Jaký je to pocit upadnout do rotující černé díry? Je nemožné to pozorovat, ale můžete spočítat … Otázka je nesmírně zajímavá a věda je schopna na ni odpovědět, protože jsou známy vlastnosti černých děr, píše Forbes. Doktor astrofyziky hovořil s mnoha lidmi, kteří takové výpočty provedli, a spěchá si povídat o mimořádně zajímavých nálezech podporovaných řadou vizualizací.
Existuje mnoho hrozných způsobů, jak vesmír může něco zničit. Pokud se ve vesmíru pokusíte zadržet dech, vaše plíce explodují. A pokud vydechujete veškerý vzduch dolů na poslední molekulu, vypněte po několika sekundách. Na některých místech ve vesmíru se změníte na led, když teplo opouští vaše tělo; na jiných místech je tak horké, že se vaše atomy změní v plazmu. Ale když uvažuji o tom, jak se mě vesmír (nebo vás) může zbavit, nedokážu si představit okouzlující pohled, než jít do černé díry. Stejný názor má vědec Heino Falcke, který pracuje na projektu Event Horizon Telescope. Ptá se:
Jaký je to pocit upadnout do rotující černé díry? Je nemožné to pozorovat, ale je možné vypočítat … Mluvil jsem s mnoha lidmi, kteří takové výpočty provedli, ale stárím a hodně zapomínám.
Tato otázka je nesmírně zajímavá a věda je schopna na ni odpovědět. Zeptej se jí.
Podle naší teorie gravitace, Einsteinovy obecné teorie relativity, existují pouze tři vlastnosti, které určují vlastnosti černé díry. Zde jsou:
1. Hmotnost nebo celkové množství hmoty a odpovídající množství energie (vypočtené podle vzorce E = mc2), které bylo vynaloženo na vytvoření a růst černé díry v jejím současném stavu.
2. Náboj nebo celkový elektrický náboj vznikající v černé díře ze všech pozitivně a negativně nabitých předmětů, které tam během své existence padají.
3. Úhlový moment nebo rotační moment, který měří celkovou velikost rotačního pohybu černé díry.
Propagační video:
Realisticky, všechny černé díry ve vesmíru musí mít velkou hmotnost, významný točivý moment a zanedbatelný náboj. To věci velmi komplikuje.
Když uvažujeme o černé díře, reprezentujeme ji ve zjednodušené podobě, charakterizující pouze hmotu. Má horizont událostí kolem jediného bodu (singularity) a také oblast kolem tohoto bodu, ze které nemůže světlo uniknout. Tato oblast má tvar dokonalé koule a oblasti oddělující hranice, které mohou emitovat světlo, a ty, které nevyzařují. Tato hranice je horizontem události. Horizont událostí se nachází ve velmi specifické a stejné vzdálenosti (Schwarzschildův poloměr) od singularity ve všech směrech.
Toto je zjednodušený popis skutečné černé díry. Je však lepší začít fyzickými jevy vyskytujícími se na dvou konkrétních místech: mimo horizont události a uvnitř horizontu události.
Za horizontem událostí se gravitace chová jako obvykle. Prostor je zakřivený přítomností této hmoty, což dává všem objektům ve vesmíru zrychlení ve směru centrální singularity. Pokud začneme ve velké vzdálenosti od klidové černé díry a necháme do ní spadnout předmět, co uvidíme?
Předpokládejme, že jsme schopni zůstat v klidu. V tomto případě uvidíme, jak se objekt pomalu, ale s zrychlením pohybujícím se od nás, směrem k této černé díře. Zrychluje se směrem k horizontu události, přičemž si zachovává svoji barvu. Ale pak se stane něco zvláštního. Zdá se, že objekt zpomaluje, vybledne a rozostří, a pak se stává čím dál více červenou. Ale nezmizí úplně. Místo toho se zdá, že se blíží tomuto stavu zmizení: stává se méně zřetelným, červenějším a je stále obtížnější jej odhalit. Horizont událostí je jako asymptota světla objektu: můžeme ho vždy vidět, pokud se podíváme pozorně.
Teď si představte stejný scénář, ale tentokrát nebudeme pozorovat objekt padající do černé díry z dálky. Budeme si představovat sami sebe na místě padajícího předmětu. A v tomto případě budou naše pocity úplně jiné.
Časový horizont události roste mnohem rychleji, zatímco vesmírné warpy, než jsme očekávali. Prostor je kolem horizontu události natolik zakřivený, že začneme vidět četné představy o vnějším vesmíru, jako by se odrazily a otočily naruby.
A když překročíme horizont události a dostaneme se dovnitř, uvidíme nejen vnější vesmír, ale jeho část uvnitř horizontu události. Světlo, které dostáváme, se posune do fialové části spektra, pak zpět do červené a nevyhnutelně spadáme do singularity. V posledních okamžicích se zdá, že vesmír je podivně plochý.
Fyzický obraz tohoto jevu je složitý, ale výpočty jsou poměrně jednoduché a přímé a byly skvěle provedeny v řadě vědeckých prací napsaných v letech 2000–2010 Andrewem Hamiltonem z University of Colorado. Hamilton také vytvořil řadu živých vizualizací toho, co vidíme, když na základě jeho výpočtů upadneme do černé díry.
Z těchto výsledků je třeba se poučit, a mnoho z nich je kontraintuitivních. Pokus o jejich vymezení nám pomůže změnit naše vizuální vnímání vesmíru. Obvykle si představujeme prostor jako nějaký druh nehybné struktury a myslíme si, že pozorovatel někde uvnitř spadl. V horizontu událostí jsme však stále v pohybu. Celý prostor je v podstatě v pohybu jako dopravní pás. Pohybuje se neustále a pohybuje všechno uvnitř sebe směrem k jedinečnosti.
Všechno se pohybuje tak rychle, že i když se začneme zrychlovat od singularity a mít nekonečné množství síly, stále padáme směrem do středu. Světlo z objektů mimo horizont události nás bude stále dorazit ze všech směrů, ale my jsme uvnitř horizontu události vidět pouze část těchto objektů.
Linka, která definuje hranici mezi tím, co pozorovatel vidí, se v matematice nazývá kardiodid. Složka největšího poloměru kardioidu se dotýká horizontu události a složka nejmenšího poloměru končí u singularity. To znamená, že ačkoli singularita je bod, neodpojuje nevyhnutelně to, co jde se vším ostatním. Pokud vy a já jdeme současně na protější strany horizontu události, pak po jejím překročení už nebudeme moci vidět sebe navzájem.
Důvod je ve struktuře samotného Vesmíru, který je neustále v pohybu. V horizontu události se prostor pohybuje rychleji než světlo, a proto nemůže nic přesáhnout černou díru. Ze stejného důvodu, zatímco uvnitř černé díry, začneme vidět podivné věci, například mnoho obrazů stejného objektu.
Tomu můžete porozumět položením následující otázky: „Kde je singularita?“
Protože jsme uvnitř horizontu události černé díry, začali jsme se pohybovat jakýmkoli směrem a nakonec se pohřbíme v singularitě. Je to úžasné, ale jedinečnost se objevuje ve všech směrech! Pokud posunete nohy dopředu a zrychlíte, uvidíte vaše nohy pod vámi a nad vámi současně. To vše se dá snadno spočítat, i když se takový obrázek jeví jako nápadný paradox. Mezitím uvažujeme pouze o zjednodušeném případě: černé díře, která se neotáčí.
První fotografie černé díry a její ohnivé halo.
Nyní pojďme dolů k tomu nejzábavnějšímu, co se týče fyziky, a podívejme se na černou díru, která se točí. Černé díry dluží svůj původ systémům hmot, jako jsou hvězdy, které se neustále otáčí stejnou rychlostí. V našem vesmíru (a obecně relativitě) je točivý moment konzervovanou vlastností jakéhokoli uzavřeného systému a neexistuje způsob, jak se ho zbavit. Když se agregát hmoty zmenší na poloměr, který je menší než poloměr horizontu události, je rotační moment jako hmota zachycen a uvězněn uvnitř.
Zde je řešení mnohem složitější. Einstein předložil svou teorii relativity v roce 1915 a Karl Schwarzschild dostal řešení nerotující černé díry na začátku roku 1916, tedy o pár měsíců později. Ale další krok v realistickém modelování tohoto problému - vzhledem k tomu, že černá díra má nejen hmotu, ale také točivý moment - přijal až v roce 1963 Roy Kerr, který našel řešení.
Mezi Schwarzschildovým poněkud naivním a jednoduchým řešením a Kerrovým realističtějším a komplexnějším řešením jsou některé zásadní a důležité rozdíly. Zde jsou některé překvapivé rozdíly:
1. Namísto jediného řešení otázky, kde je horizont událostí, má rotující černá díra dvě matematická řešení: vnitřní a vnější horizont události.
2. Za horizontem vnější události je místo známé jako ergosféra, kde se prostor sám pohybuje v úhlové rychlosti rovné rychlosti světla a částice, které do něj vstupují, dostávají kolosální zrychlení.
3. Existuje maximální přípustný poměr točivý moment / hmotnost. Pokud je hodnota točivého momentu příliš velká, černá díra tuto energii vysílá (prostřednictvím gravitačního záření), dokud se poměr nevrátí k normálu.
4. Nejvýraznější věc je, že singularita ve středu černé díry již není bodem, ale spíše jednorozměrným prstencem, kde poloměr prstence je určován hmotností a rotačním momentem černé díry.
Když to všechno víme, rozumíme tomu, co se stane, když se dostaneme dovnitř rotující černé díry? Ano, stejné jako při vstupu do nerotující černé díry, až na to, že se prostor nechová, jako by spadal do centrální singularity. Prostor se chová, jako by se táhl kolem obvodu ve směru otáčení. Vypadá to jako vířivka. Čím větší je poměr rotačního pohybu k hmotnosti, tím rychlejší je rotace.
To znamená, že když uvidíme, že něco klesá dovnitř, všimneme si, jak něco něco zčervená a postupně mizí, ale nejen. Je stlačen a ve směru otáčení se změní na prstenec nebo disk. Pokud se dostaneme dovnitř, budeme obklíčeni jako na šíleném karuselu, nasátém do středu. A když dosáhneme jedinečnosti, bude to ve formě prstenu. Různé části našeho těla padnou do singularity na vnitřním ergosurface černé Kerrové díry v různých prostorových souřadnicích. Jak se blížíme k singularitě z horizontu události, postupně ztratíme schopnost vidět jiné části našeho těla.
Nejdůležitější informace, kterou je třeba z toho všeho vyvodit, je to, že struktura samotného prostoru je v pohybu; a horizont události je definován jako místo, kde se i přes schopnost cestování na hranici nejvyšší kosmické rychlosti, což je rychlost světla a v jakémkoli směru, narazíte na jedinečnost.
Vykreslování Andrewa Hamiltona jsou nejlepší a vědecky nejpřesnější simulace toho, co se stane, když narazíte na černou díru. Jsou tak kontraintuitivní a tak paradoxní, že vám mohu jen doporučit jednu věc: dívat se na ně znovu a znovu, dokud se neoklamete do myšlení, že jim rozumíte. To je nádherný a fantastický pohled. A pokud je duch dobrodružství ve vás tak silný, že se rozhodnete jít do černé díry a dostat se do horizontu události, bude to poslední věc, kterou uvidíte!
Ethan Siegel