Miltä tuntuu pudota kehruuun mustaan reikään? Tätä on mahdotonta havaita, mutta voit laskea … Kysymys on erittäin mielenkiintoinen, ja tiede pystyy siihen vastaamaan, koska mustien reikien ominaisuudet tunnetaan, kirjoittaa Forbes. Astrofysiikan tohtori puhui monien ihmisten kanssa, jotka tekivät tällaisia laskelmia, ja kiirehtii puhua erittäin mielenkiintoisista havainnoista, joita tukee useita visualisointeja.
On monia kauheita tapoja, joilla maailmankaikkeus voi tuhota jotain. Jos yrität pitää avaruudessa avaruudessa, keuhkosi räjähtävät. Ja jos hengität koko ilman alas viimeiseen molekyyliin, sammuta se muutaman sekunnin kuluttua. Joissakin maailmankaikkeuden paikoissa muutut jääksi, kun lämpö lähtee kehosta; muissa paikoissa on niin kuuma, että atomisi muuttuvat plasmaksi. Mutta kun pohdin, miten maailmankaikkeus voi päästä eroon minusta (tai sinusta), en voi kuvitella enemmän houkuttelevaa näkyä kuin menemistä mustaan reikään. Event Horizon Telescope -projektissa työskentelevä tutkija Heino Falcke on samaa mieltä. Hän kysyy:
Miltä tuntuu pudota kehruuun mustaan reikään? Tätä on mahdotonta havaita, mutta on mahdollista laskea … Olen puhunut monien ihmisten kanssa, jotka ovat tehneet tällaisia laskelmia, mutta vanhenen ja alaan unohtaa paljon.
Tämä kysymys on erittäin mielenkiintoinen, ja tiede pystyy vastaamaan siihen. Kysymme häneltä.
Painovoimateoriamme, Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian, mukaan mustan aukon ominaisuudet määrittelevät vain kolme ominaisuutta. Täällä he ovat:
1. Massa tai aineen kokonaismäärä ja vastaava energiamäärä (laskettuna kaavalla E = mc2), joka käytettiin mustan aukon muodostumiseen ja kasvuun sen nykyisessä tilassa.
2. Varaus tai kokonainen sähkövaraus, joka syntyy mustassa aukossa kaikista positiivisesti ja negatiivisesti varautuneista esineistä, jotka putoavat sinne sen olemassaolon aikana.
3. Kulmamomentti tai pyörimismomentti, joka mittaa mustan aukon pyörimisliikkeen kokonaismäärää.
Mainosvideo:
Realistisesti kaikilla maailmankaikkeuden mustilla reikillä on oltava suuri massa, merkittävä vääntömomentti ja vähäinen varaus. Tämä monimutkaistaa asioita.
Mustaa reikää ajatellen edustamme sitä yksinkertaistetussa muodossa, jota kuvaa vain massa. Sillä on tapahtumahorisontti yhden pisteen (singulaarisuus) ympärillä, samoin kuin tätä pistettä ympäröivällä alueella, josta valo ei pääse. Tällä alueella on täydellinen pallo ja raja, joka erottaa alueet, jotka voivat säteillä valoa, ja ne, jotka eivät. Tämä raja on tapahtumahorisontti. Tapahtumahorisontti on hyvin erityisellä ja yhtä suurella etäisyydellä (Schwarzschild-säde) singulaarisuudesta kaikkiin suuntiin.
Tämä on yksinkertaistettu kuvaus todellisesta mustasta aukosta. Mutta on parempi aloittaa fyysisistä ilmiöistä, jotka tapahtuvat kahdessa tietyssä paikassa: tapahtumahorisontin ulkopuolella ja tapahtumahorisontin sisällä.
Tapahtumahorisontin ulkopuolella painovoima käyttäytyy tavalliseen tapaan. Avaruus on kaareva tämän massan läsnä ollessa, mikä antaa kaikille maailmankaikkeuden kohteille kiihtyvyyden keskeisen singulaarisuuden suuntaan. Mitä jos näemme? Jos aloitamme suurella etäisyydellä lepäävästä mustasta aukosta ja annamme esineen pudota siihen, mitä me näemme?
Oletetaan, että pystymme pysymään paikallaan. Tässä tapauksessa näemme kuinka esine on hitaasti, mutta kiihtyvyydellä siirtymässä meistä eteenpäin kohti tätä mustaa reikää. Se kiihtyy kohti tapahtumahorisonttia säilyttäen värin. Mutta sitten tapahtuu jotain outoa. Kohde näyttää hidastuvan, häipyvän ja hämärtyvän ja muuttuu sitten yhä punaisemmaksi. Mutta se ei katoa kokonaan. Sen sijaan se näyttää lähestyvän tätä häviämistilaa: siitä tulee vähemmän erottuva, punaisempi ja sitä on yhä vaikeampaa havaita. Tapahtumahorisontti on kuin asymptootti esineen valosta: voimme aina nähdä sen, jos tarkastelemme tarkkaan.
Kuvittele nyt sama skenaario, mutta tällä kertaa emme tarkkaile kohdetta, joka putoaa mustaan reikään kaukaa. Kuvittelemme itsemme putoavan esineen tilalle. Ja tässä tapauksessa sensaatiomme ovat täysin erilaisia.
Tapahtumahorisontti kasvaa paljon nopeammin avaruuden vääntyessä kuin odotimme. Avaruus on niin kaareva tapahtumahorisontin ympärillä, että alamme nähdä lukuisia kuvia ulkoa universumista, ikään kuin se heijastuisi ja kääntyisi sisälle.
Ja kun ylitämme tapahtumahorisontin ja pääsemme sisälle, näemme paitsi ulkoisen maailmankaikkeuden myös osan siitä tapahtumahorisontin sisällä. Saamiemme valo siirtyy spektrin violettiin osaan, sitten takaisin punaiseen ja lankeamme väistämättä singulaarisuuteen. Viime aikoina ulkoavaruus näyttää omituiselta tasaiselta.
Fyysinen kuva tästä ilmiöstä on monimutkainen, mutta laskelmat ovat melko yksinkertaisia ja suoraviivaisia, ja ne tehtiin loistavasti sarjassa tieteellisiä artikkeleita, jotka kirjoitti vuosina 2000-2010 Andrew Hamilton Coloradon yliopistosta. Hamilton loi myös sarjan eläviä visualisointeja siitä, mitä näemme, kun joudumme mustaan aukkoon hänen laskelmiensa perusteella.
Näistä tuloksista on opittava monia oppeja, ja monet niistä ovat vasta intuitiivisia. Yritettäessä selvittää ne auttavat meitä muuttamaan visuaalisia käsityksiämme avaruudesta. Yleensä kuvittelemme tilan jonkinlaisena liikkumattomana rakenteena ja ajattelemme, että tarkkailija on pudonnut jonnekin sen sisälle. Olemme kuitenkin tapahtumahorisontissa jatkuvasti liikkeellä. Kaikki tila on oleellisesti liikkeessä kuin kuljetinhihna. Se liikkuu jatkuvasti, siirtäen kaiken itsessään singulaarisuuden suuntaan.
Se liikuttaa kaikkea niin nopeasti, että vaikka alamme kiihtyä erillisyydestä, jolla on ääretön määrä voimaa, putoamme silti kohti keskustaa. Tapahtumahorisontin ulkopuolelta tulevat esineet tulevat silti meitä kaikista suunnista, mutta olemme tapahtumahorisontin sisällä ja näemme vain osan näistä esineistä.
Riviä, joka rajaa tarkkailijan näkemän rajan, kutsutaan matematiikassa kardiodideksi. Kardioidin suurimman säteen komponentti koskettaa tapahtumahorisonttia ja pienimmän säteen komponentti päättyy singulaarisuuteen. Tämä tarkoittaa, että vaikka singulaarisuus on piste, se ei väistämättä liitä mitä tapahtuu kaikkeen muuhun. Jos sinä ja minä siirrymme samanaikaisesti tapahtumahorisontin vastakkaisille puolille, sen ylittämisen jälkeen emme enää voi nähdä toisiamme.
Syynä tähän on itse maailmankaikkeuden rakenne, joka on jatkuvasti liikkeessä. Tapahtumahorisontin sisällä avaruus kulkee valoa nopeammin, joten mikään ei voi ylittää mustaa reikää. Samasta syystä, kun olemme mustan aukon sisällä, alamme nähdä outoja asioita, esimerkiksi monia kuvia samasta esineestä.
Voit ymmärtää tämän esittämällä seuraavan kysymyksen: "Missä on singulaarisuus?"
Olemme mustan aukon tapahtumahorisontin sisällä, kun olemme alkaneet liikkua mihin tahansa suuntaan, lopulta hautaamme itsemme ainutlaatuisuuteen. Se on uskomatonta, mutta ainutlaatuisuus näkyy kaikkiin suuntiin! Jos siirrät jalkasi eteenpäin ja kiihdytät, näet jalat samanaikaisesti sinun alapuolellasi ja yläpuolellasi. Kaikki tämä on melko helppo laskea, vaikka sellainen kuva näyttää olevan silmiinpistävä paradoksi. Samalla harkitsemme vain yksinkertaistettua tapausta: musta aukko, joka ei pyöri.
Ensimmäinen valokuva mustasta aukosta ja sen tulisesta halo.
Katsotaanpa nyt fysiikan hauskinta ja katsotaan mustaa reikää, joka pyörii. Mustat reiät ovat niiden alkuperän velkaa ainejärjestelmille, kuten tähtiille, jotka pyörivät jatkuvasti yhdellä tai toisella nopeudella. Universumissamme (ja yleensä suhteellisuusteoriassa) vääntömomentti on minkä tahansa suljetun järjestelmän säilynyt ominaisuus, eikä siitä ole mitään keinoa päästä eroon. Kun ainekokonaisuus kutistuu säteeseen, joka on pienempi kuin tapahtumahorisontin säde, pyörimismomentti, kuten massa, loukkaantuu ja pidetään sisällä.
Ratkaisu on tässä paljon monimutkaisempi. Einstein esitti suhteellisuusteoriansa vuonna 1915, ja Karl Schwarzschild sai ratkaisun kiertämättömään mustaan reikään vuoden 1916 alussa, toisin sanoen, pari kuukautta myöhemmin. Mutta seuraavan askeleen tämän ongelman realistisessa mallinnuksessa - ottaen huomioon, että mustalla aukolla ei ole vain massaa, vaan myös vääntömomentti - otti vasta vuonna 1963 ratkaisun löytänyt Roy Kerr.
Schwarzschildin hieman naiivin ja yksinkertaisen ratkaisun sekä Kerrin realistisemman ja monimutkaisemman ratkaisun välillä on joitain perustavia ja tärkeitä eroja. Tässä on yllättäviä eroja:
1. Yhden ratkaisun sijaan kysymykseen siitä, missä tapahtumahorisontti on, pyörivässä mustassa aukossa on kaksi matemaattista ratkaisua: sisäinen ja ulkoinen tapahtumahorisontti.
2. Ulkoisen tapahtumahorisontin ulkopuolella on paikka, jota kutsutaan ergosfääriksi, jossa tila itse liikkuu kulmanopeudella, joka on yhtä suuri kuin valon nopeus, ja siihen tulevat hiukkaset saavat kolossaalin kiihtyvyyden.
3. Suurin sallittu vääntömomentin / massasuhde on. Jos vääntömomentin arvo on liian suuri, musta reikä emittoi tätä energiaa (painovoiman säteilyn kautta), kunnes suhde palaa normaaliksi.
4. Ja silmiinpistävintä on, että mustan reiän keskipisteessä oleva singulariteetti ei ole enää piste, vaan yhden ulottuvuuden rengas, jossa renkaan säde määräytyy mustan aukon massan ja pyörimismomentin perusteella.
Tietäen kaiken tämän, voimmeko ymmärtää, mitä tapahtuu, kun pääsemme pyörivän mustan aukon sisään? Kyllä, sama kuin kiertämättömän mustan aukon syöttäminen, paitsi että tila ei käyttäytyy ikään kuin se kuuluisi keskeiseen singulaarisuuteen. Tila käyttäytyy ikään kuin sitä vedetään kehän ympäri pyörimissuuntaan. Se näyttää porealtaalta. Mitä suurempi pyörimisliikkeen suhde massaan, sitä nopeampi kierto tapahtuu.
Tämä tarkoittaa, että jos näemme jotain putoamasta sisäänpäin, huomaa kuinka tämä jotain muuttuu punaiseksi ja häviää vähitellen, mutta ei vain. Se on puristettu ja muuttuu renkaksi tai kiekkoksi pyörimissuunnassa. Jos pääsemme sisälle, ympyrämme ympäri kuin hullu karuselli, jota imetään keskelle. Ja kun saavutamme singulaarisuuden, se on renkaan muodossa. Kehomme eri osat putoavat erottelukerrokseksi Kerrin mustan reiän sisäpinnalla eri avaruuskoordinaateissa. Kun lähestymme singulaarisuutta tapahtumahorisontin sisällä, menetämme vähitellen kyvyn nähdä muita kehomme osia.
Tärkein tieto, josta kaikkea tätä voidaan kerätä, on, että avaruuden rakenne on itse liikkeessä; ja tapahtumahorisontti määritellään paikaksi, jossa voit, jopa kykyäsi kulkea suurimman kosmisen nopeuden, joka on valon nopeus, rajalla ja mihin tahansa suuntaan, aina kompastua singulaarisuuteen.
Andrew Hamiltonin renderoinnit ovat parhaita ja tieteellisesti tarkimpia simulaatioita siitä, mitä tapahtuu, kun osut mustaan reikään. Ne ovat niin vastaintuitiivisia ja niin paradoksaalisia, että voin vain suositella sinulle yhtä asiaa: tarkkaile niitä yhä uudelleen, kunnes huijaat itsesi ajattelemaan ymmärtävän niitä. Tämä on upea ja fantastinen näky. Ja jos seikkailun henki on niin voimakasta, että päätät mennä mustaan reikään ja päästä tapahtumahorisontin sisälle, tämä on viimeinen asia, jonka näet!
Ethan Siegel