Как се чувстваш да паднеш във въртяща се черна дупка? Невъзможно е да се наблюдава това, но можете да изчислите … Въпросът е изключително интересен и науката е в състояние да отговори на него, защото свойствата на черните дупки са известни, пише Forbes. Докторът по астрофизика разговаря с много хора, които правят такива изчисления и бърза да говори за изключително интересните открития, подкрепени от редица визуализации.
Има много ужасни начини, по които Вселената може да унищожи нещо. В космоса, ако се опитате да задържите дъха си, дробовете ви ще избухнат. И ако издишате целия въздух до последната молекула, след няколко секунди изключете. На някои места във Вселената ще се превърнете в лед, когато топлината напусне тялото ви; на други места е толкова горещо, че вашите атоми ще се превърнат в плазма. Но когато обмисля как Вселената може да се отърве от мен (или от вас), не мога да си представя по-хипнотичен поглед от това да вляза в черна дупка. Ученият Хайно Фалке, който работи по проекта за телескоп Event Horizon, е на същото мнение. Той пита:
Как се чувстваш да паднеш във въртяща се черна дупка? Невъзможно е да се наблюдава това, но е възможно да се изчисли … Разговарял съм с много хора, които са правили такива изчисления, но остарявам и започвам да забравям много.
Този въпрос е изключително интересен и науката е в състояние да отговори на него. Нека я попитаме.
Според нашата теория за гравитацията, общата теория на относителността на Айнщайн, има само три характеристики, които определят свойствата на черна дупка. Ето ги и тях:
1. Маса или общото количество материя и съответното количество енергия (изчислено по формулата E = mc2), изразходвано за образуването и растежа на черната дупка в нейното текущо състояние.
2. Зарядът или общият електрически заряд, възникващ в черна дупка от всички положително и отрицателно заредени обекти, които падат там по време на неговото съществуване.
3. Ъгловият импулс или въртящ момент, който измерва общото количество въртеливо движение на черна дупка.
Промоционално видео:
Реално всички черни дупки във Вселената трябва да имат голяма маса, значителен въртящ момент и незначителен заряд. Това много усложнява нещата.
Мислейки за черна дупка, ние я представяме в опростен вид, характеризиращ се само по маса. Той има хоризонт на събитията около една точка (сингулярност), както и зона около тази точка, от която светлината не може да избяга. Тази област има формата на перфектна сфера и граница, разделяща области, които могат да излъчват светлина и тези, които не. Тази граница е хоризонтът на събитията. Хоризонтът на събитията е разположен на много специфично и равно разстояние (радиус на Шварцшилд) от сингулярността във всички посоки.
Това е опростено описание на истинска черна дупка. Но е по-добре да започнете с физически явления, възникващи на две конкретни места: извън хоризонта на събитията и вътре в хоризонта на събитията.
Отвъд хоризонта на събитията гравитацията се държи както обикновено. Пространството се извива от присъствието на тази маса, като дава на всички обекти във Вселената ускорение в посока на централната сингулярност. Ако започнем на голямо разстояние от почиващата черна дупка и оставим предмета да падне в нея, какво виждаме?
Да предположим, че сме в състояние да останем неподвижни. В този случай ще видим как обектът бавно, но с ускорение се отдалечава от нас, придвижвайки се към тази черна дупка. Той се ускорява към хоризонта на събитията, като запазва цвета си. Но тогава се случва нещо странно. Обектът сякаш се забавя, избледнява и замъглява, а след това става все по-червен. Но не изчезва напълно. Вместо това сякаш се приближава до това състояние на изчезване: става все по-недвусмислено, по-червено и все по-трудно се открива. Хоризонтът на събитията е като асимптота на светлината на обект: винаги можем да го видим, ако погледнем отблизо.
Сега си представете същия сценарий, но този път няма да наблюдаваме предмет, падащ в черна дупка отдалеч. Ще се представим на мястото на падащ предмет. И в този случай нашите усещания ще бъдат напълно различни.
Хоризонтът на събитията нараства много по-бързо, докато космическите деформации не се очакваха. Пространството е толкова извито около хоризонта на събитията, че започваме да виждаме многобройни изображения на външната вселена, сякаш то се отразява и обръща отвътре навън.
И когато прекосим хоризонта на събитията и влезем вътре, ние виждаме не само външната Вселена, но и част от нея в хоризонта на събитията. Светлината, която получаваме, се измества към виолетовата част на спектъра, след това обратно към червената и неизбежно попадаме в сингулярността. В последните моменти космическото пространство изглежда странно плоско.
Физическата картина на това явление е сложна, но изчисленията са доста прости и ясни и те бяха блестящо извършени в поредица от научни трудове, написани през 2000-2010 г. от Андрю Хамилтън от Университета в Колорадо. Хамилтън също създаде поредица от ярки визуализации на това, което виждаме, когато изпаднем в черна дупка въз основа на неговите изчисления.
Има много уроци, които трябва да се извлекат от тези резултати и много от тях са контраинтуитивни. Опитът да ги разберем ще ни помогне да променим визуалните си възприятия за пространството. Обикновено си представяме пространството като някаква неподвижна структура и мислим, че наблюдателят е паднал някъде вътре в него. Въпреки това, в хоризонта на събитията, ние сме постоянно в движение. Цялото пространство по същество е в движение като конвейер. Той се движи постоянно, движейки всичко вътре в себе си в посока на сингулярността.
Придвижва всичко толкова бързо, че дори и да започнем да се ускоряваме далеч от сингулярността, притежавайки безкрайно количество сила, пак ще паднем към центъра. Светлината от обекти извън хоризонта на събитията все още ще ни достигне от всички посоки, но ние, намирайки се в хоризонта на събитията, ще можем да видим само част от тези обекти.
Линията, която определя границата между това, което наблюдава наблюдателят, в математиката се нарича кардиодид. Компонентът на най-големия радиус на кардиоида докосва хоризонта на събитията, а компонентът на най-малкия радиус завършва на сингулярността. Това означава, че макар сингулярността да е точка, тя неминуемо не свързва онова, което влиза във всичко останало. Ако вие и аз отидем едновременно на противоположните страни на хоризонта на събитията, след като го пресечем, вече няма да можем да се виждаме.
Причината за това е в структурата на самата Вселена, която е постоянно в движение. В хоризонта на събитията пространството пътува по-бързо от светлината и следователно нищо не може да надхвърли черната дупка. По същата причина, докато сме вътре в черна дупка, започваме да виждаме странни неща, например много изображения на един и същ обект.
Можете да разберете това, като зададете следния въпрос: "Къде е сингулярността?"
Намирайки се в хоризонта на събитията на черна дупка, ние, като започнем да се движим във всяка посока, в крайна сметка ще се заравим в една особеност. Удивително е, но сингулярността се появява във всички посоки! Ако движите краката си напред и ускорявате, ще видите краката си под вас и над вас едновременно. Всичко това е доста лесно да се изчисли, въпреки че подобна картина изглежда поразителен парадокс. Междувременно обмисляме само опростен случай: черна дупка, която не се върти.
Първата снимка на черна дупка и огнения й ореол.
Сега нека се спуснем до най-смешното нещо от гледна точка на физиката и да разгледаме черна дупка, която се върти. Черните дупки дължат своя произход на системи от материя, като звезди, които постоянно се въртят с една или друга скорост. В нашата Вселена (и като цяло относителност) въртящият момент е запазено свойство на всяка затворена система и няма начин да се отървете от нея. Когато съвкупността от материя се свива до радиус, по-малък от радиуса на хоризонта на събитието, въртящият момент, подобно на масата, е хванат и хванат вътре.
Решението е много по-сложно тук. Айнщайн представи своята теория на относителността през 1915 г., а Карл Шварцшилд получи решение за не въртяща се черна дупка в началото на 1916 г., тоест няколко месеца по-късно. Но следващата стъпка в реалистичното моделиране на този проблем - като се има предвид, че черната дупка има не само маса, но и въртящ момент - е предприета едва през 1963 г. от Рой Кер, който намери решение.
Има някои основни и важни разлики между донякъде наивното и просто решение на Шварцшилд и по-реалистичното и сложно решение на Кер. Ето някои изненадващи разлики:
1. Вместо едно решение на въпроса къде е хоризонтът на събитията, въртяща се черна дупка има две математически решения: вътрешен и външен хоризонт на събитията.
2. Отвъд хоризонта на външното събитие има място, известно като ергосфера, където самото пространство се движи с ъглова скорост, равна на скоростта на светлината, а частиците, които влизат в него, получават колосално ускорение.
3. Съществува максимално допустимо съотношение въртящ момент / маса. Ако стойността на въртящия момент е твърде голяма, черната дупка излъчва тази енергия (чрез гравитационно излъчване), докато съотношението се върне към нормалното.
4. И най-поразителното е, че сингулярността в центъра на черната дупка вече не е точка, а по-скоро едноизмерен пръстен, където радиусът на пръстена се определя от масата и въртящия момент на черната дупка.
Знаейки всичко това, можем ли да разберем какво се случва, когато попаднем във въртяща се черна дупка? Да, същото като влизане в невъртяща се черна дупка, само че пространството не се държи така, сякаш попада в централна сингулярност. Пространството се държи така, сякаш се дърпа около обиколката в посока на въртене. Изглежда като водовъртеж. Колкото по-голямо е съотношението на въртеливото движение към масата, толкова по-бързо става въртенето.
Това означава, че ако видим как нещо пада навътре, ще забележим как това нещо се зачервява и постепенно изчезва, но не само. Той се компресира и се превръща в пръстен или диск в посока на въртене. Ако влезем вътре, ще се въртим в кръг като на луда въртележка, всмукана в центъра. И когато достигнем сингулярността, тя ще бъде под формата на пръстен. Различните части на нашето тяло ще изпаднат в една особеност върху вътрешната ергоповърхност на черната дупка на Кер в различни пространствени координати. Когато наближим сингулярността от хоризонта на събитията, постепенно ще загубим способността да виждаме други части от тялото си.
Най-важната информация, която трябва да се извлече от всичко това, е, че самата структура на пространството е в движение; и хоризонтът на събитията се определя като мястото, където дори и със способността да пътувате с границата на най-високата космическа скорост, която е скоростта на светлината, и във всяка посока, винаги ще се натъкнете на една особеност.
Предаванията на Андрю Хамилтън са най-добрите и научно точни симулации на това, което се случва, когато ударите черна дупка. Те са толкова противодействащи и толкова парадоксални, че мога да ви препоръчам само едно: наблюдавайте ги отново и отново, докато не се заблудите да мислите, че ги разбирате. Това е прекрасна и фантастична гледка. И ако духът на авантюризма у вас е толкова силен, че решите да влезете в черна дупка и да влезете в хоризонта на събитията, това ще бъде последното нещо, което виждате!
Итън Сийгъл
