Hvordan føles det å falle ned i et snurrende svart hull? Det er umulig å observere dette, men du kan beregne … Spørsmålet er ekstremt interessant, og vitenskapen er i stand til å svare på det, fordi egenskapene til sorte hull er kjent, skriver Forbes. Legen for astrofysikk snakket med mange mennesker som foretok slike beregninger, og har det travelt med å snakke om de ekstremt interessante funnene, støttet av en rekke visualiseringer.
Det er mange forferdelige måter universet kan ødelegge noe for. Hvis du prøver å holde pusten i rommet, vil lungene eksplodere. Og hvis du puster ut all luft ned til det siste molekylet, må du slå av etter et par sekunder. Noen steder i universet vil du bli til is når varmen forlater kroppen din; andre steder er det så varmt at atomene dine blir til plasma. Men når jeg vurderer hvordan universet kan bli kvitt meg (eller deg), kan jeg ikke forestille meg et mer betagende syn enn å gå inn i et svart hull. Forskeren Heino Falcke, som jobber med prosjektet Event Horizon Telescope, er av samme mening. Han spør:
Hvordan føles det å falle ned i et snurrende svart hull? Det er umulig å observere dette, men det er mulig å beregne … Jeg har snakket med mange mennesker som har gjort slike beregninger, men jeg blir gammel og begynner å glemme mye.
Dette spørsmålet er ekstremt interessant, og vitenskapen kan svare på det. La oss spørre henne.
I henhold til vår teori om gravitasjon, Einsteins generelle relativitetsteori, er det bare tre egenskaper som bestemmer egenskapene til et svart hull. Her er de:
1. Masse, eller den totale mengden materie og den tilsvarende mengden energi (beregnet med formelen E = mc2), som ble brukt på dannelsen og veksten av det sorte hullet i sin nåværende tilstand.
2. Ladningen, eller den totale elektriske ladningen som oppstår i et svart hull fra alle positivt og negativt ladede gjenstander som faller der under dens eksistens.
3. Vinkelmomentet, eller rotasjonsmomentet, som måler den totale mengden rotasjonsbevegelse for et svart hull.
Salgsfremmende video:
Realistisk sett må alle sorte hull i universet ha en stor masse, betydelig dreiemoment og ubetydelig ladning. Dette kompliserer ting veldig.
Når vi tenker på et svart hull, representerer vi det i en forenklet form, karakteriserer bare etter masse. Den har en hendelseshorisont rundt et enkelt punkt (singularitet), så vel som et område som omgir dette punktet, hvorfra lys ikke kan unnslippe. Dette området har form som en perfekt sfære og en grense som skiller områder som kan avgi lys og de som ikke gjør det. Denne grensen er hendelseshorisonten. Arrangementshorisonten er lokalisert i en veldig spesifikk og lik avstand (Schwarzschild radius) fra singulariteten i alle retninger.
Dette er en forenklet beskrivelse av et ekte svart hull. Men det er bedre å starte med fysiske fenomener som oppstår på to spesifikke steder: utenfor hendelseshorisonten og inne i hendelseshorisonten.
Utover hendelseshorisonten oppfører tyngdekraften seg som vanlig. Plassen er buet av tilstedeværelsen av denne massen, noe som gir alle objekter i universet en akselerasjon i retning av den sentrale singulariteten. Hvis vi starter i stor avstand fra det hvile sorte hullet og lar gjenstanden falle i det, hva ser vi da?
Anta at vi er i stand til å være stille. I dette tilfellet vil vi se hvordan objektet sakte går, men med akselerasjon som beveger seg bort fra oss, og beveger oss mot dette sorte hullet. Den akselererer mot hendelseshorisonten, samtidig som den beholder fargen. Men så skjer det noe rart. Objektet ser ut til å bremse, fade ut og uskarpe, og blir deretter mer og mer rødt. Men den forsvinner ikke helt. I stedet ser det ut til å nærme seg denne forsvinningstilstanden: den blir mindre distinkt, mer rød, og det er mer og vanskeligere å oppdage den. Hendelseshorisonten er som asymptoten til lyset til et objekt: vi kan alltid se det hvis vi ser nøye på.
Tenk deg det samme scenariet, men denne gangen vil vi ikke observere en gjenstand som faller i et svart hull langveisfra. Vi vil forestille oss oss i stedet for et fallende objekt. Og i dette tilfellet vil våre sensasjoner være helt forskjellige.
Arrangementshorisonten vokser mye raskere etter hvert som romvett enn vi forventet. Plassen er så krummet rundt hendelseshorisonten at vi begynner å se mange bilder av det ytre universet, som om det ble reflektert og snudd på innsiden og ut.
Og når vi krysser hendelseshorisonten og kommer inn, ser vi ikke bare det ytre universet, men en del av det inne i hendelseshorisonten. Lyset vi mottar skifter til den fiolette delen av spekteret, deretter tilbake til det røde, og vi faller uunngåelig inn i singulariteten. I de siste øyeblikkene virker det ytre rom merkelig flatt.
Det fysiske bildet av dette fenomenet er sammensatt, men beregningene er ganske enkle og greie, og de ble strålende utført i en serie vitenskapelige artikler skrevet i 2000-2010 av Andrew Hamilton ved University of Colorado. Hamilton skapte også en serie livlige visualiseringer av det vi ser når vi faller i et svart hull basert på beregningene hans.
Det er mange lærdommer å lære av disse resultatene, og mange av dem er motintuitive. Å prøve å finne ut av dem vil hjelpe oss å endre vår visuelle oppfatning av rommet. Vanligvis forestiller vi oss rom som en slags bevegelsesfri struktur og tenker at observatøren har falt et sted inne i den. Innenfor hendelseshorisonten er vi imidlertid stadig på farten. All plass er i bevegelse som et transportbånd. Den beveger seg hele tiden, og beveger alt i seg selv i retning av singulariteten.
Det beveger seg alt så raskt at selv om vi begynner å akselerere bort fra singulariteten og ha en uendelig mengde kraft, vil vi fortsatt falle mot sentrum. Lys fra objekter utenfor hendelseshorisonten vil fremdeles nå oss fra alle retninger, men når vi er inne i hendelseshorisonten, vil vi bare kunne se en del av disse objektene.
Linjen som definerer grensen mellom det observatøren ser kalles kardiodid i matematikk. Komponenten i den største radien til kardioiden berører hendelseshorisonten, og komponenten i den minste radius ender ved singulariteten. Dette betyr at selv om singulariteten er et poeng, kobler den ikke uunngåelig det som følger med alt annet. Hvis du og jeg går samtidig til motsatte sider av hendelseshorisonten, vil vi ikke lenger kunne se hverandre etter å ha krysset den.
Årsaken til dette ligger i strukturen til selve universet, som hele tiden er i bevegelse. Inne i begivenhetshorisonten reiser rommet raskere enn lys, og derfor kan ingenting gå utover det sorte hullet. Av samme grunn, mens vi er inne i et svart hull, begynner vi å se rare ting, for eksempel mange bilder av den samme gjenstanden.
Du kan forstå dette ved å stille følgende spørsmål: "Hvor er singulariteten?"
Når vi er i begivenhetshorisonten for et svart hull, vil vi etter hvert begynne å bevege oss i alle retninger begrave oss i en singularitet. Det er utrolig, men singulariteten vises i alle retninger! Hvis du beveger bena fremover og akselererer, vil du se beina under deg og over deg samtidig. Alt dette er ganske enkelt å beregne, selv om et slikt bilde ser ut til å være et slående paradoks. I mellomtiden vurderer vi bare en forenklet sak: et svart hull som ikke roterer.
Det første fotografiet av et svart hull og dets brennende glorie.
La oss komme til det morsomste med tanke på fysikk og se på et svart hull som snurrer. Sorte hull skylder sitt opphav til systemer av materie, for eksempel stjerner, som hele tiden roterer med en eller annen hastighet. I vårt univers (og generelt relativitet) er dreiemomentet en bevart egenskap for ethvert lukket system, og det er ingen måte å bli kvitt. Når aggregatet av materie krymper til en radius som er mindre enn radiusen til hendelseshorisonten, blir rotasjonsmomentet, som masse, fanget og fanget inne.
Løsningen er mye mer komplisert her. Einstein la fram sin relativitetsteori i 1915, og Karl Schwarzschild fikk løsningen for et ikke-roterende svart hull i begynnelsen av 1916, det vil si et par måneder senere. Men neste trinn i realistisk modellering av dette problemet - gitt at et svart hull ikke bare har masse, men også dreiemoment - ble først tatt i 1963 av Roy Kerr, som fant en løsning.
Det er noen grunnleggende og viktige forskjeller mellom Schwarzschilds noe naive og enkle løsning, og Kerrs mer realistiske og komplekse løsning. Her er noen overraskende forskjeller:
1. I stedet for en enkelt løsning på spørsmålet om hvor hendelseshorisonten er, har et roterende svart hull to matematiske løsninger: en indre og ytre hendelseshorisont.
2. Utover den ytre hendelseshorisonten, er det et sted kjent som ergosfæren, der selve rommet beveger seg med en vinkelhastighet som er lik lysets hastighet, og partikler som kommer inn i den får kolossal akselerasjon.
3. Det er et maksimalt tillatt dreiemoment / masseforhold. Hvis verdien på dreiemomentet er for stor, avgir det sorte hullet denne energien (gjennom gravitasjonsstråling) til forholdet går tilbake til normalt.
4. Og det mest påfallende er at singulariteten i midten av det sorte hullet ikke lenger er et punkt, men snarere en endimensjonal ring, der ringens radius bestemmes av det sorte hullets masse og rotasjonsmoment.
Når vi vet alt dette, kan vi forstå hva som skjer når vi kommer inn i et roterende svart hull? Ja, det samme som å gå inn i et ikke-roterende svart hull, bortsett fra at rommet ikke oppfører seg som om det faller inn i en sentral singularitet. Plassen oppfører seg som om det blir trukket rundt omkretsen i rotasjonsretningen. Det ser ut som et boblebad. Jo større forholdet mellom rotasjonsbevegelse og masse er, jo raskere skjer rotasjonen.
Dette betyr at hvis vi ser noe falle innover, vil vi legge merke til hvordan dette noe blir rødt og gradvis forsvinner, men ikke bare. Den er komprimert og blir til en ring eller plate i rotasjonsretningen. Hvis vi kommer inn, blir vi sirklet som på en gal karusell, sugd inn i sentrum. Og når vi når singulariteten, vil det være i form av en ring. Ulike deler av kroppen vår vil falle inn i en singularitet på den indre ergosoverflaten til Kerrs svarte hull i forskjellige romlige koordinater. Når vi nærmer oss singulariteten innen hendelseshorisonten, vil vi gradvis miste muligheten til å se andre deler av kroppen vår.
Den viktigste informasjonen som skal trekkes fra alt dette er at strukturen i rommet selv er i bevegelse; og hendelseshorisonten er definert som stedet hvor du, selv med evnen til å reise på grensen for den høyeste kosmiske hastigheten, som er lysets hastighet, og i alle retninger, alltid vil snuble over en singularitet.
Andrew Hamiltons gjengivelser er de beste og mest vitenskapelig nøyaktige simuleringene av hva som skjer når du treffer et svart hull. De er så counterintuitive og så paradoksale at jeg bare kan anbefale deg en ting: se dem om og om igjen til du lurer deg selv til å tro at du forstår dem. Dette er et fantastisk og fantastisk syn. Og hvis du er så sterk at adventurismens ånd er i deg at du bestemmer deg for å gå inn i et svart hull og komme inn i begivenhetshorisonten, vil dette være det siste du ser!
Ethan Siegel
