Universum hävitab midagi erineval viisil. Kui proovite oma ruumis hinge kinni hoida, plahvatavad teie kopsud; kui hingate selle asemel iga õhu molekuli, kaotate teadvuse. Mõnes kohas külmetub, kui olete kaotanud viimase keha soojuse; teised on nii kuumad, et teie keha aatomid muutuvad plasmaks. Kuid kõigil viisidel, kuidas universum objektidest lahti saab, on kõige toredam saata see musta auku.
Mis jääb kaugemale ürituste horisondist?
Meie gravitatsiooniteooria - Einsteini üldise relatiivsusteooria - kohaselt määravad musta augu omadused kolm asja. Nimelt:
- Mass ehk aine üldkogus ja ekvivalentne energiakogus (vastavalt valemile E = mc2), mis lähevad musta augu tekkimisele ja kasvule praegusesse olekusse.
- Laeng või kogu elektrilaeng, mis on mustas augus kõigist positiivselt ja negatiivselt laetud objektidest, mis langesid musta auku kogu tema eluaja jooksul.
- Nurkmoment (moment) ehk spin - see on pöördeliikumise koguhulga mõõt, mis mustal augul on oma olemuselt.
Tegelikult peavad kõik meie universumis füüsiliselt eksisteerivad mustad augud olema suure massiga, märkimisväärses koguses nurkkiirust ja tühiste laengudega. See teeb olukorra äärmiselt keeruliseks.
Kui tavaliselt kujutame ette musta auku, siis kujutame ette lihtsat versiooni, mida kirjeldab ainult selle mass. Sellel on ühte punkti ümbritsev sündmusehorisont ja seda punkti ümbritseval alal, millest kaugemale valgus ei pääse. See piirkond on täiesti sfääriline ja sellel on piir, mis eraldab alasid, kust valgus pääseb ja kust ta ei saa: sündmuse horisont. Sündmuse horisont on teatud kaugusel (Schwarzschildi raadius) ainsusest kõigis suundades üheaegselt.
Reklaamvideo:
See on realistliku musta augu lihtsustatud versioon, kuid suurepärane koht, kus hakata mõtlema füüsikale, mis toimub kahes erinevas kohas: sündmuse horisondi taga ja sündmuse horisondi sees.
Väljaspool sündmushorisonti käitub gravitatsioon nagu tavaliselt oodata. Kosmos paindub massi juuresolekul, mille tõttu kõik universumi objektid kiirenevad keskse singulaarsuse suunas. Mida te näeksite, kui oleksite puhkeasendis mustast august suurel kaugusel ja lasksite mingil esemel sinna kukkuda?
Eeldades, et olete suutnud paigal püsida, näete kukkuvat objekti aeglaselt kiirenevat teist selle musta augu poole. See kiireneb sündmuse horisondi poole, mille järel juhtub midagi kummalist. Teile tundub, et see aeglustub, tuhmub ja muutub punetavamaks. Kuid see ei kao täielikult. Läheneb sellele ainult lähemale: see muutub tuhmiks, punaseks ja raskemini tuvastatavaks. Kui vaatate piisavalt tähelepanelikult, näete seda alati.
Kujutame nüüd ette sama stsenaariumi, kuid kujutleme seekord, et sa oled sama objekt, mis kukub musta auku. Kogemus saab olema täiesti erinev.
Sündmuse horisont suureneb palju kiiremini, kui oskasite oodata, kuna ruumi kumerus muutub tugevamaks. Kosmos on sündmuse horisondi ümber nii kõver, et näete palju universumi pilte, mis asuvad väljastpoolt, justkui peegelduksid ja ümber pöörataks.
Ja kui te ületate sündmuse horisondi, ei näe te mitte ainult välist universumit, vaid ka osa universumist sündmushorisondil. Viimastel hetkedel näib ruum täiesti tasane.
Mis on mustas augus?
Selle kõige füüsika on keeruline, kuid arvutused on üsna lihtsad ja elegantselt tegi seda Colorado ülikooli Andrew Hamilton 2000. aasta lõpust ja 2010. aastate algusest koosnevas reas. Hamilton lõi nende arvutuste põhjal ka rea muljetavaldavaid renderdusi sellest, mida näete musta auku langemas.
Pärast nende tulemuste uurimist võime teha mitmeid järeldusi, millest paljud on ebaloogilised. Nende mõistmiseks peate muutma ruumi esitamise viisi. Tavaliselt mõtleme sellele kui liikumatule kangale ja arvame, et vaatleja "laskub" kuhugi. Kuid sündmuste horisondi piires olete alati liikvel. Kosmos liigub - nagu jooksulint - pidevalt, liigutades kõik iseenesest ainsuse poole.
Ja see liigutab kõike nii kiiresti, et isegi kui kiirendate lõpmatuse jõuga otse singulaarsusest, kukute ikkagi keskpunkti poole. Objektid, mis asuvad väljaspool sündmuse horisonti, saadavad teile endiselt valgust kõigist suundadest, kuid näete vaid murdosa objektidest väljaspool sündmuse horisonti.
Sirge, mis määratleb piiri, mida iga vaatleja võib näha, kirjeldab matemaatiliselt kardioid, kus suurima raadiusega komponent puudutab sündmuse horisonti ja väikseima raadiusega komponent on ainsuses. See tähendab, et singulaarsus, isegi punktina, ei pruugi tingimata ühendada kõike, mis sellesse satub, kõige muuga. Kui teie ja mina langeme sündmuse horisonti korraga erinevatest suundadest, ei näe me kunagi pärast sündmuse horisondi ristumist üksteise valgust.
Selle põhjuseks on Universumi enda pidevalt liikuv kangas. Sündmusehorisondi sees liigub ruum kiiremini kui valgus, nii et mustast august ei pääse midagi. Sellepärast hakkate musta auku lüües nägema imelikke asju, näiteks sama objekti mitu pilti.
Sellest saate aru, kui esitate küsimuse: kus on singulaarsus?
Musta augu sündmuse horisondist, ükskõik kummas suunas liigute, puutute kokku iseenesest. Seetõttu on kummaline, et singulaarsus ilmneb kõigis suundades. Kui jalad on suunatud kiirenduse suunas, näete neid teie ees, aga ka teie kohal. Seda kõike on lihtne arvutada, ehkki äärmiselt ebaloogiline. Ja see on ainult lihtsustatud juhtumi jaoks: mitte pöörlev must auk.
Liigume nüüd füüsiliselt huvitava juhtumi juurde: kui must auk pöörleb. Mustad augud võlgnevad oma päritolu aine süsteemidele - nagu tähed -, mis pöörlevad alati mingil tasemel. Meie universumis (ja üldiselt suhtelisuses) on nurdenurk suletud süsteemi absoluutne suletud kogus; sellest pole võimalust vabaneda. Kui mateeria agregaat variseb raadiusesse, mis on väiksem kui sündmuse horisondi raadius, jääb nurkkiirus selle sisse, nagu ka mass.
Siin olev lahendus on palju keerulisem. Einstein esitas üldrelatiivsuse 1915. aastal ja Karl Schwarzschild sai lahenduse mitte pöörleva musta augu jaoks paar kuud hiljem, 1916. aasta alguses. Järgmine samm selle probleemi realistlikumaks modelleerimiseks - kus mustal augul on ka nurkkiirus, mitte ainult mass - tehti alles 1963. aastal, kui Roy Kerr leidis täpse lahenduse 1963. aastal.
Schwarzschildi naiivsema ja lihtsama lahenduse ning Kerri realistlikuma ja keerukama lahenduse vahel on mitmeid põhimõttelisi ja olulisi erinevusi. Nende hulgas:
- Ühtse otsuse asemel, kus sündmushorisont asub, on pöörleval mustal augul kaks matemaatilist lahendust: sisemine ja välimine sündmuse horisont.
- Isegi väljaspool sündmuste horisonti on ergosfäär, mida kosmos ise liigutab pöörlemiskiirusel, mis võrdub valguse kiirusega, ja selles olevad osakesed kogevad tohutuid kiirendusi.
- Nurgaimpulsi ja massi suhe on maksimaalselt lubatud; kui hoog on liiga tugev, kiirgab must auk seda energiat (läbi gravitatsioonikiirguse), kuni see langeb piirini.
- Ja mis kõige huvitavam: singulaarsus musta augu keskpunktis ei ole enam punkt, vaid ühemõõtmeline rõngas, mille raadiuse määravad musta augu mass ja nurkkiirus.
Seda kõike silmas pidades, mis juhtub, kui tabate musta auku? Jah, see on sama mis juhtub siis, kui kukute mitte pöörlevasse musta auku, välja arvatud see, et kogu ruum ei käitu justkui langedes keskse singulaarsuse poole. Selle asemel käitub ruum ka nii, nagu liiguks ta pöörlemissuuna suunas nagu keerlev lehter. Mida suurem on nurkkiiruse ja massi suhe, seda kiiremini see pöörleb.
See tähendab, et kui näete midagi musta auku kukkumas, näete, et see muutub tuhmimaks ja punasemaks, kuid määritakse ka pöörlemissuunas rõngaks või kettaks. Kui kukute musta auku, keerutatakse teid nagu karussell, mis tõmbab teid keskpunkti poole. Ja kui jõuate ainsusesse, on see ring; teie keha erinevad osad saavad Kerri musta augu sisemisel ergipinnal ainsuse - erinevates ruumilistes koordinaatides. Järk-järgult lõpetate oma keha teiste osade nägemise.
Kõige olulisem, mida sellest kõigest aru saama peate, on see, et kosmosekangas ise on liikumises ja sündmuse horisont on määratletud kui koht, kus isegi siis, kui liigute valguse kiirusel, ükskõik kumba suundi valite, põrkub see paratamatult kokku. ainsusega.
Andrew Hamiltoni visuaalid on parimad ja täpsemad mudelid sellest, mis juhtub, kui satud musta auku, ja nii ebaloogilised, et neid tuleb ikka ja jälle vaadata, kuni hakkad millestki aru saama (sa ei alusta tegelikult). See on jube ja ilus ning kui olete piisavalt seikluslik, et kunagi lennata musta auku ja ületada sündmuse horisonti, on see viimane asi, mida olete kunagi näinud.
Ilja Khel
