Aký je to pocit spadnúť do rotujúcej čiernej diery? To nie je možné pozorovať, ale môžete počítať … Otázka je nesmierne zaujímavá a veda je schopná odpovedať na ňu, pretože sú známe vlastnosti čiernych dier, píše Forbes. Lekár astrofyziky hovoril s mnohými ľuďmi, ktorí robili také výpočty, a ponáhľa sa hovoriť o mimoriadne zaujímavých nálezoch podporovaných množstvom vizualizácií.
Existuje mnoho hrozných spôsobov, ako môže vesmír niečo zničiť. Vo vesmíre, ak sa pokúsite zadržať dych, vaše pľúca explodujú. A ak vydýchate všetok vzduch až po poslednú molekulu, vypnite ju po niekoľkých sekundách. Na niektorých miestach vo vesmíre sa premeníte na ľad, keď teplo opúšťa vaše telo; na iných miestach je tak horúce, že sa vaše atómy premenia na plazmu. Ale keď uvažujem o tom, ako sa ma môže vesmír (alebo vás) zbaviť, neviem si predstaviť viac fascinujúci pohľad, ako ísť do čiernej diery. Rovnaký názor má aj vedec Heino Falcke, ktorý pracuje na projekte Telescope Event Horizon. Pýta sa:
Aký je to pocit spadnúť do rotujúcej čiernej diery? To nie je možné pozorovať, ale je možné počítať … Hovoril som s mnohými ľuďmi, ktorí také výpočty urobili, ale starnem a veľa na to zabudnem.
Táto otázka je mimoriadne zaujímavá a veda ju dokáže zodpovedať. Spýtajme sa jej.
Podľa našej teórie gravitácie, Einsteinovej všeobecnej teórie relativity, existujú iba tri charakteristiky, ktoré určujú vlastnosti čiernej diery. Tu sú:
1. Hmotnosť alebo celkové množstvo látky a zodpovedajúce množstvo energie (vypočítané podľa vzorca E = mc2), ktoré bolo vynaložené na tvorbu a rast čiernej diery v jej súčasnom stave.
2. Náboj alebo celkový elektrický náboj vznikajúci v čiernej diere zo všetkých pozitívne a negatívne nabitých predmetov, ktoré tam počas svojej existencie padajú.
3. Uhlový moment alebo rotačný moment, ktorý meria celkové množstvo rotačného pohybu čiernej diery.
Propagačné video:
Realisticky musia mať všetky čierne diery vo vesmíre veľkú hmotnosť, významný krútiaci moment a zanedbateľný náboj. To veci veľmi komplikuje.
Keď uvažujeme o čiernej diere, reprezentujeme ju v zjednodušenej podobe charakterizujúcej iba hmotu. Má horizont udalostí okolo jedného bodu (singularita), ako aj oblasť okolo tohto bodu, z ktorej nemôže svetlo uniknúť. Táto oblasť má tvar dokonalej gule a hraničných oddeľovacích oblastí, ktoré môžu vyžarovať svetlo a tých, ktoré nevyžarujú. Táto hranica je horizont udalostí. Horizont udalostí sa nachádza vo veľmi špecifickej a rovnakej vzdialenosti (Schwarzschildov polomer) od singularity vo všetkých smeroch.
Toto je zjednodušený opis skutočnej čiernej diery. Je však lepšie začať s fyzickými javmi vyskytujúcimi sa na dvoch konkrétnych miestach: mimo horizontu udalosti a vo vnútri horizontu udalosti.
Za horizontom udalosti sa gravitácia správa ako obvykle. Prítomnosť tejto masy zakrivuje priestor, čo dáva všetkým objektom vo vesmíre zrýchlenie v smere k centrálnej jedinečnosti. Ak začneme vo veľkej vzdialenosti od pokojovej čiernej diery a necháme do nej objekt spadnúť, čo uvidíme?
Predpokladajme, že sme schopní zostať nehybní. V tomto prípade uvidíme, ako sa objekt pomaly, ale so zrýchľovaním pohybujúcim sa smerom od nás smerom k tejto čiernej diere. Zrýchľuje sa smerom k horizontu udalostí, pričom si zachováva svoju farbu. Ale potom sa stane niečo čudné. Zdá sa, že sa predmet spomaľuje, slabne a rozmazáva a potom sa stáva viac a viac červenou. Ale nezmizne úplne. Namiesto toho sa zdá, že sa blíži k tomuto stavu zmiznutia: stáva sa menej zreteľným, červenejším a je čoraz ťažšie ho odhaliť. Horizont udalostí je ako asymptota svetla objektu: vždy ho môžeme vidieť, ak sa pozrieme pozorne.
Teraz si predstavte ten istý scenár, ale tentoraz nebudeme z diaľky pozorovať objekt spadajúci do čiernej diery. Predstavíme si seba na mieste padajúceho objektu. A v tomto prípade budú naše pocity úplne iné.
Časový horizont udalostí rastie oveľa rýchlejšie ako vesmírne osnovy, ako sme očakávali. Priestor je okolo horizontu udalostí taký zakrivený, že začíname vidieť početné obrazy vonkajšieho vesmíru, akoby sa odrážali a obrátili naruby.
A keď prekročíme horizont udalostí a dostaneme sa dovnútra, uvidíme nielen vonkajší vesmír, ale jeho časť vnútri horizontu udalostí. Svetlo, ktoré prijímame, sa posúva do fialovej časti spektra, potom späť do červenej a nevyhnutne spadáme do jedinečnosti. V posledných okamihoch sa zdá, že vesmír je zvláštne plochý.
Fyzický obraz tohto fenoménu je komplexný, ale výpočty sú pomerne jednoduché a priame a boli skvele vykonané v sérii vedeckých prác napísaných v rokoch 2000 - 2010 Andrew Hamilton z University of Colorado. Hamilton tiež vytvoril sériu živých vizualizácií toho, čo vidíme, keď podľa jeho výpočtov spadneme do čiernej diery.
Z týchto výsledkov je veľa poznatkov, z ktorých mnohé sú kontraintuitívne. Pokúsiť sa ich zistiť nám pomôže zmeniť naše vizuálne vnímanie priestoru. Zvyčajne si predstavujeme priestor ako nejakú nehybnú štruktúru a myslíme si, že pozorovateľ niekde vo vnútri spadol. V horizonte udalostí sme však stále v pohybe. Celý priestor je v podstate v pohybe ako dopravný pás. Neustále sa pohybuje a všetko v sebe pohybuje smerom k jedinečnosti.
Pohybuje sa všetko tak rýchlo, že aj keď začneme zrýchľovať od singularity a mať nekonečné množstvo sily, stále padáme smerom do stredu. Svetlo z objektov mimo horizontu udalosti nás bude stále doraziť zo všetkých smerov, ale my, ako sme vo vnútri horizontu udalostí, budeme môcť vidieť iba časť týchto objektov.
Čiara, ktorá definuje hranicu medzi tým, čo pozorovateľ vidí, sa v matematike nazýva kardiodid. Zložka s najväčším polomerom kardioidu sa dotýka horizontu udalostí a zložka s najmenším polomerom končí v singularite. To znamená, že hoci jedinečnosť je bodom, nevyhnutne nespája to, čo súvisí so všetkým ostatným. Ak vy a ja pôjdeme súčasne na opačné strany horizontu udalostí, potom, ako ich prekročíme, už sa viac nebudeme môcť vidieť.
Dôvodom je štruktúra samotného Vesmíru, ktorý je neustále v pohybe. Vo vnútri horizontu udalostí sa priestor pohybuje rýchlejšie ako svetlo, a preto nič nemôže prekročiť čiernu dieru. Z toho istého dôvodu, zatiaľ čo vo vnútri čiernej diery, začíname vidieť zvláštne veci, napríklad veľa obrázkov toho istého objektu.
Tomu môžete porozumieť položením nasledujúcej otázky: „Kde je jedinečnosť?“
Keďže sme vo vnútri horizontu udalosti čiernej diery, začali sme sa pohybovať akýmkoľvek smerom a nakoniec sa pochováme v jedinečnosti. Je to úžasné, ale jedinečnosť sa objavuje vo všetkých smeroch! Ak posuniete svoje nohy dopredu a akcelerujete, uvidíte svoje chodidlá súčasne pod vami a nad vami. To všetko sa dá pomerne ľahko vypočítať, hoci sa zdá, že takýto obrázok je pozoruhodný paradox. Medzitým uvažujeme iba o zjednodušenom prípade: čiernej diere, ktorá sa neotáča.
Prvá fotografia čiernej diery a jej ohnivý halo.
Teraz prejdime k najzábavnejšej veci z fyziky a pozrime sa na čiernu dieru, ktorá sa otáča. Čierne diery dlhujú svoj pôvod systémom látok, ako sú hviezdy, ktoré sa neustále otáčajú rovnakou rýchlosťou. V našom vesmíre (a všeobecne relativite) je točivý moment konzervovanou vlastnosťou každého uzavretého systému a neexistuje spôsob, ako sa ho zbaviť. Keď sa agregát hmoty zmenšuje na polomer, ktorý je menší ako polomer horizontu udalosti, je rotačný moment, podobne ako hmotnosť, zachytený a držaný vo vnútri.
Riešenie je tu oveľa komplikovanejšie. Einstein predložil svoju teóriu relativity v roku 1915 a Karl Schwarzschild dostal riešenie nerotačnej čiernej diery začiatkom roku 1916, teda o pár mesiacov neskôr. Ďalší krok v realistickom modelovaní tohto problému - vzhľadom na to, že čierna diera má nielen hmotu, ale aj krútiaci moment - urobil iba v roku 1963 Roy Kerr, ktorý našiel riešenie.
Medzi Schwarzschildovým trochu naivným a jednoduchým riešením a Kerrovým realistickejším a komplexnejším riešením sú určité zásadné a dôležité rozdiely. Tu sú niektoré prekvapujúce rozdiely:
1. Namiesto jediného riešenia otázky, kde je horizont udalostí, má rotujúca čierna diera dve matematické riešenia: vnútorný a vonkajší horizont udalostí.
2. Za horizontom vonkajšej udalosti je miesto známe ako ergosféra, kde sa priestor sám pohybuje uhlovou rýchlosťou rovnajúcou sa rýchlosti svetla a častice, ktoré do neho vstupujú, dostávajú kolosálne zrýchlenie.
3. Existuje maximálny povolený pomer krútiaceho momentu a hmotnosti. Ak je hodnota krútiaceho momentu príliš veľká, čierna diera vyžaruje túto energiu (prostredníctvom gravitačného žiarenia), kým sa pomer nevráti k normálu.
4. Najvýraznejšia vec je, že singularita v strede čiernej diery už nie je bodom, ale skôr jednorozmerným krúžkom, pričom polomer kruhu je určený hmotnosťou a rotačným momentom čiernej diery.
Keď to všetko vieme, môžeme pochopiť, čo sa stane, keď sa dostaneme do rotujúcej čiernej diery? Áno, to isté ako vstúpenie do neotáčajúcej sa čiernej diery s tým rozdielom, že sa priestor nespráva, ako keby spadol do centrálnej jedinečnosti. Priestor sa správa, akoby sa ťahal okolo obvodu v smere otáčania. Vyzerá to ako vírivka. Čím väčší je pomer rotačného pohybu k hmotnosti, tým rýchlejšie je rotácia.
To znamená, že ak uvidíme, že niečo klesá dovnútra, všimneme si, ako sa niečo zmení na červené a postupne zmizne, ale nielen. Je stlačený a mení sa na krúžok alebo disk v smere otáčania. Ak sa dostaneme dovnútra, budeme obkľúčení ako na šialenom kolotoče, ktorý je nasávaný do stredu. A keď dosiahneme jedinečnosť, bude to vo forme kruhu. Rôzne časti nášho tela padnú do jedinečnosti na vnútornom ergosurface čiernej diery Kerra v rôznych priestorových súradniciach. Keď sa blížime k jedinečnosti zvnútra horizontu udalostí, postupne stratíme schopnosť vidieť ďalšie časti nášho tela.
Najdôležitejšie informácie, ktoré je potrebné z toho vyvodiť, je to, že štruktúra samotného priestoru je v pohybe; a horizont udalostí je definovaný ako miesto, kde sa aj napriek schopnosti cestovať na hranici najvyššej kozmickej rýchlosti, ktorá je rýchlosťou svetla a v akomkoľvek smere, vždy vyskytne jedinečnosť.
Vykreslenie Andrewa Hamiltona je najlepšou a vedecky najpresnejšou simuláciou toho, čo sa stane, keď narazíte na čiernu dieru. Sú tak kontraintuitívni a tak paradoxní, že vám môžem len odporučiť jednu vec: pozerať sa na ne znova a znova, kým sa neoklamete, aby ste si mysleli, že im rozumiete. Je to nádherný a fantastický pohľad. A ak je duch dobrodružstva vo vás taký silný, že ste sa rozhodli ísť do čiernej diery a dostať sa do horizontu udalostí, bude to posledná vec, ktorú uvidíte!
Ethan Siegel