Universumi tuhoaa jotain eri tavoin. Jos yrität pitää hengityksen tilassa, keuhkosi räjähtää; Jos hengität sen sijaan jokaisessa ilmamolekyylissä, menetät tajunnan. Joissakin paikoissa jäädyt, menettäessäsi viimeisen kehon lämpöä; toiset ovat niin kuumia, että kehosi atomit muuttuvat plasmaksi. Mutta kaikista tavoista, joilla maailmankaikkeus pääsee eroon esineistä, hauskin on lähettää se mustaan aukkoon.
Mikä on tapahtumahorisontin ulkopuolella?
Painovoimateoriamme - Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian - mukaan mustan aukon ominaisuudet määräytyvät kolmella asialla. Nimittäin:
- Massa tai aineen kokonaismäärä ja vastaava määrä energiaa (kaavan E = mc2 mukaan), jotka kulkevat mustan aukon muodostumiseen ja kasvamiseen nykyiseen tilaansa.
- Lataus tai kokonainen sähkövaraus, joka esiintyy mustassa reikässä kaikista positiivisesti ja negatiivisesti varautuneista esineistä, jotka putosivat mustaan reikään koko elämänsä historian.
- Kulmavirhe (momentti) tai spin, joka on mustan aukon luonteeltaan olevan kiertoliikkeen kokonaismäärä.
Todellisuudessa kaikilla fyysisesti olemassa olevilla mustilla aukkoilla, joita fyysisesti esiintyy universumissamme, on oltava suuret massat, huomattavat määrät kulmavirran ja vähäiset varaukset. Tämä vaikeuttaa tilannetta.
Kun yleensä kuvittelemme mustan aukon, kuvittelemme siitä yksinkertaisen version, jota kuvaa vain sen massa. Siinä on tapahtumahorisontti, joka ympäröi yhtä pistettä, ja sitä pistettä ympäröivä alue, jonka ulkopuolelle valo ei pääse. Tämä alue on täysin pallomainen ja sillä on raja, joka erottaa alueet, joista valo pääsee poistumaan ja josta se ei pääse: tapahtumahorisontti. Tapahtumahorisontti on tietyllä etäisyydellä (Schwarzschild-säde) singulaarisuudesta kaikkiin suuntiin samanaikaisesti.
Mainosvideo:
Tämä on yksinkertaistettu versio realistisesta mustasta aukosta, mutta loistava paikka alkaa miettiä fysiikkaa, joka tapahtuu kahdessa eri paikassa: tapahtumahorisontin ulkopuolella ja tapahtumahorisontin sisällä.
Tapahtumahorisontin ulkopuolella painovoima käyttäytyy kuten normaalisti odotat. Avaruus taipuu massan läsnä ollessa, mikä saa jokaisen maailmankaikkeuden esineen kiihtymään kohti keskitettyä singulaarisuutta. Jos olisit suurella etäisyydellä mustasta aukosta levossa ja antaisit esineen pudota siihen, mitä näkisit?
Olettaen, että olet onnistunut pysymään paikallaan, näet putoavan esineen kiihtyvän hitaasti sinusta kohti tätä mustaa reikää. Se kiihtyy kohti tapahtumahorisonttia, jonka jälkeen tapahtuu jotain outoa. Vaikuttaa siltä, että se hidastuu, haalistuu ja muuttuu punaisemmaksi. Mutta se ei katoa kokonaan. Se vain lähenee sitä: siitä tulee tylsää, punaista ja vaikeampi havaita. Voit aina nähdä sen, jos katsot tarpeeksi tarkasti.
Kuvittelemme nyt saman skenaarion, mutta ajatelkaamme tällä kertaa, että olet sama esine, joka putoaa mustaan aukkoon. Kokemus on täysin erilainen.
Tapahtumahorisontti suurenee paljon nopeammin kuin odotit, kun tilan kaarevuus vahvistuu. Avaruus on niin kaareva tapahtumahorisontin ympärillä, että näet monia kuvia maailmankaikkeudesta, joka on ulkopuolelta, ikään kuin se heijastuisi ja kääntyisi.
Ja kun ylität tapahtumahorisontin, et vain silti näe ulompaa maailmankaikkeutta, mutta myös osa maailmankaikkeudesta tapahtumahorisontin sisällä. Viimeisinä hetkinä tila näyttää täysin tasaiselta.
Mitä mustassa aukossa on?
Kaiken tämän fysiikka on monimutkaista, mutta laskelmat ovat melko yksinkertaisia ja tyylikkääimmin Coloradon yliopiston Andrew Hamiltonin tekemässä sarjassa papereita 2000-luvun lopulta ja 2010-luvun alusta. Hamilton loi myös sarjan vaikuttavia renderöintejä siitä, mitä näet laskeutuvan mustaan reikään näiden laskelmien perusteella.
Tutkittuaan nämä tulokset voimme tehdä useita johtopäätöksiä, joista monet ovat epäloogisia. Yrittääksesi ymmärtää niitä, sinun on muutettava tapaa, jolla edustat tilaa. Me ajattelemme sitä yleensä liikkumattomana kankaana ja ajattelemme, että tarkkailija "laskeutuu" jonnekin. Mutta tapahtumahorisontissa olet aina liikkeellä. Avaruus liikkuu - kuten juoksumatto - jatkuvasti, siirtäen kaiken itsessään kohti singulaarisuutta.
Ja se liikuttaa kaikkea niin nopeasti, että vaikka kiihdytätkin suoraan singulaarisuudesta äärettömällä voimalla, putoat silti kohti keskustaa. Tapahtumahorisontin ulkopuolella olevat esineet lähettävät sinulle valoa edelleen kaikista suunnista, mutta voit nähdä vain murto-osan objekteista tapahtumahorisontin ulkopuolelta.
Sydän, joka määrittelee rajan minkä tahansa tarkkailijan näkemän välillä, kuvaa kardioidilla matemaattisesti, jossa suurimman säteen omaava komponentti koskettaa tapahtumahorisonttia ja pienimmän säteen komponentti on singulaarisuudessa. Tämä tarkoittaa, että singulaarisuus, jopa pisteenä, ei välttämättä yhdistä kaikkea, mikä siihen kuuluu, kaikkeen muuhun. Jos sinä ja minä putoamme tapahtumahorisonttiin eri suunnista samanaikaisesti, emme koskaan näe toistemme valoa tapahtumahorisontin ylittyessä.
Syynä tähän on itse maailmankaikkeuden jatkuvasti liikkuva kangas. Tapahtumahorisontin sisällä tila liikkuu valoa nopeammin, joten mikään ei pääse pakenemaan mustasta aukosta. Siksi, kun osut mustaan aukkoon, alat nähdä outoja asioita, kuten useita kuvia samasta esineestä.
Voit ymmärtää tämän esittämällä kysymyksen: missä on ainutlaatuisuus?
Mustan aukon tapahtumahorisontista riippumatta siitä, mihin suuntaan liikut, joudut kohtaamaan itse singulaarisuuden. Siksi omituisuuden mukaan singulaarisuus ilmestyy kaikkiin suuntiin. Jos jalat osoittavat kiihtyvyyden suuntaan, näet ne edessäsi, mutta myös yläpuolella. Kaikki tämä on helppo laskea, vaikkakin erittäin epäloogista. Ja se on vain yksinkertaistettu tapaus: ei-pyörivä musta reikä.
Siirrytään nyt fyysisesti mielenkiintoiseen tapaukseen: kun musta reikä pyörii. Mustat reikät ovat velkaa alkuperästään ainejärjestelmille - kuten tähtiille -, jotka pyörivät aina jollain tasolla. Universumissamme (ja yleensä suhteellisuustekijässä) kulmavirhe on absoluuttinen suljettu määrä mille tahansa suljetulle järjestelmälle; siitä ei ole mitään keinoa päästä eroon. Kun ainekokonaisuus romahtaa säteeseen, joka on pienempi kuin tapahtumahorisontin säde, kulmainen liike on loukussa sen sisällä, aivan kuten massa.
Tässä oleva ratkaisu on paljon monimutkaisempi. Einstein esitti yleisen suhteellisuusteorian vuonna 1915, ja Karl Schwarzschild sai ratkaisun pyörimättömään mustaan reikään muutamaa kuukautta myöhemmin, vuoden 1916 alussa. Mutta seuraava askel mallinnettaessa tätä ongelmaa realistisemmalla tavalla - jossa mustalla aukolla on kulmalämpötila, ei pelkästään massa - otettiin vasta vuonna 1963, kun Roy Kerr löysi tarkan ratkaisun vuonna 1963.
Schwarzschildin naivemman ja yksinkertaisemman ratkaisun ja Kerrin realistisemman ja monimutkaisemman ratkaisun välillä on useita perustavia ja tärkeitä eroja. Heidän keskuudessaan:
- Yhden päätöksen sijaan siitä, missä tapahtumahorisontti on, pyörivässä mustassa aukossa on kaksi matemaattista ratkaisua: sisäinen ja ulkoinen tapahtumahorisontti.
- Edes ulkoisen tapahtumahorisontin ulkopuolella on ergosfäärinä tunnettu paikka, jossa avaruus itse liikkuu valon nopeutta vastaavalla pyörimisnopeudella ja siinä olevat hiukkaset kokevat valtavia kiihtyvyyksiä.
- Kulmavirran ja massan välinen suhde on suurin sallittu; jos vauhti on liian voimakas, musta reikä säteilee tätä energiaa (painovoiman säteilyn kautta), kunnes se putoaa rajaan.
- Ja mielenkiintoisin asia: singulaarisuus mustan reiän keskellä ei ole enää piste, vaan yksiulotteinen rengas, jonka säteen määrää mustan reiän massa ja kulmaliike.
Mitä tämä tapahtuu, mitä tapahtuu, kun osut mustaan aukkoon? Kyllä, se on sama kuin mitä tapahtuu, jos putoat kiertymättömään mustaan reikään, paitsi että kaikki tila ei käyttäytyy ikään kuin se putoaa kohti keskitettyä singulaarisuutta. Sen sijaan tila käyttäytyy myös ikään kuin se liikkuu pyörimissuuntaa pitkin, kuten pyörivä suppilo. Mitä suurempi kulmamomentin suhde massaan, sitä nopeammin se pyörii.
Tämä tarkoittaa, että jos näet jotain putoamasta mustaan reikään, huomaat, että se muuttuu himmeämmäksi ja punaisemmaksi, mutta se myös leviää renkaaseen tai kiekkoon pyörimissuunnassa. Jos putoat mustaan aukkoon, kehrätään kuin karuselli, joka vetää sinut kohti keskustaa. Ja kun saavutat singulaarisuuden, se on rengas; kehon eri osat kohtaavat ainutlaatuisuuden - Kerrin mustan aukon sisäpinnalla - erilaisissa alueellisissa koordinaateissa. Voit vähitellen lakata näkemästä muita kehosi osia.
Tärkein asia, joka sinun on ymmärrettävä tästä kaikesta, on se, että itse tilan kangas on liikkeessä, ja tapahtumahorisontti määritellään paikaksi, jossa vaikka liikutkin valon nopeudella, kumpaan suuntaan valitset, törmäät väistämättä ainutlaatuisuudella.
Andrew Hamiltonin visualisoinnit ovat parhaita ja tarkimpia malleja siitä, mitä tapahtuu, kun putoat mustaan aukkoon, ja niin epäloogisia, että niitä on tarkasteltava yhä uudelleen, kunnes alat ymmärtää jotain (et oikeasti aloita). Se on kammottava ja kaunis, ja jos olet tarpeeksi seikkailunhaluinen koskaan lentääksesi mustaan reikään ja ylittämään tapahtumahorisontin, tämä on viimeinen asia, jonka olet koskaan nähnyt.
Ilja Khel