Kakšen je občutek, da padeš v vrtečo se črno luknjo? Tega je nemogoče opazovati, vendar lahko izračunaš … Vprašanje je izredno zanimivo, znanost pa mu zna odgovoriti, saj so lastnosti črnih lukenj znane, piše Forbes. Zdravnik astrofizike je govoril z mnogimi ljudmi, ki so delali tovrstne izračune, in se mudi, da bi spregovoril o izjemno zanimivih ugotovitvah, podkrepljenih s številnimi vizualizacijami.
Obstaja veliko groznih načinov, s katerimi lahko vesolje nekaj uniči. V vesolju, če poskušate zadržati dih, bodo pljuča eksplodirala. In če izdihnete ves zrak do zadnje molekule, potem se po nekaj sekundah izklopite. Ponekod v vesolju se boste spremenili v led, ko toplota zapusti vaše telo; na drugih mestih je tako vroče, da se bodo vaši atomi spremenili v plazmo. Ko pa razmislim, kako se lahko vesolje znebi mene (ali tebe), si ne predstavljam bolj očarljivega pogleda, kot pa bi šel v črno luknjo. Znanstvenik Heino Falcke, ki sodeluje pri projektu Event Horizon Telescope, je istega mnenja. Sprašuje:
Kakšen je občutek, da padeš v vrtečo se črno luknjo? To je nemogoče opazovati, vendar je mogoče izračunati … Pogovarjal sem se z mnogimi ljudmi, ki so naredili take izračune, vendar se postaram in začnem veliko pozabljati.
To vprašanje je izjemno zanimivo in znanost mu zna odgovoriti. Naj jo vprašamo.
Po naši teoriji gravitacije, Einsteinovi splošni teoriji relativnosti, obstajajo le tri značilnosti, ki določajo lastnosti črne luknje. Tukaj so:
1. Masa ali skupna količina snovi in ustrezna količina energije (izračunana po formuli E = mc2), ki je bila porabljena za nastanek in rast črne luknje v njenem trenutnem stanju.
2. Naboj ali celoten električni naboj, ki nastane v črni luknji iz vseh pozitivno in negativno nabitih predmetov, ki tam padejo v času njegovega obstoja.
3. Kotni moment ali vrtilni moment, ki meri skupno količino rotacijskega gibanja črne luknje.
Promocijski video:
Realno gledano morajo imeti vse črne luknje v vesolju veliko maso, velik navor in zanemarljiv naboj. To stvari zelo zaplete.
Če pomislimo na črno luknjo, jo predstavljamo v poenostavljeni obliki, značilno le po masi. Ima obzorje dogodkov okoli ene same točke (singularnosti) in območja, ki obdaja to točko, iz katere svetloba ne more uiti. To območje ima obliko popolne krogle in mejo, ki ločuje območja, ki lahko oddajajo svetlobo, in tista, ki tega ne. Ta meja je obzorje dogodkov. Obzorje dogodkov se nahaja na zelo specifični in enaki razdalji (polmer Schwarzschilda) od singularnosti v vseh smereh.
To je poenostavljen opis prave črne luknje. Toda bolje je začeti s fizičnimi pojavi, ki se pojavljajo na dveh določenih lokacijah: zunaj obzorja dogodka in znotraj obzorja dogodka.
Izven obzorja dogodkov se gravitacija obnaša kot običajno. Prostor je ukrivljen s prisotnostjo te mase, ki daje vsem objektom v vesolju pospešek v smeri osrednje singularnosti. Če začnemo na veliki razdalji od počivajoče črne luknje in pustimo, da predmet pade vanjo, kaj vidimo?
Recimo, da lahko ostanemo še vedno. V tem primeru bomo videli, kako se predmet počasi, a s pospeševanjem odmika od nas, premika proti tej črni luknji. Pospešuje proti obzorju dogodkov, hkrati pa ohranja svojo barvo. Toda potem se zgodi nekaj čudnega. Zdi se, da se predmet upočasni, zbledi in zamegli, nato pa postaja vedno bolj rdeč. Vendar ne izgine popolnoma. Namesto tega se zdi, da se približuje temu stanju izginotja: postaja manj izrazit, bolj rdeč in ga je vedno težje zaznati. Obzorje dogodkov je kot asimptota svetlobe predmeta: vedno ga lahko vidimo, če natančno pogledamo.
Zdaj si predstavljajte isti scenarij, vendar tokrat ne bomo opazovali predmeta, ki bi od daleč padel v črno luknjo. Predstavljali se bomo na mestu padajočega predmeta. In v tem primeru bodo naše občutke povsem drugačne.
Obzorje dogodkov raste veliko hitreje, ko se razmika vesolje, kot smo pričakovali. Prostor je tako ukrivljen okoli dogodkovnega obzorja, da začnemo videti številne podobe zunanjega vesolja, kot da se odseva in obrača navznoter.
Ko prečkamo obzorje dogodkov in vstopimo v notranjost, vidimo ne samo zunanje vesolje, temveč del njega znotraj obzorja dogodka. Svetloba, ki jo prejmemo, se preusmeri v vijolični del spektra, nato nazaj v rdeč in neizogibno zapademo v singularnost. V zadnjih trenutkih se zdi vesolje čudno ravno.
Fizična slika tega pojava je zapletena, vendar so izračuni precej preprosti in preprosti, briljantno so jih opravili v vrsti znanstvenih člankov, ki jih je v obdobju 2000–2010 napisal Andrew Hamilton z univerze v Koloradu. Hamilton je ustvaril tudi vrsto živih vizualizacij tega, kar vidimo, ko pademo v črno luknjo na podlagi njegovih izračunov.
Iz teh rezultatov se je mogoče naučiti veliko lekcij in veliko jih je kontra intuitivnih. Če jih skušamo ugotoviti, nam bo pomagal spremeniti vizualno dojemanje prostora. Običajno si predstavljamo prostor kot nekakšno negibno strukturo in mislimo, da je opazovalec padel nekje v njem. Vendar smo znotraj dogodkovnega obzorja nenehno v gibanju. Ves prostor je v bistvu v gibanju kot po tekočem traku. Neprestano se giblje, premika vse v sebi v smeri singularnosti.
Vse se premika tako hitro, da četudi začnemo pospeševati stran od singularnosti, neomejeno veliko sile, bomo še vedno padli proti središču. Svetloba iz predmetov zunaj obzorja dogodka nam bo še vedno segla iz vseh smeri, mi pa, ki smo znotraj dogodkovnega obzorja, bomo lahko videli le del teh predmetov.
Črta, ki določa mejo med tem, kar opazovalec vidi, se v matematiki imenuje kardiodid. Sestavni del največjega polmera kardioida se dotika obzorja dogodka, komponenta najmanjšega polmera pa se konča pri singularnosti. To pomeni, da čeprav je singularnost točka, pa neizogibno ne povezuje tistega, kar sodi k vsem drugim. Če se skupaj s hkratno odpravimo na nasprotne strani obzorja dogodkov, potem po prečkanju ne bomo več mogli videti.
Razlog za to je v strukturi samega Vesolja, ki je nenehno v gibanju. Znotraj dogodkovnega obzorja prostor potuje hitreje kot svetloba in zato nič ne more preseči črne luknje. Iz istega razloga v črni luknji začnemo videti čudne stvari, na primer številne slike istega predmeta.
To lahko razumete tako, da postavite naslednje vprašanje: "Kje je singularnost?"
Ko se nahajamo v obzorju črne luknje, se bomo, ko bomo začeli premikati v katero koli smer, pokopali v edinstvenost. Neverjetno je, a singularnost se pojavlja v vseh smereh! Če premikate noge naprej in pospešujete, boste hkrati videli noge pod vami in nad sabo. Vse to je enostavno izračunati, čeprav se zdi taka slika presenetljiv paradoks. Medtem razmišljamo le o poenostavljenem primeru: črni luknji, ki se ne vrti.
Prva fotografija črne luknje in njenega ognjenega haloa.
Zdaj pa se spustimo k najbolj smešni stvari v smislu fizike in poglejmo črno luknjo, ki se vrti. Črne luknje so dolžne svojemu sistemu snovi, kot so zvezde, ki se nenehno vrtijo z eno ali drugo hitrostjo. V našem vesolju (in na splošno relativnost) je navor ohranjena lastnost katerega koli zaprtega sistema in se ga ni mogoče znebiti. Ko se agregat snovi skrči na polmer, ki je manjši od polmera dogodkovnega obzorja, je rotacijski moment, podobno kot masa, ujet in ujet v notranjost.
Tu je rešitev veliko bolj zapletena. Einstein je svojo teorijo relativnosti predstavil leta 1915, Karl Schwarzschild pa je rešitev za nepovratno črno luknjo dobil v začetku leta 1916, torej nekaj mesecev pozneje. Naslednji korak v realističnem modeliranju tega problema - glede na to, da črna luknja nima le mase, ampak tudi navora - je leta 1963 sprejel Roy Kerr, ki je našel rešitev.
Obstaja nekaj temeljnih in pomembnih razlik med nekoliko naivno in preprosto rešitev Schwarzschilda in Kerrinovo bolj realistično in kompleksno rešitev. Tu je nekaj presenetljivih razlik:
1. Namesto ene same rešitve vprašanja, kje je obzorje dogodka, ima vrtljiva črna luknja dve matematični rešitvi: notranji in zunanji horizont dogodkov.
2. Za zunanjim horizontom dogodkov je mesto, znano kot ergosfera, kjer se sam prostor premika s kotno hitrostjo, enako hitrosti svetlobe, delci, ki vstopajo vanj, pa dobijo kolosalni pospešek.
3. Obstaja največje dovoljeno razmerje med navorom in maso. Če je vrednost navora prevelika, črna luknja oddaja to energijo (z gravitacijskim sevanjem), dokler se razmerje ne vrne v normalno stanje.
4. In najbolj presenetljivo je, da singularnost v središču črne luknje ni več točka, temveč enodimenzionalni obroč, kjer polmer obroča določa masni in vrtilni moment črne luknje.
Ali poznamo vse to, ali lahko razumemo, kaj se zgodi, ko zaidemo v vrtečo se črno luknjo? Da, enako kot vstop v črno luknjo, ki se ne vrti, le da se prostor ne obnaša, kot da pada v osrednjo posebnost. Prostor se obnaša, kot da se vleče po obodu v smeri vrtenja. Videti je kot vrtinec. Večje kot je razmerje med rotacijskim gibanjem in maso, hitrejša je rotacija.
To pomeni, da če vidimo, da nekaj pade navznoter, bomo opazili, kako se to nekaj obarva rdeče in postopoma izgine, vendar ne samo to. Stisnjen je in se v smeri vrtenja spremeni v obroč ali disk. Če pridemo notri, nas bo krožilo kot na norem vrtiljaku, vsesanem v sredino. In ko dosežemo singularnost, bo v obliki obroča. Različni deli našega telesa bodo padli v posebnost na notranji ergo površini Kerrove črne luknje v različnih prostorskih koordinatah. Ko se bomo približali singularnosti znotraj dogodkovnega obzorja, bomo postopoma izgubljali sposobnost videnja drugih delov svojega telesa.
Najpomembnejše informacije iz vsega tega so, da je sama struktura prostora v gibanju; in horizont dogodkov je opredeljen kot kraj, kjer se boste, tudi s sposobnostjo potovanja z mejo največje kozmične hitrosti, ki je hitrost svetlobe, in v kateri koli smeri, vedno spotaknili v edinstvenost.
Upodobitve Andrewa Hamiltona so najboljše in najbolj znanstveno natančne simulacije, kaj se zgodi, ko udariš v črno luknjo. So tako kontratuktivni in tako paradoksalni, da vam lahko priporočam samo eno stvar: pazite jih vedno znova, dokler se ne zavedete, da bi jih razumeli. To je čudovit in fantastičen prizor. In če je duh avanturizma v vas tako močan, da se odločite, da boste šli v črno luknjo in se podali v obzorje dogajanja, bo to zadnja stvar, ki jo vidite!
Ethan Siegel