Hur känns det att falla i ett snurrande svart hål? Det är omöjligt att observera detta, men du kan beräkna … Frågan är oerhört intressant, och vetenskapen kan svara på det, eftersom egenskaperna hos svarta hål är kända, skriver Forbes. Läkaren för astrofysik talade med många människor som gjorde sådana beräkningar och har bråttom att prata om de extremt intressanta fynden, med stöd av ett antal visualiseringar.
Det finns många fruktansvärda sätt på vilka universum kan förstöra något. I rymden, om du försöker hålla andan, exploderar lungorna. Och om du andas ut all luft ner till den sista molekylen, stäng av efter några sekunder. På vissa platser i universum förvandlas du till is när värmen lämnar din kropp; på andra platser är det så varmt att dina atomer förvandlas till plasma. Men när jag funderar på hur universum kan bli av med mig (eller dig) kan jag inte föreställa mig en mer fascinerande syn än att gå in i ett svart hål. Forskaren Heino Falcke, som arbetar med projektet Event Horizon Telescope, är av samma åsikt. Han frågar:
Hur känns det att falla i ett snurrande svart hål? Det är omöjligt att observera detta, men det är möjligt att beräkna … Jag har pratat med många människor som har gjort sådana beräkningar, men jag blir gammal och börjar glömma mycket.
Denna fråga är oerhört intressant och vetenskapen kan svara på den. Låt oss fråga henne.
Enligt vår gravitationsteori, Einsteins allmänna relativitetsteori, finns det bara tre egenskaper som bestämmer egenskaperna hos ett svart hål. Här är de:
1. Massa, eller den totala mängden materia och motsvarande mängd energi (beräknat med formeln E = mc2), som spenderades på bildandet och tillväxten av det svarta hålet i dess nuvarande tillstånd.
2. Laddningen eller den totala elektriska laddningen som uppstår i ett svart hål från alla positivt och negativt laddade föremål som faller där under dess existens.
3. Vinkelmomentet, eller rotationsmomentet, som mäter den totala mängden rotationsrörelse för ett svart hål.
Kampanjvideo:
Realistiskt måste alla svarta hål i universum ha en stor massa, betydande vridmoment och försumbar laddning. Detta komplicerar saker mycket.
Tänker vi på ett svart hål, representerar vi det i en förenklad form, kännetecknar endast av massa. Den har en händelseshorisont runt en enda punkt (singularitet), liksom ett område som omger denna punkt, från vilken ljus inte kan fly. Detta område har formen av en perfekt sfär och en gräns som separerar områden som kan avge ljus och de som inte gör det. Denna gräns är händelseshorisonten. Händelseshorisonten är belägen på ett mycket specifikt och lika avstånd (Schwarzschild-radien) från singulariteten i alla riktningar.
Detta är en förenklad beskrivning av ett riktigt svart hål. Men det är bättre att börja med fysiska fenomen som inträffar på två specifika platser: utanför händelseshorisonten och inuti händelseshorisonten.
Utöver händelseshorisonten uppträder gravitationen som vanligt. Rymden är krökt av närvaron av denna massa, vilket ger alla objekt i universum en acceleration i riktning mot den centrala singulariteten. Om vi börjar på ett stort avstånd från det vilande svarta hålet och låter föremålet falla i det, vad ser vi då?
Anta att vi kan stanna kvar. I det här fallet kommer vi att se hur objektet sakta går men med acceleration som rör sig bort från oss och rör oss mot detta svarta hål. Det accelererar mot händelseshorisonten och behåller dess färg. Men då händer något konstigt. Objektet verkar sakta ner, bleka ut och oskärpa och blir mer och mer rött. Men det försvinner inte helt. Istället verkar det närma sig detta tillstånd: det blir mindre tydligt, mer rött och det är mer och svårare att upptäcka det. Händelseshorisonten är som asymptot för ett objekts ljus: vi kan alltid se det om vi tittar noga.
Föreställ dig nu samma scenario, men den här gången kommer vi inte att observera ett föremål som faller ner i ett svart hål på avstånd. Vi kommer att föreställa oss själva på platsen för ett fallande objekt. Och i det här fallet kommer våra upplevelser att vara helt annorlunda.
Händelseshorisonten växer mycket snabbare när rymd varp än vi förväntat oss. Rymden är så krökt runt händelseshorisonten att vi börjar se många bilder av det yttre universum, som om det återspeglas och vändes inifrån och ut.
Och när vi passerar händelseshorisonten och kommer in, ser vi inte bara det yttre universum, utan en del av det inuti händelseshorisonten. Ljuset vi får flyttar till den violetta delen av spektrumet, sedan tillbaka till det röda, och vi faller oundvikligen i singulariteten. Under de sista stunderna verkar yttre rymden konstigt platt.
Den fysiska bilden av detta fenomen är komplex, men beräkningarna är ganska enkla och enkla, och de utfördes briljant i en serie vetenskapliga artiklar skriven 2000-2010 av Andrew Hamilton från University of Colorado. Hamilton skapade också en serie livliga visualiseringar av det vi ser när vi faller i ett svart hål baserat på hans beräkningar.
Det finns många lärdomar att lära av dessa resultat, och många av dem är motintuitiva. Att försöka räkna ut dem hjälper oss att ändra våra visuella uppfattningar om rymden. Vanligtvis föreställer vi oss rymden som någon form av rörlig struktur och tror att observatören har fallit någonstans inuti det. Men inom evenemangshorisonten är vi ständigt på väg. Allt utrymme är väsentligen i rörelse som ett transportband. Det rör sig ständigt och flyttar allt inom sig själv i riktning mot singulariteten.
Det rör sig allt så snabbt att även om vi börjar accelerera bort från singulariteten, med en oändlig mängd kraft, kommer vi fortfarande att falla mot mitten. Ljus från objekt utanför händelseshorisonten kommer fortfarande att nå oss från alla håll, men vi, som är inne i händelseshorisonten, kommer att kunna se bara en del av dessa objekt.
Linjen som definierar gränsen mellan vad observatören ser kallas kardiodid i matematik. Komponenten i den största radien för kardioiden berör händelseshorisonten, och komponenten i den minsta radien slutar vid singulariteten. Detta betyder att även om singulariteten är en punkt, kopplar den inte nödvändigtvis det som passar in med allt annat. Om du och jag går samtidigt till motsatta sidor av händelseshorisonten, kommer vi inte längre att kunna se varandra efter att ha korsat den.
Anledningen till detta är strukturen i universum självt, som ständigt är i rörelse. Inuti händelseshorisonten reser rymden snabbare än ljus, och därför kan ingenting gå utöver det svarta hålet. Av samma anledning, när vi är inne i ett svart hål, börjar vi se konstiga saker, till exempel många bilder av samma objekt.
Du kan förstå detta genom att ställa följande fråga: "Var är singulariteten?"
När vi är inne i ett svart håls händelsehorisont kommer vi, efter att ha börjat röra oss i någon riktning, så småningom att begrava oss i en singularitet. Det är fantastiskt, men singulariteten visas i alla riktningar! Om du flyttar dina fötter framåt och accelererar ser du dina fötter under dig och ovanför dig samtidigt. Allt detta är ganska lätt att beräkna, även om en sådan bild verkar vara en slående paradox. Samtidigt överväger vi bara ett förenklat fall: ett svart hål som inte roterar.
Det första fotot av ett svart hål och dess eldiga glorie.
Låt oss nu komma till det roligaste med tanke på fysik och titta på ett svart hål som snurrar. Svarta hål är skyldiga sitt ursprung till system av materia, till exempel stjärnor, som ständigt roterar med en eller annan hastighet. I vårt universum (och i allmänhet relativitet) är vridmomentet en bevarad egenskap hos något stängt system, och det finns inget sätt att bli av med det. När materialets sammanlagda krymper till en radie som är mindre än händelshorisontens radie, fångas rotationsmomentet, liksom massan, inuti.
Lösningen är mycket mer komplicerad här. Einstein framförde sin relativitetsteori 1915, och Karl Schwarzschild fick lösningen för ett icke-roterande svart hål i början av 1916, det vill säga ett par månader senare. Men nästa steg i realistisk modellering av detta problem - med tanke på att ett svart hål inte bara har massor utan också vridmoment - togs först 1963 av Roy Kerr, som fann en lösning.
Det finns några grundläggande och viktiga skillnader mellan Schwarzschilds något naiva och enkla lösning och Kerrs mer realistiska och komplexa lösning. Här är några överraskande skillnader:
1. I stället för en enda lösning på frågan om var händelseshorisonten är, har ett roterande svart hål två matematiska lösningar: en inre och yttre händelseshorisont.
2. Bortom den yttre händelseshorisonten finns det en plats som kallas ergosfären, där själva rymden rör sig med en vinkelhastighet som är lika med ljusets hastighet och partiklar som kommer in i den får kolossal acceleration.
3. Det finns ett maximalt tillåtet vridmoment / massförhållande. Om vridmomentets värde är för stort avger det svarta hålet denna energi (genom gravitationsstrålning) tills förhållandet återgår till det normala.
4. Och det mest slående är att singulariteten i mitten av det svarta hålet inte längre är en punkt, utan snarare en endimensionell ring, där ringens radie bestäms av det svarta hålets massa och rotationsmoment.
Om vi vet allt detta, kan vi förstå vad som händer när vi kommer in i ett roterande svart hål? Ja, detsamma som att komma in i ett icke-roterande svart hål, förutom att utrymmet inte uppträder som om det faller in i en central singularitet. Utrymmet beter sig som om det dras runt omkretsen i rotationsriktningen. Det ser ut som en bubbelpool. Ju större förhållande rotationsrörelse och massa är, desto snabbare sker rotationen.
Detta betyder att om vi ser något som faller inåt, kommer vi att märka hur detta blir rött och gradvis försvinner, men inte bara. Den är komprimerad och förvandlas till en ring eller skiva i rotationsriktningen. Om vi kommer in, kommer vi att cirkeln som på en gal karusell, sugade in i mitten. Och när vi når singulariteten kommer det att vara i form av en ring. Olika delar av vår kropp kommer att falla i en singularitet på det inre ergosytan på Kerr svarta hålet i olika rumsliga koordinater. När vi närmar oss singulariteten inifrån händelseshorisonten kommer vi gradvis att förlora förmågan att se andra delar av vår kropp.
Den viktigaste informationen som dras av allt detta är att strukturen i rymden själv är i rörelse; och händelseshorisonten definieras som den plats där du, även med förmågan att resa vid gränsen för den högsta kosmiska hastigheten, som är ljusets hastighet, och i valfri riktning, alltid kommer att snubbla på en singularitet.
Andrew Hamiltons återgivningar är de bästa och mest vetenskapligt noggranna simuleringarna av vad som händer när du träffar ett svart hål. De är så counterintuitive och så paradoxala att jag bara kan rekommendera dig en sak: se dem om och om igen tills du lurar dig att tro att du förstår dem. Detta är en underbar och fantastisk syn. Och om äventyrsandan i dig är så stark att du bestämmer dig för att gå in i ett svart hål och komma in i evenemangshorisonten, kommer detta att vara det sista du ser!
Ethan Siegel
