości.
Porusza wszystko tak szybko, że nawet jeśli zaczniemy przyspieszać od osobliwości, mając nieskończoną ilość siły, nadal spadniemy w kierunku centrum. Światło z obiektów poza horyzontem zdarzeń nadal będzie docierało do nas ze wszystkich kierunków, ale my, będąc w horyzoncie zdarzeń, będziemy mogli zobaczyć tylko część tych obiektów.
Linia, która definiuje granicę między tym, co widzi obserwator, nazywa się w matematyce kardiodide. Składnik największego promienia kardioidy dotyka horyzontu zdarzeń, a składnik najmniejszego promienia kończy się na osobliwości. Oznacza to, że chociaż osobliwość jest punktem, nie łączy ona nieuchronnie tego, co się dzieje ze wszystkim innym. Jeśli ty i ja przejdziemy jednocześnie na przeciwne strony horyzontu zdarzeń, to po jego przekroczeniu nie będziemy już mogli się widzieć.
Przyczyna tego tkwi w strukturze samego Wszechświata, który jest w ciągłym ruchu. Wewnątrz horyzontu zdarzeń kosmos porusza się szybciej niż światło, dlatego nic nie może wyjść poza czarną dziurę. Z tego samego powodu, będąc wewnątrz czarnej dziury, zaczynamy widzieć dziwne rzeczy, na przykład wiele obrazów tego samego obiektu.
Możesz to zrozumieć, zadając następujące pytanie: „Gdzie jest osobliwość?”
Będąc w horyzoncie zdarzeń czarnej dziury, zaczynając poruszać się w dowolnym kierunku, w końcu pogrzebimy się w osobliwości. To niesamowite, ale osobliwość pojawia się we wszystkich kierunkach! Jeśli przesuniesz stopy do przodu i przyspieszysz, zobaczysz swoje stopy pod sobą i nad sobą w tym samym czasie. Wszystko to jest dość łatwe do obliczenia, chociaż taki obraz wydaje się uderzającym paradoksem. Tymczasem rozważamy tylko uproszczony przypadek: czarną dziurę, która się nie obraca.
Pierwsze zdjęcie czarnej dziury i jej ognistej aureoli.
A teraz przejdźmy do najzabawniejszej rzeczy z punktu widzenia fizyki i spójrzmy na wirującą czarną dziurę. Czarne dziury zawdzięczają swoje pochodzenie układom materii, takim jak gwiazdy, które nieustannie obracają się z taką czy inną prędkością. W naszym Wszechświecie (i ogólnie w teorii względności) moment obrotowy jest zachowaną właściwością każdego zamkniętego systemu i nie ma sposobu, aby się go pozbyć. Kiedy skupisko materii kurczy się do promienia mniejszego niż promień horyzontu zdarzeń, moment obrotowy, podobnie jak masa, zostaje uwięziony i uwięziony w środku.
Tutaj rozwiązanie jest znacznie bardziej skomplikowane. Einstein przedstawił swoją teorię względności w 1915 roku, a Karl Schwarzschild znalazł rozwiązanie dla nierotującej czarnej dziury na początku 1916 roku, czyli kilka miesięcy później. Ale następny krok w realistycznym modelowaniu tego problemu - biorąc pod uwagę, że czarna dziura ma nie tylko masę, ale także moment obrotowy - wykonał dopiero w 1963 roku Roy Kerr, który znalazł rozwiązanie.
Istnieją pewne fundamentalne i ważne różnice między nieco naiwnym i prostym rozwiązaniem Schwarzschilda a bardziej realistycznym i złożonym rozwiązaniem Kerra. Oto kilka zaskakujących różnic:
1. Zamiast jednego rozwiązania pytania, gdzie jest horyzont zdarzeń, obracająca się czarna dziura ma dwa rozwiązania matematyczne: wewnętrzny i zewnętrzny horyzont zdarzeń.
2. Poza zewnętrznym horyzontem zdarzeń znajduje się miejsce znane jako ergosfera, w którym sama przestrzeń porusza się z prędkością kątową równą prędkości światła, a cząstki, które do niej wchodzą, otrzymują kolosalne przyspieszenie.
3. Istnieje maksymalny dopuszczalny stosunek momentu obrotowego do masy. Jeśli wartość momentu obrotowego jest zbyt duża, czarna dziura emituje tę energię (poprzez promieniowanie grawitacyjne), aż stosunek powróci do normy.
4. A najbardziej uderzające jest to, że osobliwość w środku czarnej dziury nie jest już punktem, ale raczej jednowymiarowym pierścieniem, w którym promień pierścienia jest określony przez masę i moment obrotowy czarnej dziury.
Wiedząc to wszystko, czy możemy zrozumieć, co się dzieje, gdy wchodzimy do obracającej się czarnej dziury? Tak, to samo, co wejście do nieobrotowej czarnej dziury, z tą różnicą, że przestrzeń nie zachowuje się tak, jakby wpadała w centralną osobliwość. Przestrzeń zachowuje się tak, jakby była ciągnięta po obwodzie w kierunku obrotu. Wygląda jak jacuzzi. Im większy stosunek ruchu obrotowego do masy, tym szybszy jest obrót.
Oznacza to, że jeśli zobaczymy, jak coś spada do wewnątrz, zauważymy, jak to coś zmienia kolor na czerwony i stopniowo znika, ale nie tylko. Jest ściskany i zamienia się w pierścień lub dysk w kierunku obrotu. Jeśli wejdziemy do środka, zostaniemy okrążeni jak na szalonej karuzeli, wessani do środka. A kiedy dojdziemy do osobliwości, będzie ona miała formę pierścienia. Różne części naszego ciała wpadną w osobliwości na wewnętrznej powierzchni ergopowierzchni czarnej dziury Kerra w różnych współrzędnych przestrzennych. Zbliżając się do osobliwości z poziomu horyzontu zdarzeń, stopniowo tracimy zdolność widzenia innych części naszego ciała.
Najważniejszą informacją, jaką należy wyciągnąć z tego wszystkiego, jest to, że sama struktura przestrzeni jest w ruchu; a horyzont zdarzeń definiuje się jako miejsce, w którym, nawet mając zdolność podróżowania na granicy największej prędkości kosmicznej, czyli prędkości światła, zawsze natkniesz się na osobliwość.
Renderingi Andrew Hamiltona to najlepsze i najbardziej dokładne z naukowego punktu widzenia symulacje tego, co dzieje się, gdy trafisz w czarną dziurę. Są tak sprzeczne z intuicją i tak paradoksalne, że mogę ci tylko polecić jedną rzecz: obserwuj je w kółko, dopóki nie oszukasz siebie, myśląc, że je rozumiesz. To wspaniały i fantastyczny widok. A jeśli duch awanturnictwa w tobie jest tak silny, że zdecydujesz się wejść do czarnej dziury i dostać się do horyzontu zdarzeń, to będzie ostatnia rzecz, jaką zobaczysz!
Ethan Siegel