Vesmír ničí niečo rôznymi spôsobmi. Ak sa pokúsite zadržať dych vo vesmíre, vaše pľúca explodujú; ak namiesto toho vdýchnete každú molekulu vzduchu, stratíte vedomie. Na niektorých miestach zamrznete, pretože ste stratili posledné teplo svojho tela; iné budú také horúce, že atómy vo vašom tele sa premenia na plazmu. Ale zo všetkých spôsobov, ako sa vesmír zbavuje predmetov, je najväčšia zábava ho poslať do čiernej diery.
Čo je za horizontom udalostí?
Podľa našej teórie gravitácie - Einsteinovej všeobecnej teórie relativity - sú vlastnosti čiernej diery určené tromi vecami. Ide o:
- Hmotnosť alebo celkové množstvo hmoty a ekvivalentné množstvo energie (podľa vzorca E = mc2), ktoré vedie k vzniku a rastu čiernej diery do jej súčasného stavu.
- Náboj alebo celkový elektrický náboj, ktorý existuje v čiernej diere zo všetkých pozitívne a negatívne nabitých objektov, ktoré spadli do čiernej diery v celej histórii jej života.
- Uhlová hybnosť (moment) alebo rotácia, ktorá je mierou celkového množstva rotačného pohybu, ktorý má čierna diera prirodzene.
V skutočnosti všetky čierne diery, ktoré fyzicky existujú v našom vesmíre, musia mať veľké hmotnosti, značné množstvá hybnosti a zanedbateľné náboje. To situáciu veľmi sťažuje.
Keď si zvyčajne predstavujeme čiernu dieru, predstavujeme si jej jednoduchú verziu, ktorá je opísaná iba svojou hmotnosťou. Má horizont udalostí obklopujúci jeden bod a oblasť obklopujúcu tento bod, za ktorou svetlo nemôže ísť. Táto oblasť je úplne sférická a má hraničné oddeľujúce oblasti, z ktorých môže svetlo uniknúť a z ktorého nemôže: horizont udalostí. Horizont udalostí je v určitej vzdialenosti (Schwarzschildov polomer) od singularity vo všetkých smeroch súčasne.
Propagačné video:
Toto je zjednodušená verzia realistickej čiernej diery, ale skvelé miesto na začatie premýšľania o fyzike, ktorá sa odohráva na dvoch rôznych miestach: za horizontom udalosti a vo vnútri horizontu udalosti.
Mimo horizontu udalostí sa gravitácia správa tak, ako by ste normálne očakávali. Vesmír sa ohýba v prítomnosti hmoty, ktorá spôsobuje, že každý objekt vo vesmíre sa zrýchľuje smerom k centrálnej jedinečnosti. Keby ste boli vo veľkej vzdialenosti od čiernej diery v pokoji a nechali by ste do nej spadnúť nejaký predmet, čo by ste videli?
Za predpokladu, že sa vám podarilo udržať pokoj, uvidíte padajúci objekt, ktorý sa od vás pomaly zrýchľuje smerom k tejto čiernej diere. Zrýchli sa smerom k horizontu udalostí, po ktorom sa stane niečo čudné. Zdá sa vám, že sa spomaľuje, mizne a je červenší. Ale nezmizne úplne. Priblíži sa k nemu iba to, že bude tupé, červené a bude ťažké ho odhaliť. Vždy to môžete vidieť, ak sa pozriete dostatočne blízko.
Teraz si predstavme rovnaký scenár, ale tentokrát si predstavme, že ste ten istý objekt, ktorý spadá do čiernej diery. Táto skúsenosť bude úplne iná.
Horizont udalostí sa zväčší oveľa rýchlejšie, ako ste očakávali, pretože zakrivenie priestoru bude silnejšie. Priestor je okolo horizontu udalostí taký zakrivený, že uvidíte veľa obrázkov vesmíru, ktorý je zvonku, akoby sa odrazil a obrátil.
Akonáhle prekročíte horizont udalostí, budete nielen stále schopní vidieť vonkajší vesmír, ale aj časť vesmíru v horizonte udalostí. V posledných okamihoch bude priestor vyzerať úplne plochý.
Čo je v čiernej diere?
Fyzika tohto všetkého je komplexná, ale výpočty sú pomerne jednoduché a najelegantnejšie uskutočnil Andrew Hamilton z University of Colorado v sérii článkov z konca 2000 a začiatkom roku 2010. Na základe týchto výpočtov Hamilton vytvoril aj sériu pôsobivých vykreslení toho, čo podľa vás bude spadať do čiernej diery.
Po preskúmaní týchto výsledkov môžeme vyvodiť niekoľko záverov, z ktorých mnohé sú nelogické. Ak sa ich chcete snažiť pochopiť, musíte zmeniť spôsob, akým reprezentujete priestor. Zvyčajne to považujeme za nepohyblivú štruktúru a myslíme si, že pozorovateľ niekde „zostupuje“. Ale v horizonte udalostí ste vždy na cestách. Vesmír sa pohybuje - ako bežecký pás - nepretržite a všetko samo pohybuje smerom k jedinečnosti.
A všetko sa pohybuje tak rýchlo, že aj keď zrýchlite priamo zo singularity nekonečnou silou, stále padáte smerom do stredu. Objekty za horizontom udalosti vám budú stále vysielať svetlo zo všetkých smerov, ale budete môcť vidieť iba zlomok objektov za horizontom udalostí.
Čiara, ktorá definuje hranicu medzi tým, čo môže ktorýkoľvek pozorovateľ vidieť, je matematicky opísaná kardioidnou látkou, pričom zložka s najväčším polomerom sa dotýka horizontu udalosti a zložka s najmenším polomerom je v singularite. To znamená, že jedinečnosť, dokonca ako bod, nemusí nevyhnutne spájať všetko, čo do nej patrí, so všetkým ostatným. Ak vy a ja spadneme do horizontu udalostí z rôznych smerov súčasne, nikdy sa neuvidíme svetlo druhého, keď sa horizont udalosti prekročí.
Dôvodom je neustále sa pohybujúca štruktúra samotného vesmíru. Vo vnútri horizontu udalostí sa priestor pohybuje rýchlejšie ako svetlo, takže z čiernej diery nemôže nič uniknúť. Preto keď narazíte na čiernu dieru, začnete vidieť podivné veci, ako napríklad viac obrázkov toho istého objektu.
Tomu môžete porozumieť položením otázky: Kde je singularita?
Z horizontu udalosti čiernej diery, nech už sa pohnete akýmkoľvek smerom, nakoniec narazíte na samotnú jedinečnosť. Preto je zvláštne, že sa singularita objavuje vo všetkých smeroch. Ak vaše nohy smerujú v smere zrýchlenia, uvidíte ich pred sebou, ale aj nad vami. To všetko sa dá ľahko vypočítať, aj keď je mimoriadne nelogické. A to je len pre zjednodušený prípad: nerotačná čierna diera.
Teraz prejdime k fyzicky zaujímavému prípadu: keď sa čierna diera otáča. Čierne diery vďačia za svoj pôvod systémom látok - ako sú hviezdy - ktoré sa vždy otáčajú na určitej úrovni. V našom vesmíre (a vo všeobecnosti relativita) je moment hybnosti absolútnou uzavretou veličinou pre akýkoľvek uzavretý systém; neexistuje spôsob, ako sa toho zbaviť. Keď sa agregát hmoty zrúti na polomer, ktorý je menší ako polomer horizontu udalostí, uhlová hybnosť je v ňom zachytená ako hmota.
Riešenie, ktoré tu máme, bude oveľa komplikovanejšie. Einstein predstavil všeobecnú relativitu v roku 1915 a Karl Schwarzschild získal riešenie pre nerotorovú čiernu dieru o niekoľko mesiacov neskôr, začiatkom roku 1916. Ďalší krok v realistickejšom modelovaní tohto problému - kde čierna diera má moment hybnosti, nielen hmotu - sa však dosiahol až v roku 1963, keď Roy Kerr našiel presné riešenie v roku 1963.
Existuje niekoľko základných a dôležitých rozdielov medzi naivnejším a jednoduchším riešením spoločnosti Schwarzschild a realistickejším a komplexnejším riešením Kerra. Medzi nimi:
- Namiesto jediného rozhodnutia o tom, kde je horizont udalostí, má rotujúca čierna diera dve matematické riešenia: vnútorný a vonkajší horizont udalostí.
- Za horizontom vonkajšej udalosti existuje aj miesto známe ako ergosféra, v ktorom sa priestor sám pohybuje rýchlosťou otáčania rovnou rýchlosti svetla a častice v ňom zažívajú obrovské zrýchlenia.
- Existuje maximálny povolený pomer hybnosti k hmotnosti; ak je hybnosť príliš silná, čierna diera bude vyžarovať túto energiu (prostredníctvom gravitačného žiarenia), kým neklesne na limit.
- A najzaujímavejšie: singularita v strede čiernej diery už nie je bodom, ale jednorozmerným krúžkom, ktorého polomer je určený hmotnosťou a uhlovým momentom čiernej diery.
Čo sa stane, keď narazíte na čiernu dieru? Áno, je to rovnaké ako to, čo sa stane, ak upadnete do neotáčajúcej sa čiernej diery s tým rozdielom, že celý priestor sa nebude správať, akoby padal smerom k centrálnej jedinečnosti. Namiesto toho sa priestor chová, akoby sa pohyboval v smere otáčania, ako vírivý lievik. Čím väčší je pomer hybnosti k hmotnosti, tým rýchlejšie sa otáča.
To znamená, že ak vidíte, že niečo spadne do čiernej diery, zistíte, že je slabšie a červenšie, ale tiež sa rozmazáva do krúžku alebo disku v smere otáčania. Ak spadnete do čiernej diery, budete sa točiť ako kolotoč, ktorý vás ťahá smerom do stredu. A keď dosiahnete jedinečnosť, bude to prsteň; rôzne časti vášho tela sa stretnú s jedinečnosťou - na vnútornom ergosurface čiernej diery Kerr - v rôznych priestorových súradniciach. Postupne prestanete vidieť iné časti vášho tela.
Najdôležitejšou vecou, ktorú musíte z tohto všetkého pochopiť, je to, že samotná štruktúra priestoru je v pohybe a horizont udalostí je definovaný ako miesto, v ktorom sa aj napriek tomu, že sa pohybujete rýchlosťou svetla v ľubovoľnom smere, nevyhnutne zrazíte so zvláštnosťou.
Vizualizácie Andrewa Hamiltona sú najlepším a najpresnejším modelom toho, čo sa stane, keď upadnete do čiernej diery, a také nelogické, že sa na ne musí znovu a znovu pozerať, až kým niečo nezačnete chápať (skutočne nezačínate). Je to strašidelné a krásne a ak ste dosť dobrodružní, aby ste niekedy preleteli do čiernej diery a prekročili horizont udalostí, bude to posledná vec, ktorú ste kedy videli.
Ilja Khel