Milyen érzés esni egy forgó fekete lyukba? Ezt lehetetlen megfigyelni, de kiszámolhatja … A kérdés rendkívül érdekes, és a tudomány képes megválaszolni, mert a fekete lyukak tulajdonságai ismertek, írja a Forbes. Az asztrofizikai doktor sok olyan emberrel beszélt, aki ilyen számításokat készített, sietve beszél a rendkívül érdekes megállapításokról, amelyeket számos megjelenítés támaszt elő.
Sok szörnyű módon létezik az univerzum elpusztítani valamit. Az űrben, ha megpróbálja visszatartani a lélegzetét, a tüdő felrobban. És ha kilégzi az összes levegőt az utolsó molekuláig, akkor néhány másodperc múlva kapcsolja ki. Az univerzum egyes helyein jégré válhat, amikor a hő elhagyja a testét; másutt olyan meleg, hogy atomjai plazmává válnak. De amikor meggondolom, hogyan lehet az univerzum megszabadulni tőlem (vagy te), nem tudom elképzelni egy elbűvölőbb látványt, mint egy fekete lyukba menni. Heino Falcke tudós, aki az Event Horizon Telescope projekten dolgozik, ugyanazon a véleményen van. Azt kérdezi:
Milyen érzés esni egy forgó fekete lyukba? Ezt lehetetlen megfigyelni, de kiszámítani lehet … Sokakkal beszélgettem olyan emberekkel, akik elvégezték az ilyen számításokat, de öregszem, és sokat elfelejtem.
Ez a kérdés rendkívül érdekes, és a tudomány képes megválaszolni. Kérdezzük meg tőle.
Gravitációs elméletünk, az Einstein általános relativitáselméletünk szerint csak három tulajdonság határozza meg a fekete lyuk tulajdonságait. Itt vannak:
1. Az anyag teljes mennyisége és az ehhez tartozó energiamennyiség (az E = mc2 képlet alapján számítva), amelyet a fekete lyuk kialakulására és növekedésére fordítottak jelenlegi állapotában.
2. A töltés vagy a teljes elektromos töltés, amelyet egy fekete lyukban okozhat az összes pozitív és negatív töltésű tárgyból, amely ott esik a létezése során.
3. A szögmozgás vagy forgatónyomaték, amely a fekete lyuk forgási mozgásának teljes összegét méri.
Promóciós videó:
Reálisan az univerzum minden fekete lyukának nagy tömeggel, jelentős nyomatékkal és elhanyagolható töltéssel kell rendelkeznie. Ez nagyon bonyolítja a dolgokat.
Egy fekete lyukra gondolva azt egyszerűsített formában képviselik, amelyet csak tömeg jellemez. Van egy eseményhorizontja egyetlen pont körül (szingularitás), valamint egy olyan pontot körülvevő területtel, ahonnan a fény nem tud menekülni. Ez a terület tökéletes gömb alakú, és határválasztja azokat a területeket, amelyek fényt bocsátanak ki, és azokat, amelyek nem. Ez a határ az esemény horizontja. Az eseményhorizont nagyon specifikus és azonos távolságban (Schwarzschild sugár) található a szingularitástól minden irányban.
Ez egy igazi fekete lyuk egyszerűsített leírása. De jobb az, ha a fizikai jelenségek két konkrét helyen fordulnak elő: az eseményhorizonton kívül és az eseményhorizonton belül.
Az eseményhorizonton túl a gravitáció a szokásos módon viselkedik. A tér meghajlik ennek a tömegnek a jelenlétével, amely az univerzumban lévő összes objektumnak gyorsulást eredményez a központi szingularitás irányában. Ha nagy távolságra kezdjük a pihenő fekete lyukat és hagyjuk, hogy a tárgy beleesjen bele, akkor mit látunk?
Tegyük fel, hogy továbbra is képesek vagyunk maradni. Ebben az esetben látni fogjuk, hogy az objektum miként lassan, de gyorsulással távolodik tőlünk, e fekete lyuk felé haladva. Felgyorsul az eseményhorizont felé, miközben megőrzi színét. De akkor történik valami furcsa. Úgy tűnik, hogy az objektum lelassul, elhalványul és elmosódik, majd egyre vörösesebbé válik. De nem tűnik el teljesen. Ehelyett úgy tűnik, hogy közeledik ehhez a eltűnési állapothoz: kevésbé megkülönböztetetté, vörösebbé válik, és egyre nehezebb észlelni. Az eseményhorizont olyan, mint egy tárgy fényének aszimptotusa: mindig láthatjuk, ha közelebbről nézünk.
Most képzeljük el ugyanazt a forgatókönyvet, de ezúttal nem fogjuk megfigyelni egy tárgyat, amely távolról fekete lyukba esik. Képzeljük el magunkat egy leeső tárgy helyén. És ebben az esetben érzésünk teljesen más lesz.
Az esemény horizontja sokkal gyorsabban növekszik, amikor az űr megcsavarodik, mint vártuk. A tér annyira ívelt az eseményhorizont körül, hogy számos képet látunk látni a külső világegyetemről, mintha visszatükröződne és kifelé fordulna.
És amikor átlépünk az eseményhorizonton, és belépünk, nem csak a külső világegyetemet, hanem annak egy részét látjuk az eseményhorizonton belül. A kapott fény eltolódik a spektrum lila részébe, majd vissza a vörösbe, és elkerülhetetlenül beleesik a szingularitásba. Az utolsó pillanatokban a világűr furcsán simanak tűnik.
Ennek a jelenségnek a fizikai képe bonyolult, ám a számítások meglehetősen egyszerűek és érthetőek, és ragyogóan elvégezték azokat a tudományos cikkeket, amelyeket Andrew Hamilton írt a 2000 és 2010 közötti időszakban, a Colorado Egyetemen. Hamilton egy sor élénk vizualizációt készített arról, amit látunk, amikor egy fekete lyukba esünk a számításai alapján.
Ezekből az eredményekből sok tanulságot lehet levonni, és sokan ellentétes intuíciókat mutatnak. Megpróbálva kitalálni őket, segít megváltoztatni a tér látásmódját. Általában azt gondoljuk, hogy a tér valamilyen mozgás nélküli szerkezet, és azt gondoljuk, hogy a megfigyelő valahova beleesett. Az eseményhorizonton belül azonban folyamatosan mozgunk. Az összes hely lényegében mozgásban van, mint egy szállítószalag. Folyamatosan mozog, mindent önmagában mozgatva a szingularitás irányába.
Olyan gyorsan mozgat mindent, hogy még ha el is kezdünk gyorsulni a szingularitástól, és végtelen erővel bírunk, továbbra is a központ felé esünk. Az eseményhorizonton kívüli tárgyakból származó fény továbbra is minden irányból ér el minket, de mi, az eseményhorizont belsejében, ezeknek az objektumoknak csak egy részét láthatjuk.
A matematikában kardiodidnak nevezzük azt a sort, amely meghatározza a határt, amit a megfigyelő lát. A kardioid legnagyobb sugara komponense megérinti az eseményhorizontot, a legkisebb sugara pedig az egyediségnél végződik. Ez azt jelenti, hogy noha a szingularitás lényeg, ez nem szükségszerűen köti össze az összes mást, ami bemegy. Ha Ön és én egyszerre megyünk az eseményhorizont másik oldalára, akkor átlépésünk után már nem láthatjuk egymást.
Ennek oka magában az univerzumban van, amely folyamatosan mozgásban van. Az eseményhorizonton belül a tér gyorsabban halad, mint a fény, és ezért semmi sem léphet túl a fekete lyukon. Ugyanezen okból kifolyólag, miközben a fekete lyuk belsejében furcsa dolgokat látunk, például sok képet ugyanazon tárgyról.
Megértheti ezt, ha felteszi a következő kérdést: "Hol a szingularitás?"
Ha egy fekete lyuk eseményhorizontján belülünk vagyunk, bármilyen irányba mozogni kezdünk, végül szingularitásba tesszük magunkat. Elképesztő, de a szingularitás minden irányban megjelenik! Ha előre mozgatja a lábad és gyorsul, akkor lábad lábad alatt és fölött egy időben látni fogod. Mindezt meglehetősen könnyű kiszámítani, bár egy ilyen kép feltűnő paradoxonnak tűnik. Időközben csak egy egyszerűsített esetre gondolunk: egy fekete lyukra, amely nem forog.
Az első fénykép egy fekete lyukról és tüzes halojáról.
Most menjünk a fizika szempontjából a legviccesebb dologhoz, és nézzünk meg egy fekete lyukat, amely forog. A fekete lyukak eredete az anyagrendszereknek, például csillagoknak köszönhető, amelyek állandóan forognak egy vagy másik sebességgel. Univerzumunkban (és általában az relativitáselméletben) a nyomaték bármely zárt rendszer megőrzött tulajdonsága, és nem szabad megszabadulni tőle. Amikor az anyag aggregálódása egy olyan sugárra csökken, amely kisebb, mint az eseményhorizont sugara, akkor a forgási nyomaték, mint a tömeg, csapdába esik és csapdába esik.
A megoldás itt sokkal bonyolultabb. Einstein 1915-ben terjesztette elő a relativitáselméletet, és Karl Schwarzschild 1916 elején, azaz néhány hónappal később megkapta a nem forgó fekete lyuk megoldását. De a probléma reális modellezésének következő lépését - tekintettel arra, hogy egy fekete lyuknak nemcsak tömege, hanem nyomatéka is - csak 1963-ban tette meg Roy Kerr, aki megoldást talált.
Van néhány alapvető és fontos különbség Schwarzschild kissé naiv és egyszerű megoldása, valamint Kerr reálisabb és összetettebb megoldása között. Íme néhány meglepő különbség:
1. A forgató fekete lyuknak ahelyett, hogy arra a kérdésre, hogy hol van az eseményhorizont, egyetlen megoldás helyett két matematikai megoldás van: a belső és a külső eseményhorizont.
2. A külső eseményhorizonton túl található egy olyan hely, amelyet ergoszféraként ismertünk, ahol maga a tér a fénysebességgel megegyező szögsebességgel mozog, és a belépő részecskék kolosszális gyorsulást kapnak.
3. A megengedett legnagyobb nyomaték / tömeg arány van. Ha a nyomaték értéke túl nagy, akkor a fekete lyuk ezt az energiát bocsátja ki (gravitációs sugárzás révén), amíg az arány normalizálódik.
4. És a legszembetűnőbb, hogy a fekete lyuk közepén a szingularitás már nem egy pont, hanem egy egydimenziós gyűrű, ahol a gyűrű sugarat a fekete lyuk tömege és forgási momentuma határozza meg.
Mindezt tudva megértjük, mi történik, amikor egy forgó fekete lyukba kerülünk? Igen, ugyanaz, mint egy nem forgó fekete lyukba való belépés, azzal a különbséggel, hogy a tér nem úgy viselkedik, mintha egy központi szingularitásba esne. A tér úgy viselkedik, mintha forgatás irányában a kerület körül húzná. Úgy néz ki, mint egy pezsgőfürdő. Minél nagyobb a forgási mozgás és a tömeg aránya, annál gyorsabb a forgás.
Ez azt jelenti, hogy ha látunk valamit befelé esni, észrevesszük, hogy ez a valami pirosra vált és fokozatosan eltűnik, de nem csak. Sűrítve van, és a forgás irányában gyűrűvé vagy tárcsává válik. Ha bejutunk, úgy körözünk, mint egy őrült körhinta, és szívjuk be a központba. És amikor elérjük a szingularitást, gyűrű formájában lesz. Testünk különböző részei szingularitásba esnek a Kerr fekete lyuk belső ergoszínfelületén, különböző térbeli koordinátákkal. Ahogy az eseményhorizonton közelítjük meg a szingularitást, fokozatosan elveszítjük a képességünket, hogy testünk más részeit megismerjük.
A legfontosabb információ, amely mindezekből levonható, hogy maga a tér szerkezete mozgásban van; és az eseményhorizontot az a hely definiálja, ahol akkor is, ha a legnagyobb kozmikus sebesség határán, azaz a fénysebesség mellett, bármilyen irányban tudsz haladni, mindig megbotlik a szingularitás.
Andrew Hamilton renderelései a legjobb és tudományosan legpontosabb szimulációk arra, hogy mi történik, amikor egy fekete lyukba kerül. Annyira ellenszeretettel és annyira paradox módon, hogy csak egy dolgot tudok ajánlani: figyeljen újra és újra, amíg el nem bolondozza magát abban, hogy azt gondolja, hogy megérti őket. Ez egy csodálatos és fantasztikus látvány. És ha a kalandvágy szelleme olyan erős, hogy úgy dönt, hogy bemegy egy fekete lyukba, és belép az esemény láthatárába, akkor ez lesz az utolsó, amit látsz!
Ethan Siegel