Kakav je osjećaj pasti u okretnu crnu rupu? Nemoguće je to promatrati, ali možete izračunati … Pitanje je izuzetno zanimljivo, a znanost je u stanju odgovoriti na njega, jer su poznata svojstva crnih rupa, piše Forbes. Doktor astrofizike razgovarao je s mnogim ljudima koji su izrađivali takve proračune i žurio je s iznimno zanimljivim nalazima, potkrijepljen nizom vizualizacija.
Postoji mnogo groznih načina na koje svemir može nešto uništiti. U prostoru, ako pokušate zadržati dah, pluća će vam eksplodirati. A ako izdahnete sav zrak do posljednje molekule, tada se nakon par sekundi isključite. Na nekim mjestima u svemiru pretvorit ćete se u led kada toplina napusti vaše tijelo; na drugim mjestima je toliko vruće da će se vaši atomi pretvoriti u plazmu. Ali kad razmislim kako se svemir može riješiti mene (ili tebe), ne mogu zamisliti više očaravajuće prizor od ulaska u crnu rupu. Istog je mišljenja i znanstvenik Heino Falcke, koji radi na projektu Event Horizon Telescope. Pita:
Kakav je osjećaj pasti u okretnu crnu rupu? Nemoguće je to promatrati, ali moguće je izračunati … Razgovarao sam s mnogim ljudima koji su napravili takve proračune, ali ostarim i počinjem puno zaboraviti.
Ovo je pitanje izuzetno zanimljivo i znanost je u stanju odgovoriti na njega. Pitajmo je.
Prema našoj teoriji gravitacije, Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti, postoje samo tri karakteristike koje određuju svojstva crne rupe. Evo ih:
1. Masa, odnosno ukupna količina materije i odgovarajuća količina energije (izračunata formulom E = mc2) koja je utrošena na stvaranje i rast crne rupe u njenom trenutnom stanju.
2. Naboj, odnosno ukupni električni naboj koji nastaje u crnoj rupi svih pozitivno i negativno nabijenih objekata koji tamo padnu tijekom svog postojanja.
3. Kutni moment, odnosno rotacijski moment, koji mjeri ukupnu količinu rotacijske crne rupe.
Promotivni video:
Realno, sve crne rupe u Svemiru moraju imati veliku masu, značajan zakretni moment i zanemariv naboj. To jako komplicira stvari.
Razmišljajući o crnoj rupi, predstavljamo je u pojednostavljenom obliku, karakterizirajući samo masom. Ima horizont događaja oko jedne točke (singularnosti), kao i područje koje okružuje ovu točku, iz koje svjetlost ne može pobjeći. To područje ima oblik savršene sfere i granice koja razdvaja područja koja mogu emitirati svjetlost i ona koja to ne čine. Ova granica je horizont događaja. Horizont događaja nalazi se na vrlo specifičnoj i jednakoj udaljenosti (radijus Schwarzschilda) od singularnosti u svim smjerovima.
Ovo je pojednostavljeni opis prave crne rupe. Ali bolje je započeti s fizičkim pojavama koje se događaju na dva određena mjesta: izvan horizonta događaja i unutar horizonta događaja.
Iza horizonta događaja gravitacija se ponaša kao i obično. Prostor je zakrivljen prisutnošću ove mase, dajući svim objektima u svemiru ubrzanje u smjeru središnje singularnosti. Ako krenemo na velikoj udaljenosti od odmorne crne rupe i pustimo da objekt padne u njega, što vidimo?
Pretpostavimo da smo u stanju ostati mirni. U ovom ćemo slučaju vidjeti kako se objekt polako, ali s ubrzanjem odmiče od nas, kreće prema ovoj crnoj rupi. Ubrzava se prema horizontu događaja zadržavajući svoju boju. Ali tada se dogodi nešto čudno. Čini se da objekt usporava, bledi i zamućuje, a zatim postaje sve crveniji. Ali to potpuno ne nestaje. Umjesto toga, čini se da se približava tom stanju nestanka: postaje manje izrazit, crveniji i sve ga je teže otkriti. Horizont događaja nalik je asimptoti svjetla objekta: uvijek ga možemo vidjeti ako budno pogledamo.
Zamislite sada isti scenarij, ali ovaj put nećemo promatrati iz daleka objekt koji pada u crnu rupu. Zamislit ćemo se na mjestu padajućeg predmeta. I u ovom će slučaju naša senzacija biti potpuno drugačija.
Horizont događaja raste mnogo brže kako se svemirski podivlja nego što smo očekivali. Prostor je toliko zakrivljen oko horizonta događaja da počinjemo vidjeti brojne slike vanjskog svemira, kao da se odražava i okreće iznutra.
I kad pređemo horizont događaja i uđemo unutra, ne vidimo samo vanjski svemir, već i njegov dio unutar horizonta događaja. Svjetlost koju primamo premješta se u ljubičasti dio spektra, zatim natrag u crveno, i neminovno padamo u singularnost. U posljednjim trenucima, svemir se čini neobično ravnim.
Fizička slika ovog fenomena je složena, ali proračuni su prilično jednostavni i jednostavni, a sjajno su izvedeni u nizu znanstvenih radova koje je u 2000-2010. Napisao Andrew Hamilton sa Sveučilišta u Koloradu. Hamilton je stvorio i niz živopisnih vizualizacija onoga što vidimo kada padamo u crnu rupu na temelju njegovih izračuna.
Iz ovih se rezultata može naučiti mnogo lekcija, a mnoge od njih su kontrainutitivne. Pokušaj da ih shvatimo pomoći će nam da promijenimo svoju vizualnu percepciju prostora. Obično zamišljamo prostor kao neku vrstu nepomične strukture i mislimo da je promatrač pao negdje u njemu. Međutim, u okviru horizonta događaja stalno smo u pokretu. Sav je prostor u osnovi u pokretu poput transportne trake. Kreće se neprestano, pomičući sve unutar sebe u smjeru singularnosti.
Sve se kreće tako brzo da čak i ako počnemo ubrzavati dalje od singularnosti, imajući beskonačnu količinu sile, ipak ćemo pasti prema središtu. Svjetlost iz objekata izvan horizonta događaja i dalje će nam dolaziti iz svih smjerova, ali mi, koji se nalazimo unutar horizonta događaja, moći ćemo vidjeti samo dio tih objekata.
Linija koja definira granicu između onoga što promatrač u matematici naziva se kardiodidom. Komponenta najvećeg polumjera kardioida dodiruje horizont događaja, a komponenta najmanjeg polumjera završava u singularnosti. To znači da iako je singularnost točka, ona ne mora neizbježno povezivati ono što ulazi sa svime ostalim. Ako ti i ja idemo istovremeno na suprotne strane horizonta događaja, nakon što je pređemo, više se nećemo moći vidjeti.
Razlog za to je u strukturi samog Svemira, koja je neprestano u pokretu. Unutar horizonta događaja prostor putuje brže od svjetlosti i stoga ništa ne može prijeći crnu rupu. Iz istog razloga, dok se nalazimo u crnoj rupi, počinjemo vidjeti neobične stvari, na primjer, mnoge slike istog predmeta.
To možete shvatiti postavljanjem sljedećeg pitanja: "Gdje je singularnost?"
Budući da se nalazimo u horizontu crne rupe događaja, mi ćemo se, krećući se u bilo kojem smjeru, na kraju zakopati u posebnost. Nevjerojatno je, ali jedinstvenost se pojavljuje u svim smjerovima! Ako pomičete noge naprijed i ubrzavate, istovremeno ćete vidjeti noge ispod vas i iznad vas. Sve je to vrlo lako izračunati, iako takva slika izgleda upečatljiv paradoks. U međuvremenu, razmatramo samo pojednostavljeni slučaj: crnu rupu koja se ne rotira.
Prva fotografija crne rupe i njenog vatrenog haloa.
A sad se spustimo na ono najsmješnije u smislu fizike i pogledajmo crnu rupu koja se vrti. Crne rupe duguju svoje podrijetlo sustavima materije, poput zvijezda, koje se stalno okreću jednom ili drugom brzinom. U našem Svemiru (i općenito relativnosti), okretni moment je sačuvano svojstvo bilo kojeg zatvorenog sustava i nema načina da se ga se riješimo. Kad se agregat tvari smanji na radijus koji je manji od polumjera horizonta događaja, rotacijski se moment, poput mase, zarobljava i zadržava u sebi.
Rješenje je ovdje mnogo složenije. Einstein je svoju teoriju relativnosti predstavio 1915. godine, a Karl Schwarzschild je rješenje za ne rotacijsku crnu rupu dobio početkom 1916., tj. Par mjeseci kasnije. Ali sljedeći korak u realnom modeliranju ovog problema - s obzirom na to da crna rupa ima ne samo masu, već i obrtni moment - poduzeo je tek 1963. Roy Kerr, koji je pronašao rješenje.
Postoje neke temeljne i važne razlike između pomalo naivnog i jednostavnog rješenja Schwarzschilda i Kerrovog realističnijeg i složenijeg rješenja. Evo nekoliko iznenađujućih razlika:
1. Umjesto pojedinačnog rješenja pitanja gdje je horizont događaja, rotirajuća crna rupa ima dva matematička rješenja: unutarnji i vanjski horizont događaja.
2. Iza horizonta vanjskog događaja postoji mjesto poznato pod nazivom ergosfera, gdje se sam prostor kreće kutnom brzinom jednakom brzini svjetlosti, a čestice koje uđu u njega dobivaju kolosalno ubrzanje.
3. Postoji najveći dopušteni omjer zakretnog momenta / mase. Ako je vrijednost momenta prevelika, crna rupa emitira tu energiju (putem gravitacijskog zračenja) dok se omjer ne vrati u normalu.
4. I što je najupečatljivije to što singularnost u središtu crne rupe više nije točka, već jednodimenzionalni prsten, gdje je polumjer prstena određen masom i momentom rotacije crne rupe.
Znajući sve to, možemo li shvatiti što se događa kad uđemo u rotirajuću crnu rupu? Da, isto je kao ući u crnu rupu koja se ne rotira, osim što se prostor ne ponaša kao da pada u središnju singularnost. Prostor se ponaša kao da se povlači po obodu u smjeru vrtnje. Izgleda poput vrtloga. Što je veći omjer rotacijskog gibanja i mase, brže se događa rotacija.
To znači da ako vidimo da nešto pada prema unutra, primijetit ćemo kako se to nešto crveni i postupno nestaje, ali ne samo to. Stisnut je i pretvara se u prsten ili disk u smjeru vrtnje. Ako uđemo unutra, zaokružit ćemo se poput lude vrtiće usisane u središte. A kad postignemo singularnost, bit će u obliku prstena. Različiti dijelovi našeg tijela će pasti u jedinstvenu unutrašnju ergos površinu Kerrove crne rupe u različitim prostornim koordinatama. Kako se približavamo singularnosti iz obzora događaja, postepeno ćemo izgubiti sposobnost gledanja drugih dijelova svog tijela.
Najvažnija informacija iz svega ovoga je da je i sama struktura prostora u pokretu; a horizont događaja definiran je kao mjesto na kojem ćete se, čak i sa sposobnošću da putujete ograničenjem najveće kozmičke brzine, koja je brzina svjetlosti, i u bilo kojem smjeru, uvijek naići na jedinstvenost.
Iskaza Andrewa Hamiltona najbolje su i znanstveno najtačnije simulacije onoga što se dogodi kad udarite u crnu rupu. Toliko su kontratuktivni i toliko paradoksalni da vam mogu preporučiti samo jedno: pazite ih iznova i iznova dok se ne zavarate u misli da ih razumijete. Ovo je prekrasan i fantastičan prizor. A ako je duh avanturizma u vama toliko jak da odlučite ući u crnu rupu i ući u horizont događaja, to će biti posljednje što vidite!
Ethan Siegel