Kā jūtas iekrist melnajā caurumā, kas vērpjas? To nav iespējams novērot, bet var aprēķināt … Jautājums ir ārkārtīgi interesants, un zinātne spēj uz to atbildēt, jo ir zināmas melno caurumu īpašības, raksta Forbes. Astrofizikas doktors runāja ar daudziem cilvēkiem, kuri veica šādus aprēķinus, un steidz runāt par ārkārtīgi interesantiem atradumiem, kurus atbalsta vairākas vizualizācijas.
Ir daudz šausmīgu veidu, kā Visums var kaut ko iznīcināt. Kosmosā, mēģinot aizturēt elpu, jūsu plaušas eksplodēs. Un, ja jūs visu gaisu izelpojat līdz pēdējai molekulai, tad pēc pāris sekundēm to izslēdziet. Dažās Visuma vietās jūs pārvērtīsities ledus, kad siltums atstās jūsu ķermeni; citās vietās ir tik karsts, ka jūsu atomi pārvērtīsies plazmā. Bet, apsverot to, kā Visums var atbrīvoties no manis (vai jūs), es nevaru iedomāties vairāk aizraujošu skatu, nekā iedziļināšanos melnajā caurumā. Zinātnieks Heino Falcke, kurš strādā pie projekta Event Horizon Telescope, ir vienāds viedoklis. Viņš jautā:
Kā jūtas iekrist melnajā caurumā, kas vērpjas? To nav iespējams novērot, bet ir iespējams aprēķināt … Esmu runājis ar daudziem cilvēkiem, kuri ir veikuši šādus aprēķinus, bet es novecoju un sāku daudz ko aizmirst.
Šis jautājums ir ārkārtīgi interesants, un zinātne spēj uz to atbildēt. Vaicāsim viņai.
Saskaņā ar mūsu gravitācijas teoriju, Einšteina vispārējo relativitātes teoriju, ir tikai trīs raksturlielumi, kas nosaka melnā cauruma īpašības. Šeit tie ir:
1. Masa jeb kopējais vielas daudzums un atbilstošais enerģijas daudzums (aprēķināts pēc formulas E = mc2), kas tika iztērēts melnā cauruma veidošanai un augšanai tā pašreizējā stāvoklī.
2. Lādiņš jeb kopējais elektriskais lādiņš, kas melnajā caurumā rodas no visiem pozitīvi un negatīvi uzlādētiem objektiem, kas tur krīt tā pastāvēšanas laikā.
3. Leņķiskais impulss jeb griešanās moments, kas mēra melnā cauruma kopējo rotācijas kustības daudzumu.
Reklāmas video:
Reāli visiem Visuma melnajiem caurumiem jābūt ar lielu masu, ievērojamu griezes momentu un nenozīmīgu lādiņu. Tas ļoti sarežģī lietas.
Domājot par melno caurumu, mēs to pārstāvam vienkāršotā formā, raksturojot tikai ar masu. Tam ir notikumu horizonts ap vienu punktu (singularitāte), kā arī teritorija, kas ieskauj šo punktu, no kuras gaisma nevar izkļūt. Šai zonai ir nevainojamas sfēras forma un robeža, kas atdala apgabalus, kas var izstarot gaismu, un tos, kas neizstaro. Šī robeža ir notikumu horizonts. Notikuma horizonts atrodas ļoti specifiskā un vienādā attālumā (ŠvarcŠilda rādiuss) no singularitātes visos virzienos.
Šis ir vienkāršota īsta melnā cauruma apraksts. Bet labāk ir sākt ar fiziskām parādībām, kas notiek divās konkrētās vietās: ārpus notikuma horizonta un notikuma horizonta iekšpusē.
Ārpus notikumu horizonta gravitācija uzvedas kā parasti. Kosmoss ir izliekts ar šīs masas klātbūtni, dodot visiem Visuma objektiem paātrinājumu centrālās singularitātes virzienā. Ja mēs sākam lielā attālumā no atpūtas melnā cauruma un ļaujam objektam tajā iekrist, ko mēs redzam?
Pieņemsim, ka mēs spējam palikt nekustīgi. Šajā gadījumā mēs redzēsim, kā objekts lēnām, bet ar paātrinājumu virzās prom no mums, virzoties uz šo melno caurumu. Tas paātrinās notikumu horizonta virzienā, saglabājot krāsu. Bet tad notiek kaut kas dīvains. Objekts, šķiet, palēninās, izbalē un izplūst, un pēc tam kļūst arvien sarkanāks. Bet tas pilnībā nepazūd. Tā vietā, šķiet, tuvojas šim pazušanas stāvoklim: tas kļūst mazāk atšķirīgs, sarkanāks un arvien grūtāk to atklāt. Notikuma horizonts ir kā objekta gaismas asimptots: mēs vienmēr to varam redzēt, ja vērojam cieši.
Tagad iedomājieties to pašu scenāriju, bet šoreiz mēs neredzēsim objektu, kas no tālienes iekrīt melnajā caurumā. Mēs iedomāsimies sevi krītoša objekta vietā. Un šajā gadījumā mūsu sajūtas būs pilnīgi atšķirīgas.
Notikuma horizonts palielinās daudz ātrāk, kosmosam klīstot, nekā gaidījām. Kosmoss ir tik izliekts ap notikuma horizontu, ka mēs sākam redzēt daudzus ārējā Visuma attēlus, it kā tas būtu atspoguļots un pagriezts uz āru.
Kad mēs šķērsojam notikuma horizontu un nokļūstam iekšā, mēs redzam ne tikai ārējo Visumu, bet arī tā daļu notikuma horizonta iekšpusē. Gaisma, ko mēs saņemam, pāriet uz violeto spektra daļu, pēc tam atpakaļ uz sarkano, un mēs neizbēgami nonākam singularitātē. Pēdējos brīžos kosmoss šķiet savādi līdzens.
Šīs parādības fiziskais attēls ir sarežģīts, taču aprēķini ir diezgan vienkārši un precīzi, un tie izcili tika veikti zinātnisko darbu sērijā, ko 2000. – 2010. Gadā sarakstījis Endrjū Hamiltons no Kolorādo universitātes. Hamiltons arī izveidoja virkni spilgtu vizualizāciju par to, ko mēs redzam, kad mēs iekrītam melnajā caurumā, pamatojoties uz viņa aprēķiniem.
No šiem rezultātiem ir jāgūst daudz mācību, un daudzi no tiem ir pretrunīgi intuitīvi. Mēģinot tos izdomāt, mēs varēsim mainīt savu vizuālo telpas uztveri. Parasti mēs iedomājamies kosmosu kā kaut kādu nekustīgu struktūru un domājam, ka novērotājs ir kaut kur iekritis tajā. Tomēr notikumu horizontā mēs pastāvīgi atrodamies kustībā. Visa telpa būtībā ir kustībā kā konveijera lente. Tas pastāvīgi pārvietojas, pārvietojot visu sevī singularitātes virzienā.
Tas visu virzās tik ātri, ka pat tad, ja mēs sākam paātrināties no singularitātes, kam ir bezgalīgs spēka daudzums, mēs tomēr kritīsim centra virzienā. Gaisma no objektiem ārpus notikuma horizonta joprojām sasniegs mūs no visiem virzieniem, bet mēs, būdami notikuma horizonta iekšpusē, varēsim redzēt tikai daļu no šiem objektiem.
Līniju, kas nosaka robežu starp to, ko novērotājs redz, matemātikā sauc par kardiodīdu. Kardioīda lielākā rādiusa sastāvdaļa pieskaras notikuma horizontam, un mazākā rādiusa komponents beidzas pie singularitātes. Tas nozīmē, ka, kaut arī singularitātei ir jēga, tas neizbēgami savieno to, kas notiek ar visu pārējo. Ja jūs un es vienlaikus dodamies uz pretējām notikuma horizonta malām, tad pēc tam, kad to šķērsosit, mēs vairs nevarēsim redzēt viens otru.
Iemesls tam ir pašā Visuma struktūrā, kas pastāvīgi atrodas kustībā. Notikuma horizonta telpā telpa pārvietojas ātrāk nekā gaisma, un tāpēc nekas nevar pārsniegt melno caurumu. Tā paša iemesla dēļ, atrodoties melnajā caurumā, mēs sākam redzēt dīvainas lietas, piemēram, daudzus tā paša objekta attēlus.
To var saprast, uzdodot šādu jautājumu: "Kur ir singularitāte?"
Atrodoties melnā cauruma notikumu horizontā, mēs, sākot kustību jebkurā virzienā, galu galā apbedīsim sevi savdabībā. Tas ir pārsteidzoši, bet singularitāte parādās visos virzienos! Ja jūs pārvietojat pēdas uz priekšu un paātrināsit, jūs vienlaikus redzēsit kājas zem jums un virs jums. To visu ir diezgan viegli aprēķināt, lai gan šāds attēls, šķiet, ir pārsteidzošs paradokss. Tikmēr mēs apsveram tikai vienkāršotu gadījumu: melnu caurumu, kas negriežas.
Pirmā melnā cauruma un tā ugunīgās halo fotogrāfija.
Tagad nolaidīsimies pie smieklīgākās lietas fizikas ziņā un apskatīsim melno caurumu, kas griežas. Melnie caurumi ir parādā to matērijas sistēmām, piemēram, zvaigznēm, kuras pastāvīgi rotē vienā vai otrā ātrumā. Mūsu Visumā (un vispārējā relativitātē) griezes moments ir jebkuras slēgtas sistēmas konservēts īpašums, un no tā nav iespējams atbrīvoties. Kad matērijas kopums sarūk līdz rādiusam, kas ir mazāks par notikuma horizonta rādiusu, rotācijas moments, tāpat kā masa, tiek ieslodzīts un ieslodzīts iekšpusē.
Risinājums šeit ir daudz sarežģītāks. Einšteins savu relativitātes teoriju izvirzīja 1915. gadā, un Kārlis Švarcšilds 1916. gada sākumā, tas ir, pēc pāris mēnešiem, ieguva risinājumu negrozošam melnajam caurumam. Bet nākamais solis šīs problēmas reālistiskā modelēšanā - ņemot vērā, ka melnajam caurumam ir ne tikai masa, bet arī griezes moments -, to spēja izdarīt tikai 1963. gadā Rijs Kerrs, kurš atrada risinājumu.
Starp Schwarzschild nedaudz naivo un vienkāršo risinājumu un Kerr reālistiskāko un sarežģītāko risinājumu ir dažas būtiskas un svarīgas atšķirības. Šeit ir dažas pārsteidzošas atšķirības:
1. Vienota risinājuma vietā jautājumam par to, kur atrodas notikumu horizonts, rotējošajam melnajam caurumam ir divi matemātiski risinājumi: iekšējais un ārējais notikumu horizonts.
2. Aiz ārējā notikumu horizonta ir vieta, ko sauc par ergosfēru, kur pati telpa pārvietojas ar leņķa ātrumu, kas vienāds ar gaismas ātrumu, un daļiņas, kas tajā nonāk, saņem kolosālu paātrinājumu.
3. Ir maksimāli pieļaujamā griezes momenta / masas attiecība. Ja griezes momenta vērtība ir pārāk liela, melnais caurums izstaro šo enerģiju (ar gravitācijas starojuma palīdzību), līdz attiecība normalizējas.
4. Un pats pārsteidzošākais ir tas, ka singularitāte melnā cauruma centrā vairs nav punkts, bet drīzāk viendimensionāls gredzens, kur gredzena rādiusu nosaka melnā cauruma masa un rotācijas moments.
To visu zinot, vai mēs varam saprast, kas notiek, kad mēs iekļūstam rotējošā melnā cauruma iekšpusē? Jā, tas pats, kas iekļūt negrozošā melnajā caurumā, izņemot to, ka telpa neuzvedas tā, it kā tā nonāktu centrālā singularitātē. Telpa uzvedas tā, it kā tā tiktu vilkta pa apkārtmēru griešanās virzienā. Tas izskatās kā virpuļvanna. Jo lielāka rotācijas kustības un masas attiecība, jo ātrāk notiek rotācija.
Tas nozīmē, ka, redzot, ka kaut kas iekrīt uz iekšu, mēs pamanīsim, kā tas kaut kas kļūst sarkans un pakāpeniski pazūd, bet ne tikai. Tas ir saspiests un griešanās virzienā pārvēršas par gredzenu vai disku. Ja mēs iekļūsim iekšā, mēs tiksim aplidoti kā uz neprātīgas karuseļa, iesūkti centrā. Un, kad mēs sasniegsim singularitāti, tas būs gredzena formā. Dažādās mūsu ķermeņa daļās Kerr melnā cauruma iekšējā ergas virsma dažādās telpiskās koordinātās nonāks savdabībā. Tuvojoties singularitātei no notikumu horizonta, mēs pakāpeniski zaudēsim spēju redzēt citas ķermeņa daļas.
Vissvarīgākā informācija, kas no tā visa jāgūst, ir tāda, ka pati telpas struktūra ir kustībā; un notikuma horizonts tiek definēts kā vieta, kur jūs, pat ja spējat ceļot pie visaugstākā kosmiskā ātruma, kas ir gaismas ātrums, un jebkurā virzienā, jūs vienmēr paklupsit uz singularitātes.
Endrjū Hamiltona apmetumi ir labākās un zinātniski precīzākās simulācijas tam, kas notiek, kad jūs nokļūstat melnajā caurumā. Viņi ir tik pretintuitīvi un tik paradoksāli, ka varu jums ieteikt tikai vienu: uzmanieties tos atkal un atkal, līdz jūs sevi apmānāt, domājot, ka saprotat viņus. Šis ir brīnišķīgs un fantastisks skats. Un, ja avantūrisma gars tevī ir tik stiprs, ka jūs nolemjat iedziļināties melnā caurumā un iekļūt notikuma horizonta iekšienē, šī būs pēdējā lieta, ko redzat!
Etāns Sīgels