Universum förstör något på olika sätt. Om du försöker hålla andan i rymden exploderar lungorna; om du andas in varje luftmolekyl istället förlorar du medvetandet. På vissa platser fryser du efter att du tappat det sista av din kroppsvärme; andra kommer att vara så heta att atomerna i din kropp förvandlas till plasma. Men av alla sätt universum blir av med föremål, är det roligaste att skicka det in i ett svart hål.
Vad är utöver evenemangshorisonten?
Enligt vår gravitationsteori - Einsteins allmänna relativitetsteori - bestäms egenskaperna hos ett svart hål av tre saker. Nämligen:
- Massa, eller den totala mängden materia och motsvarande mängd energi (enligt formeln E = mc2), som går till bildandet och tillväxten av ett svart hål till dess nuvarande tillstånd.
- Laddning, eller den totala elektriska laddningen som finns i ett svart hål från alla positivt och negativt laddade föremål som föll in i det svarta hålet i hela dess livshistoria.
- Vinkelmoment (moment) eller snurra, som är ett mått på den totala mängden rotationsrörelse som ett svart hål har av naturen.
I verkligheten måste alla svarta hål som fysiskt finns i vårt universum ha stora massor, betydande mängder av vinkelmoment och försumbara laddningar. Detta gör situationen extremt svår.
När vi vanligtvis föreställer oss ett svart hål, föreställer vi oss en enkel version av det, som endast beskrivs av dess massa. Den har en händelseshorisont som omger en punkt och ett område som omger den punkten, utöver vilken ljus inte kan gå. Detta område är fullständigt sfäriskt och har en gräns som separerar områden från vilka ljus kan komma ut och från vilket det inte kan: händelseshorisonten. Händelseshorisonten ligger på ett visst avstånd (Schwarzschildradie) från singulariteten i alla riktningar samtidigt.
Kampanjvideo:
Detta är en förenklad version av ett realistiskt svart hål, men ett bra ställe att börja tänka på fysik som äger rum på två olika platser: bortom händelseshorisonten och inuti händelseshorisonten.
Utanför händelseshorisonten uppträder tyngdekraften som du normalt förväntar dig. Rymden böjer sig i närvaro av massa, vilket får varje objekt i universum att accelerera mot den centrala singulariteten. Om du var på ett stort avstånd från ett svart hål i vila och låter ett föremål falla i det, vad skulle du se?
Antagande att du har lyckats hålla dig stilla, kommer du att se det fallande objektet långsamt accelerera från dig mot detta svarta hål. Det kommer att accelerera mot händelseshorisonten, varefter något konstigt kommer att hända. Det verkar för dig att det bromsar ner, bleknar och blir rödare. Men det försvinner inte helt. Det kommer bara närma sig det: det blir tråkigt, rött och svårare att upptäcka. Du kan alltid se det om du tittar nog noggrant.
Låt oss nu föreställa oss samma scenario, men den här gången låt oss föreställa oss att du är samma objekt som faller i ett svart hål. Upplevelsen blir helt annorlunda.
Händelseshorisonten kommer att bli större mycket snabbare än du förväntat dig när utrymmeskurvan blir starkare. Utrymmet är så krökt runt händelseshorisonten att du kommer att se många bilder av universum, som är från utsidan, som om det återspeglas och vändas.
Och när du väl har kommit över händelseshorisonten kommer du inte bara fortfarande att kunna se det yttre universum, utan en del av universumet inom händelseshorisonten. Under de sista stunderna kommer utrymmet att se helt platt ut.
Vad finns i ett svart hål?
Fysiken i allt detta är komplex, men beräkningarna är ganska enkla och mest elegant gjorda av Andrew Hamilton från University of Colorado i en serie papper från slutet av 2000-talet och början av 2010-talet. Hamilton skapade också en serie imponerande återgivningar av vad du kommer att se falla i ett svart hål baserat på dessa beräkningar.
Efter att ha granskat dessa resultat kan vi dra ett antal slutsatser, av vilka många är ologiska. För att försöka känna till dem måste du ändra hur du representerar rymden. Vi tänker vanligtvis på det som ett orörligt tyg och tror att observatören "faller" någonstans. Men inom evenemangshorisonten är du alltid på väg. Rymden rör sig - som ett löpband - kontinuerligt och flyttar allt i sig mot singulariteten.
Och det rör sig allt så snabbt att även om du accelererar direkt från singulariteten med oändlig kraft kommer du fortfarande att falla mot mitten. Objekt bortom händelseshorisonten kommer fortfarande att skicka dig ljus från alla riktningar, men du kommer bara att kunna se en bråkdel av objekten bortom händelseshorisonten.
Linjen som definierar gränsen mellan vad varje observatör kan se beskrivs matematiskt av kardioiden, där komponenten med den största radien berör händelseshorisonten och komponenten med den minsta radien är vid singulariteten. Detta innebär att en singularitet, även som en punkt, inte nödvändigtvis förbinder allt som faller i det med allt annat. Om du och jag faller in i händelseshorisonten från olika riktningar på samma gång, kommer vi aldrig se varandras ljus efter att händelseshorisonten har korsats.
Anledningen till detta är det ständigt rörliga tyget i själva universumet. Inuti händelseshorisonten rör sig rymden snabbare än ljus, så ingenting kan fly från det svarta hålet. Det är därför du börjar se konstiga saker som flera bilder av samma objekt när du träffar ett svart hål.
Du kan förstå detta genom att ställa frågan: var är singulariteten?
Från händelshorisonten för svart hål, oavsett vilken riktning du rör dig, möter du själva singulariteten. Därför, konstigt nog, visas singulariteten i alla riktningar. Om dina ben pekar i accelerationsriktningen ser du dem framför dig, men också ovanför dig. Allt detta är lätt att beräkna, om än extremt ologiskt. Och det är bara för ett förenklat fall: ett icke-roterande svart hål.
Låt oss nu gå vidare till det fysiskt intressanta fallet: när det svarta hålet roterar. Svarta hål är skyldiga sitt system till materie - som stjärnor - som alltid roterar på någon nivå. I vårt universum (och i allmänhet relativitet) är vinkelmoment den absoluta slutna mängden för alla slutna system; det finns inget sätt att bli av med det. När materialets sammanlagda kollapsar till en radie som är mindre än händelshorisontens radie, fångas vinkelmomentet inuti det, precis som massan.
Lösningen vi har här kommer att bli mycket mer komplicerad. Einstein presenterade allmän relativitet 1915, och Karl Schwarzschild fick en lösning för ett icke-roterande svart hål ett par månader senare, i början av 1916. Men nästa steg i att modellera detta problem på ett mer realistiskt sätt - där det svarta hålet har vinkelmoment, inte bara massa - togs först 1963, när Roy Kerr fann den exakta lösningen 1963.
Det finns flera grundläggande och viktiga skillnader mellan Schwarzschilds mer naiva och enklare lösning och Kerrs mer realistiska och komplexa lösning. Bland dem:
- I stället för ett enda beslut om var händelseshorisonten har, har ett roterande svart hål två matematiska lösningar: en inre och yttre händelseshorisont.
- Utöver till och med den yttre händelseshorisonten finns det en plats som kallas ergosfären, där själva rymden rör sig med en rotationshastighet som är lika med ljusets hastighet, och partiklarna i den upplever enorma accelerationer.
- Det finns ett maximalt tillåtet förhållande mellan vinkelmoment och massa; om drivkraften är för stark, kommer det svarta hålet att stråla ut denna energi (genom gravitationsstrålning) tills det sjunker till gränsen.
- Och det mest intressanta: singulariteten i mitten av det svarta hålet är inte längre en punkt, utan en endimensionell ring, vars radie bestäms av det svarta hålets massa och vinkelmoment.
Med allt detta i åtanke, vad händer när du träffar ett svart hål? Ja, det är detsamma som vad som händer om du hamnar i ett icke-roterande svart hål, förutom att allt utrymme inte beter sig som om det faller mot den centrala singulariteten. I stället uppträder rymden också som om den rör sig längs rotationsriktningen, som en virvlande tratt. Ju större förhållandet vinkelmoment till massa är, desto snabbare roterar det.
Detta innebär att om du ser något falla i ett svart hål, kommer du att se att det blir mörkare och rödare, men också smetat in i en ring eller skiva i rotationsriktningen. Om du faller i ett svart hål, blir du snurrad som en karusell som drar dig mot mitten. Och när du når singulariteten kommer det att vara en ring; olika delar av din kropp möter en singularitet - på den inre ergosytan på Kerr svarta hålet - i olika rumsliga koordinater. Du kommer gradvis att sluta se andra delar av din egen kropp.
Det viktigaste som du måste förstå av allt detta är att rymdmaterialet i sig är i rörelse, och händelseshorisonten definieras som en plats där även om du rör dig med ljusets hastighet, oavsett vilken riktning du väljer, kommer du oundvikligen att kollidera med en singularitet.
Andrew Hamiltons visualiseringar är de bästa och mest exakta modellerna av vad som händer när du hamnar i ett svart hål, och så ologiskt att de måste ses om och om igen tills du börjar förstå något (du börjar inte riktigt). Det är läskigt och vackert, och om du är äventyrlig nog att någonsin flyga in i ett svart hål och korsa evenemangshorisonten, kommer detta att vara det sista du någonsin sett.
Ilya Khel
