Hvordan føles det at falde i et roterende sort hul? Det er umuligt at observere dette, men du kan beregne … Spørgsmålet er ekstremt interessant, og videnskaben er i stand til at besvare det, fordi egenskaberne ved sorte huller er kendt, skriver Forbes. Lægen for astrofysik talte med mange mennesker, der foretog sådanne beregninger, og har travlt med at tale om de ekstremt interessante fund, understøttet af en række visualiseringer.
Der er mange forfærdelige måder, som universet kan ødelægge noget på. Hvis du prøver at holde vejret i rummet, eksploderer dine lunger. Og hvis du udånder al luften ned til det sidste molekyle, skal du slukke for et par sekunder. Nogle steder i universet bliver du til is, når varmen forlader din krop; andre steder er det så varmt, at dine atomer bliver til plasma. Men når jeg overvejer, hvordan universet kan slippe af med mig (eller dig), kan jeg ikke forestille mig et mere betagende syn end at gå ind i et sort hul. Videnskabsmand Heino Falcke, der arbejder på Event Horizon Telescope-projektet, er af samme opfattelse. Han spørger:
Hvordan føles det at falde i et roterende sort hul? Det er umuligt at observere dette, men det er muligt at beregne … Jeg har talt med mange mennesker, der har foretaget sådanne beregninger, men jeg bliver gammel og begynder at glemme en masse.
Dette spørgsmål er ekstremt interessant, og videnskaben er i stand til at besvare det. Lad os spørge hende.
I henhold til vores gravitationsteori, Einsteins generelle relativitetsteori, er der kun tre karakteristika, der bestemmer egenskaberne ved et sort hul. Her er de:
1. Masse eller den samlede mængde stof og den tilsvarende mængde energi (beregnet med formlen E = mc2), som blev brugt på dannelsen og væksten af det sorte hul i dets nuværende tilstand.
2. Ladningen eller den samlede elektriske ladning, der opstår i et sort hul fra alle positivt og negativt ladede genstande, der falder der under dens eksistens.
3. Vinkelmomentet eller rotationsmomentet, der måler den samlede mængde rotationsbevægelse af et sort hul.
Salgsfremmende video:
Realistisk skal alle sorte huller i universet have en stor masse, betydeligt drejningsmoment og ubetydelig ladning. Dette komplicerer tingene meget.
Når vi tænker på et sort hul, repræsenterer vi det i en forenklet form, som kun karakteriseres ved masse. Det har en begivenhedshorisont omkring et enkelt punkt (singularitet) såvel som et område omkring dette punkt, hvorfra lys ikke kan undslippe. Dette område har formen af en perfekt kugle og en grænse, der adskiller områder, der kan udsende lys og dem, der ikke gør det. Denne grænse er begivenhedshorisonten. Begivenhedshorisonten er placeret i en meget specifik og lige afstand (Schwarzschild radius) fra singulariteten i alle retninger.
Dette er en forenklet beskrivelse af et ægte sort hul. Men det er bedre at starte med fysiske fænomener, der forekommer på to specifikke steder: uden for begivenhedshorisonten og inde i begivenhedshorisonten.
Ud over begivenhedshorisonten opfører tyngdekraften sig som sædvanlig. Rummet er krummet af tilstedeværelsen af denne masse, hvilket giver alle objekter i universet en acceleration i retning af den centrale singularitet. Hvis vi starter i stor afstand fra det hvile sorte hul og lader genstanden falde ned i det, hvad ser vi så?
Antag, at vi er i stand til at forblive stille. I dette tilfælde vil vi se, hvordan objektet langsomt er, men med acceleration, der bevæger sig væk fra os, bevæger sig mod dette sorte hul. Det accelererer mod begivenhedshorisonten, mens det bevarer sin farve. Men så sker der noget mærkeligt. Det ser ud til, at genstanden bremser ned, falmer ud og sløres og bliver derefter mere og mere rød. Men det forsvinder ikke helt. I stedet for ser det ud til at nærme sig denne tilstand af forsvinden: det bliver mindre tydeligt, mere rødt, og det er mere og mere vanskeligt at opdage det. Begivenhedshorisonten er som asymptoten for et objekts lys: vi kan altid se det, hvis vi ser nøje.
Forestil dig nu det samme scenarie, men denne gang vil vi ikke observere en genstand, der falder ned i et sort hul langtfra. Vi vil forestille os os selv i stedet for et faldende objekt. Og i dette tilfælde vil vores fornemmelser være helt forskellige.
Begivenhedshorisonten vokser meget hurtigere efterhånden som rumvarpning end vi forventede. Rummet er så krummet omkring begivenhedshorisonten, at vi begynder at se adskillige billeder af det ydre univers, som om det blev reflekteret og vendt indvendigt og udad.
Og når vi krydser begivenhedshorisonten og kommer ind, ser vi ikke kun det ydre univers, men en del af det inde i begivenhedshorisonten. Lyset, vi modtager, skifter til den violette del af spektret, derefter tilbage til det røde, og vi falder uundgåeligt ind i singulariteten. I de sidste øjeblikke virker det ydre rum underligt fladt.
Det fysiske billede af dette fænomen er komplekst, men beregningerne er ganske enkle og ligetil, og de blev strålende udført i en række videnskabelige artikler skrevet i 2000-2010 af Andrew Hamilton fra University of Colorado. Hamilton skabte også en række livlige visualiseringer af det, vi ser, når vi falder i et sort hul baseret på hans beregninger.
Der er mange lektioner, der kan læres af disse resultater, hvoraf mange er modintuitive. Forsøg på at finde ud af dem vil hjælpe os med at ændre vores visuelle opfattelse af rummet. Normalt forestiller vi os rum som en slags bevægelsesfri struktur og tror, at observatøren er faldet et sted inde i det. Inden for begivenhedshorisonten er vi dog konstant på farten. Alt rum er i det væsentlige i bevægelse som et transportbånd. Det bevæger sig konstant og bevæger alt inden i sig selv i retning af singulariteten.
Det bevæger sig alt så hurtigt, at selv hvis vi begynder at accelerere væk fra singulariteten og have en uendelig mængde kraft, vil vi stadig falde mod midten. Lys fra objekter uden for begivenhedshorisonten vil stadig nå os fra alle retninger, men når vi er inde i begivenhedshorisonten, vil vi kun kunne se en del af disse objekter.
Linjen, der definerer grænsen mellem, hvad observatøren ser, kaldes kardiodid i matematik. Komponenten i den største radius af kardioiden berører begivenhedshorisonten, og komponenten i den mindste radius slutter ved singulariteten. Dette betyder, at selv om singulariteten er et punkt, forbinder det ikke uundgåeligt, hvad der passer ind med alt andet. Hvis du og jeg går samtidig til modsatte sider af begivenhedshorisonten, vil vi ikke længere kunne se hinanden efter at have krydset den.
Årsagen hertil ligger i selve universets struktur, som konstant er i bevægelse. Inde i begivenhedshorisonten rejser rummet hurtigere end lys, og derfor kan intet gå ud over det sorte hul. Af samme grund, mens vi er inde i et sort hul, begynder vi at se mærkelige ting, for eksempel mange billeder af det samme objekt.
Du kan forstå dette ved at stille følgende spørgsmål: "Hvor er singulariteten?"
Når vi er inde i begivenhedshorisonten for et sort hul, vil vi efter at have begyndt at bevæge os i enhver retning til sidst begrave os i en enestående. Det er fantastisk, men singulariteten vises i alle retninger! Hvis du bevæger dine fødder fremad og accelererer, ser du dine fødder under dig og over dig på samme tid. Alt dette er ganske let at beregne, selvom et sådant billede ser ud til at være et slående paradoks. I mellemtiden overvejer vi kun en forenklet sag: et sort hul, der ikke roterer.
Det første fotografi af et sort hul og dets fyrige glorie.
Lad os komme ned på det morsomste med hensyn til fysik og se på et sort hul, der roterer. Sorte huller skylder deres materiale til materie, såsom stjerner, der konstant roterer med den ene eller den anden hastighed. I vores univers (og generelt relativitet) er drejningsmomentet en bevaret egenskab ved ethvert lukket system, og der er ingen måde at slippe af med. Når aggreget af materie krymper til en radius, der er mindre end hændelseshorisontens radius, bliver rotationsmomentet, som masse, fanget og fanget inde.
Løsningen er meget mere kompliceret her. Einstein fremsatte sin relativitetsteori i 1915, og Karl Schwarzschild fik løsningen for et ikke-roterende sort hul i begyndelsen af 1916, det vil sige et par måneder senere. Men det næste trin i realistisk modellering af dette problem - i betragtning af at et sort hul ikke kun har masse, men også drejningsmoment - blev først taget i 1963 af Roy Kerr, der fandt en løsning.
Der er nogle grundlæggende og vigtige forskelle mellem Schwarzschilds noget naive og enkle løsning og Kerrs mere realistiske og komplekse løsning. Her er nogle overraskende forskelle:
1. I stedet for en enkelt løsning på spørgsmålet om, hvor begivenhedshorisonten er, har et roterende sort hul to matematiske løsninger: en indre og ydre begivenhedshorisont.
2. Ud over den ydre begivenhedshorisont er der et sted, der kaldes ergosfæren, hvor selve rummet bevæger sig med en vinkelhastighed, der er lig med lysets hastighed, og partikler, der kommer ind i den, får kolossal acceleration.
3. Der er et maksimalt tilladeligt moment / masseforhold. Hvis drejningsmomentet er for stort, udsender det sorte hul denne energi (gennem gravitationsstråling), indtil forholdet vender tilbage til det normale.
4. Og det mest slående er, at singulariteten i midten af det sorte hul ikke længere er et punkt, men snarere en endimensionel ring, hvor ringens radius bestemmes af det sorte huls masse og rotationsmoment.
Når vi kender alt dette, kan vi forstå, hvad der sker, når vi kommer ind i et roterende sort hul? Ja, det samme som at gå ind i et ikke-roterende sort hul, bortset fra at rummet ikke opfører sig som om det falder ind i en central singularitet. Rummet opfører sig som om det trækkes rundt i omkredsen i rotationsretningen. Det ligner en boblebad. Jo større forholdet mellem rotationsbevægelse og masse er, jo hurtigere sker rotationen.
Dette betyder, at hvis vi ser noget falde indad, vil vi bemærke, hvordan dette noget bliver rødt og gradvist forsvinder, men ikke kun. Det er komprimeret og bliver til en ring eller en disk i rotationsretningen. Hvis vi kommer ind, bliver vi cirkuleret som på en gal karrusel, der suges ind i midten. Og når vi når singulariteten, vil det være i form af en ring. Forskellige dele af vores krop falder i en enestående karakter på den indre ergosoverflade af Kerr-sorte hul i forskellige rumlige koordinater. Når vi nærmer os singulariteten inden for begivenhedshorisonten, mister vi gradvist evnen til at se andre dele af vores krop.
Den vigtigste information, der trækkes ud af alt dette, er, at selve strukturen i rummet er i bevægelse; og begivenhedshorisonten er defineret som det sted, hvor du, selv med evnen til at rejse ved grænsen for den højeste kosmiske hastighed, som er lysets hastighed og i enhver retning, altid vil snuble over en singularitet.
Andrew Hamiltons gengivelser er de bedste og mest videnskabeligt nøjagtige simuleringer af, hvad der sker, når du rammer et sort hul. De er så counterintuitive og så paradoksale, at jeg kun kan anbefale dig en ting: se dem igen og igen, indtil du narrer dig selv til at tro, at du forstår dem. Dette er et vidunderligt og fantastisk syn. Og hvis ånden til eventyrlystne i dig er så stærk, at du beslutter at gå ind i et sort hul og komme ind i begivenhedshorisonten, vil dette være den sidste ting, du ser!
Ethan Siegel