Universet ødelægger noget på forskellige måder. Hvis du prøver at holde vejret i rummet, eksploderer dine lunger; hvis du indånder hvert luftmolekyle i stedet, mister du bevidstheden. Nogle steder fryser du efter at have mistet den sidste af din kropsvarme; andre vil være så varme, at atomerne i din krop bliver til plasma. Men af alle måder, hvor universet slipper af med genstande, er det sjoveste at sende det ind i et sort hul.
Hvad er der ud over begivenhedshorisonten?
I henhold til vores teori om tyngdekraft - Einsteins generelle relativitetsteori - bestemmes egenskaberne ved et sort hul af tre ting. nemlig:
- Masse eller den samlede mængde stof og den ækvivalente mængde energi (ifølge formlen E = mc2), der går til dannelsen og væksten af et sort hul til dets nuværende tilstand.
- Ladning eller den samlede elektriske ladning, der findes i et sort hul fra alle positive og negativt ladede genstande, der faldt ned i det sorte hul i hele dets historie.
- Vinkelmoment (øjeblik) eller spin, som er et mål for den samlede mængde rotationsbevægelse, som et sort hul har af naturen.
I virkeligheden skal alle sorte huller, der fysisk findes i vores univers, have store masser, betydelige mængder af vinkelmoment og ubetydelige ladninger. Dette gør situationen ekstremt vanskelig.
Når vi normalt forestiller os et sort hul, forestiller vi os en simpel version af det, som kun er beskrevet af dens masse. Det har en begivenhedshorisont, der omgiver et punkt, og et område, der omgiver dette punkt, ud over hvilket lys ikke kan gå. Dette område er fuldstændig sfærisk og har en grænse, der adskiller områder, hvorfra lys kan flygte, og hvorfra det ikke kan: begivenhedshorisonten. Begivenhedshorisonten er i en bestemt afstand (Schwarzschild radius) fra singulariteten i alle retninger samtidigt.
Salgsfremmende video:
Dette er en forenklet version af et realistisk sort hul, men et godt sted at begynde at tænke på fysik, der finder sted to forskellige steder: ud over begivenhedshorisonten og inde i begivenhedshorisonten.
Uden for begivenhedshorisonten opfører tyngdekraften sig, som man normalt kunne forvente. Rum bøjer sig i nærvær af masse, hvilket får enhver genstand i universet til at accelerere mod den centrale singularitet. Hvis du var i en stor afstand fra et sort hul i hvile og lader en genstand falde ned i det, hvad ville du så?
Hvis du antager, at du har formået at holde stille, vil du se det faldende objekt langsomt accelerere fra dig mod dette sorte hul. Det vil accelerere mod begivenhedshorisonten, hvorefter der sker noget underligt. Det ser ud til, at det bremser ned, falmer ud og bliver rødere. Men det forsvinder ikke helt. Det vil kun komme tættere på det: det bliver kedeligt, rødt og vanskeligere at opdage. Du kan altid se det, hvis du ser nok ud.
Lad os forestille os det samme scenarie, men lad os nu forestille os, at du er det samme objekt, der falder ned i et sort hul. Oplevelsen vil være helt anderledes.
Begivenhedshorisonten vil blive større meget hurtigere, end du forventede, når rumets krumning bliver stærkere. Rummet er så krummet omkring begivenhedshorisonten, at du vil se mange billeder af universet, der er udefra, som om det blev reflekteret og vendt.
Når du først har krydset begivenhedshorisonten, vil du ikke kun stadig kunne se det ydre univers, men en del af universet inden for begivenhedshorisonten. I de sidste øjeblikke vil rummet se helt fladt ud.
Hvad er der i et sort hul?
Fysikken i alt dette er kompleks, men beregningerne er ret enkle og mest elegant udført af Andrew Hamilton fra University of Colorado i en række papirer fra slutningen af 2000'erne og begyndelsen af 2010'erne. Hamilton skabte også en række imponerende gengivelser af, hvad du vil se falde ned i et sort hul baseret på disse beregninger.
Efter at have undersøgt disse resultater kan vi drage en række konklusioner, hvoraf mange er ulogiske. For at prøve at give mening om dem, skal du ændre den måde, du repræsenterer plads på. Vi tænker normalt på det som et ubevægeligt stof og synes, at observatøren "falder" et eller andet sted. Men inden for begivenhedshorisonten er du altid på farten. Rum bevæger sig - som en løbebånd - kontinuerligt og bevæger alt i sig selv mod singulariteten.
Og det bevæger sig alt så hurtigt, at selv hvis du accelererer direkte fra singulariteten med uendelig kraft, vil du stadig falde mod midten. Objekter ud over begivenhedshorisonten vil stadig sende dig lys fra alle retninger, men du vil kun være i stand til at se en brøkdel af objekterne ud over begivenhedshorisonten.
Linjen, der definerer grænsen mellem hvad enhver observatør kan se, er matematisk beskrevet af kardioiden, hvor komponenten med den største radius berører begivenhedshorisonten og komponenten med den mindste radius er ved singulariteten. Dette betyder, at en entydighed, selv som et punkt, ikke nødvendigvis forbinder alt, hvad der falder i det med alt andet. Hvis du og jeg falder ind i begivenhedshorisonten fra forskellige retninger på samme tid, vil vi aldrig se hinandens lys, når begivenhedshorisonten krydser.
Årsagen til dette er det konstant bevægende stof i selve universet. Inde i begivenhedshorisonten bevæger rum sig sig hurtigere end lys, så intet kan undslippe fra det sorte hul. Derfor når du rammer et sort hul, begynder du at se mærkelige ting som flere billeder af det samme objekt.
Du kan forstå dette ved at stille spørgsmålet: hvor er singulariteten?
Fra den sorte hul begivenhedshorisont, uanset hvilken retning du bevæger dig, ender du op med selve singulariteten. Derfor, mærkeligt nok, vises singulariteten i alle retninger. Hvis dine ben peger i accelerationsretningen, vil du se dem foran dig, men også over dig. Alt dette er let at beregne, omend ekstremt ulogisk. Og det er bare for en forenklet sag: et ikke-roterende sort hul.
Lad os nu gå videre til det fysisk interessante tilfælde: når det sorte hul roterer. Sorte huller skylder deres oprindelse til systemer af stof - som stjerner - der altid roterer på et eller andet niveau. I vores univers (og i generel relativitet) er vinkelmomentum den absolutte lukkede mængde for ethvert lukket system; der er ingen måde at slippe af med. Når aggreget af materie kollapser til en radius, der er mindre end radius for begivenhedshorisonten, er det vinkelmoment fanget inde i det, ligesom masse.
Den løsning, vi har her, vil være meget mere kompliceret. Einstein præsenterede generel relativitet i 1915, og Karl Schwarzschild fik en løsning på et ikke-roterende sort hul et par måneder senere, i begyndelsen af 1916. Men det næste trin i modellering af dette problem på en mere realistisk måde - hvor det sorte hul har vinkelmoment, ikke bare masse - blev først taget i 1963, da Roy Kerr fandt den nøjagtige løsning i 1963.
Der er flere grundlæggende og vigtige forskelle mellem Schwarzschilds mere naive og enklere løsning og Kerrs mere realistiske og komplekse løsning. Blandt dem:
- I stedet for en enkelt beslutning om hvor begivenhedshorisonten er, har et roterende sort hul to matematiske løsninger: en indre og ydre begivenhedshorisont.
- Ud over selv den ydre begivenhedshorisont er der et sted kendt som ergosfæren, hvor rummet i sig selv bevæger sig med en rotationshastighed, der er lig med lysets hastighed, og partiklerne deri oplever enorme accelerationer.
- Der er et maksimalt tilladeligt forhold mellem vinkelmoment og masse; hvis momentumet er for stærkt, vil det sorte hul udstråle denne energi (gennem gravitationsstråling), indtil det falder til grænsen.
- Og den mest interessante ting: singulariteten i midten af det sorte hul er ikke længere et punkt, men en endimensionel ring, hvis radius bestemmes af det sorte huls masse og vinkelmoment.
Med alt dette i tankerne, hvad sker der, når du rammer et sort hul? Ja, det er det samme som hvad der sker, hvis du falder ned i et ikke-roterende sort hul, bortset fra at al plads ikke opfører sig som om den falder mod den centrale singularitet. I stedet opfører rum sig også som om det bevæger sig i rotationsretningen, som en virvlende tragt. Jo større forholdet mellem vinkelmoment og masse er, jo hurtigere roterer det.
Dette betyder, at hvis du ser noget falde ned i et sort hul, vil du se, at det bliver lysere og rødere, men også smurt ind i en ring eller en disk i rotationsretningen. Hvis du falder ned i et sort hul, bliver du spundet som en karrusel, der trækker dig mod midten. Og når du når singulariteten, vil det være en ring; forskellige dele af din krop møder en enestående - på den indre ergosoverflade af Kerr sorte hul - i forskellige rumlige koordinater. Du vil gradvist holde op med at se andre dele af din egen krop.
Den vigtigste ting, du har brug for at forstå af alt dette, er, at rummet i sig selv er i bevægelse, og begivenhedshorisonten er defineret som et sted, hvor du, selvom du bevæger dig med lysets hastighed, uanset hvilken retning du vælger, uundgåeligt vil kollidere med en enestående.
Andrew Hamiltons visualiseringer er de bedste og mest præcise modeller af, hvad der sker, når du falder ned i et sort hul, og så ulogisk, at de skal ses igen og igen, indtil du begynder at forstå noget (du ikke virkelig begynder). Det er uhyggeligt og smukt, og hvis du er eventyrlysten nok til nogensinde at flyve ind i et sort hul og krydse begivenhedshorisonten, vil dette være den sidste ting, du nogensinde har set.
Ilya Khel