Mis tunne on langeda ketravasse musta auku? Seda on võimatu jälgida, kuid võite arvutada … Küsimus on äärmiselt huvitav ja teadus suudab sellele vastata, kuna mustade aukude omadused on teada, kirjutab Forbes. Astrofüüsika doktor rääkis paljude inimestega, kes selliseid arvutusi tegi, ja kiirustab rääkima äärmiselt huvitavatest leidudest, mida toetavad mitmed visualiseerimised.
On palju kohutavaid viise, kuidas universum võib midagi hävitada. Kui proovite kosmoses hinge kinni hoida, plahvatavad teie kopsud. Ja kui hingate kogu õhu välja viimase molekulini, siis lülitage see mõne sekundi pärast välja. Mõnes universumi paigas muutuvad jääd, kui kuumus väljub kehast; teistes kohtades on see nii kuum, et teie aatomid muutuvad plasmaks. Kuid kui ma mõtlen, kuidas universum saaks minust (või sinust) lahti saada, ei suuda ma ette kujutada hiilgavamat vaatepilti kui musta auku minek. Teadlane Heino Falcke, kes töötab projekti Event Horizon Telescope projektiga, on samal arvamusel. Ta küsib:
Mis tunne on langeda ketravasse musta auku? Seda on võimatu jälgida, kuid on võimalik arvutada … Olen rääkinud paljude inimestega, kes on selliseid arvutusi teinud, kuid vananen ja hakkan palju ununema.
See küsimus on äärmiselt huvitav ja teadus suudab sellele vastata. Küsigem temalt.
Meie gravitatsiooniteooria, Einsteini üldise relatiivsusteooria järgi on musta augu omadusi määravad vaid kolm tunnust. Siin nad on:
1. Massi ehk aine üldkogus ja vastav energiakogus (arvutatud valemi E = mc2 järgi), mis kulus musta augu moodustamiseks ja kasvamiseks praeguses olekus.
2. Laeng või kogu elektrilaeng, mis tekib mustas augus kõigist positiivselt ja negatiivselt laetud objektidest, mis sinna eksisteerimise ajal langevad.
3. Nurkmoment ehk pöördemoment, mis mõõdab musta augu pöörlemisliikumise summat.
Reklaamvideo:
Reaalselt peavad kõik Universumi mustad augud olema suure massiga, märkimisväärse pöördemomendi ja tühise laenguga. See teeb asja väga keeruliseks.
Mõeldes mustale augule, esindame seda lihtsustatud kujul, iseloomustades ainult massi järgi. Sellel on sündmuse horisont ühe punkti ümber (singulaarsus), samuti seda punkti ümbritseval alal, kust valgus ei pääse. Sellel alal on täiuslik kera ja piir, mis eraldab valgust kiirgavaid alasid ja piirkondi, mis seda ei tee. See piir on sündmuste horisont. Sündmuse horisont asub singulaarsusest kõigis suundades väga spetsiifilisel ja võrdsel kaugusel (Schwarzschildi raadius).
See on tõelise musta augu lihtsustatud kirjeldus. Kuid parem on alustada füüsilistest nähtustest, mis esinevad kahes konkreetses kohas: väljaspool sündmuse horisonti ja sündmuse horisondi sees.
Üle sündmushorisondi käitub gravitatsioon nagu tavaliselt. Selle massi olemasolu kõverdab ruumi, andes kõikidele universumi objektidele kiirenduse keskse singulaarsuse suunas. Mida me näeme, kui alustame puhkavast mustast august suurel kaugusel ja laseme esemel sinna kukkuda?
Oletame, et suudame jääda liikumatuks. Sel juhul näeme, kuidas objekt liigub aeglaselt, kuid kiirendusega meist eemale, liikudes selle musta augu poole. See kiireneb sündmuse horisondi poole, säilitades samal ajal oma värvi. Kuid siis juhtub midagi kummalist. Näib, et objekt aeglustub, tuhmub ja hägustub ning muutub siis üha punasemaks. Kuid see ei kao täielikult. Tundub, et selle asemel läheneb see kadumisseisund: see muutub vähem eristatavaks, punasemaks ja seda on üha raskem tuvastada. Sündmuse horisont on nagu objekti valguse asümptott: hoolika vaatluse korral näeme seda alati.
Kujutage nüüd ette sama stsenaariumi, kuid seekord ei jälgi me kaugelt musta auku kukkunud eset. Kujutame end ette kukkuva eseme kohale. Ja sel juhul on meie aistingud täiesti erinevad.
Sündmuste horisont kasvab kosmose väändumisel palju kiiremini, kui me eeldasime. Kosmos on sündmuse horisondi ümber nii kõver, et hakkame nägema arvukaid välise universumi pilte, justkui see peegelduks ja pöörataks väljapoole.
Ja ületades sündmushorisondi ja sisenedes näeme mitte ainult välist universumit, vaid osa sellest ka sündmushorisondi sees. Vastuvõetud valgus nihkub spektri violetsesse ossa, seejärel tagasi punasesse ja langeb paratamatult ainsuses. Viimastel hetkedel tundub kosmos kummaliselt tasane.
Selle nähtuse füüsiline pilt on keeruline, kuid arvutused on üsna lihtsad ja arusaadavad ning need viidi suurepäraselt läbi aastatel 2000-2010 kirjutatud teadustööde seerias, mille koostas Colorado ülikoolist Andrew Hamilton. Hamilton lõi tema arvutuste põhjal ka rea erksaid visualiseeringuid sellest, mida me näeme, kui kukume musta auku.
Nendest tulemustest on palju õppida ja paljud neist on intuitiivsed. Nende välja nuputamine aitab meil muuta oma visuaalset ettekujutust ruumist. Tavaliselt kujutleme ruumi mingisuguse liikumatuna struktuurina ja arvame, et vaatleja on kuhugi selle sisse kukkunud. Kuid sündmuste horisondi piires oleme pidevalt liikvel. Kogu ruum on liikumises nagu konveierilint. See liigub pidevalt, liigutades kõik enda sees ainsuse suunas.
See liigutab kõike nii kiiresti, et isegi kui me hakkame kiirendama singulaarsusest eemale, omades lõpmatul hulgal jõudu, kukume ikkagi keskpunkti poole. Väljaspool sündmuse horisonti asuvate objektide valgus jõuab meieni ikkagi kõigist suundadest, kuid sündmushorisondi sees olles näeme ainult osa nendest objektidest.
Joont, mis määratleb piiri vaatleja nägemise vahel, nimetatakse matemaatikas kardiodiidiks. Kardioidi suurima raadiuse komponent puudutab sündmuse horisonti ja väikseima raadiuse komponent lõpeb singulaarsusega. See tähendab, et kuigi singulaarsusel on point, ei ühenda see paratamatult kõige muu sisuga. Kui teie ja mina läheme samaaegselt sündmuse horisondi vastaskülgedele, siis pärast selle ületamist ei näe me enam üksteist.
Põhjus on Universumi enda struktuuris, mis on pidevalt liikumises. Sündmuse horisondi sees liigub kosmos kiiremini kui valgus ja seetõttu ei saa miski ületada musta auku. Samal põhjusel hakkame musta augu sees nägema imelikke asju, näiteks palju pilte samast objektist.
Sellest saate aru, kui esitate järgmise küsimuse: "Kus on singulaarsus?"
Olles musta augu sündmushorisondis, matme me, asunud liikuma ükskõik millises suunas, end lõpuks ainulaadseks. See on hämmastav, kuid singulaarsus ilmneb kõigis suundades! Kui liigutate oma jalgu ettepoole ja kiirendate, näete jalad samal ajal teie all ja teie kohal. Seda kõike on üsna lihtne arvutada, kuigi selline pilt näib olevat silmatorkav paradoks. Vahepeal kaalume ainult lihtsustatud juhtumit: musta auku, mis ei pöörle.
Esimene foto mustast august ja selle tulisest halodest.
Laskem nüüd füüsika mõttes kõige naljakamale kohale ja vaatame musta auku, mis keerleb. Mustad augud võlgnevad oma päritolu ainesüsteemidele, näiteks tähtedele, mis pöörlevad pidevalt ühel või teisel kiirusel. Meie universumis (ja üldises relatiivsusteaduses) on pöördemoment mis tahes suletud süsteemi konserveeritud omadus ja sellest vabanemiseks pole võimalust. Kui mateeria agregaat kahaneb raadiuseks, mis on väiksem kui sündmuse horisondi raadius, siis pöördemoment, nagu mass, on lõksus ja lõksus.
Lahendus on siin palju keerulisem. Einstein esitas oma relatiivsusteooria 1915. aastal ja Karl Schwarzschild sai lahenduse mitte-pöörleva musta augu jaoks 1916. aasta alguses, see tähendab paar kuud hiljem. Kuid järgmise sammu selle probleemi realistlikul modelleerimisel - võttes arvesse, et mustal augul pole mitte ainult mass, vaid ka pöördemoment - astus lahenduse leidnud Roy Kerr alles 1963. aastal.
Schwarzschildi pisut naiivse ja lihtsa lahenduse ning Kerri realistlikuma ja keerukama lahenduse vahel on mõned põhimõttelised ja olulised erinevused. Siin on mõned üllatavad erinevused:
1. Ühtse lahenduse asemel küsimusele, kus on sündmuse horisont, on pöörleval mustal augul kaks matemaatilist lahendust: sisemine ja väline sündmuse horisont.
2. Välise sündmuse horisondi kohal on koht, mida nimetatakse ergosfääriks, kus ruum ise liigub nurkkiirusel, mis on võrdne valguse kiirusega, ja sinna sisenevad osakesed saavad kolossaalse kiirenduse.
3. On maksimaalne lubatud pöördemomendi / massi suhe. Kui pöördemomendi väärtus on liiga suur, kiirgab must auk seda energiat (läbi gravitatsioonikiirguse), kuni suhe normaliseerub.
4. Ja kõige hämmastavam on see, et musta augu keskpunktis olev singulaarsus pole enam punkt, vaid pigem ühemõõtmeline rõngas, kus rõnga raadiuse määravad musta augu mass ja pöördemoment.
Seda kõike teades, kas saame aru, mis juhtub pöörleva musta auku sisenedes? Jah, sama kui pöörlemata musta auku sisenemine, välja arvatud see, et ruum ei käitu justkui langedes kesksesse singulaarsusesse. Ruum käitub nii, nagu seda tõmmatakse ümbermõõdu ümber pöörlemissuuna. See näeb välja nagu mullivann. Mida suurem on pöörlemisliikumise ja massi suhe, seda kiiremini pöörlemine toimub.
See tähendab, et kui näeme midagi sissepoole kukkumas, märkame, kuidas see midagi punaseks muutub ja järk-järgult kaob, kuid mitte ainult. See on kokku surutud ja muutub pöörlemissuunas rõngaks või kettaks. Kui sisse saame, tehakse meile ring ringi nagu hullul karussellil, imetakse keskele. Ja kui jõuame ainsusesse, on see rõnga kujul. Meie keha erinevad osad satuvad Kerri musta augu sisemisel ergopinnal ainsusesse erinevates ruumilistes koordinaatides. Kui läheneme sündmuse horisondi ainsusele, kaotame järk-järgult võimaluse näha oma keha teisi osi.
Kõige olulisem teave, mis kõige selle põhjal tuleb välja tuua, on see, et ruumi struktuur ise on liikumises; ja sündmuse horisonti määratletakse kui kohta, kus te isegi juhul, kui suudate liikuda kõige suurema kosmilise kiiruse, mis on valguse kiirus, piirides ja suvalises suunas, komistate alati ainsuses.
Andrew Hamiltoni renderdused on parimad ja teaduslikult kõige täpsemad simulatsioonid sellest, mis juhtub, kui tabate musta auku. Need on nii vastuolulised ja paradoksaalsed, et võin teile soovitada vaid ühte: jälgige neid ikka ja jälle, kuni lollitate end mõttelt, et mõistate neid. See on suurepärane ja fantastiline vaatamisväärsus. Ja kui seikluste vaim on sinus nii tugev, et otsustate minna musta auku ja pääseda sündmuse horisondi sisse, on see viimane asi, mida näete!
Ethan Siegel
