Hoe voelt het om in een draaiend zwart gat te vallen? Het is onmogelijk om dit waar te nemen, maar je kunt berekenen … De vraag is buitengewoon interessant, en de wetenschap kan deze beantwoorden, omdat de eigenschappen van zwarte gaten bekend zijn, schrijft Forbes. De doctor in de astrofysica sprak met veel mensen die dergelijke berekeningen hebben gemaakt en heeft haast om over de buitengewoon interessante bevindingen te praten, ondersteund door een aantal visualisaties.
Er zijn veel verschrikkelijke manieren waarop het universum iets kan vernietigen. Als je in de ruimte probeert je adem in te houden, zullen je longen exploderen. En als je alle lucht uitademt tot aan het laatste molecuul, schakel het dan na een paar seconden uit. Op sommige plaatsen in het universum verander je in ijs als de warmte je lichaam verlaat; op andere plaatsen is het zo heet dat je atomen in plasma veranderen. Maar als ik bedenk hoe het universum van mij (of jou) af kan komen, kan ik me geen betoverender schouwspel voorstellen dan in een zwart gat gaan. Wetenschapper Heino Falcke, die werkt aan het Event Horizon Telescope-project, is dezelfde mening toegedaan. Hij vraagt:
Hoe voelt het om in een draaiend zwart gat te vallen? Het is onmogelijk om dit waar te nemen, maar het is wel te berekenen … Ik heb met veel mensen gesproken die zulke berekeningen hebben gemaakt, maar ik word oud en begin veel te vergeten.
Deze vraag is buitengewoon interessant, en de wetenschap kan ze beantwoorden. Laten we het haar vragen.
Volgens onze gravitatietheorie, Einsteins algemene relativiteitstheorie, zijn er maar drie kenmerken die de eigenschappen van een zwart gat bepalen. Daar zijn ze:
1. Massa, of de totale hoeveelheid materie en de bijbehorende hoeveelheid energie (berekend met de formule E = mc2), die werd besteed aan de vorming en groei van het zwarte gat in zijn huidige staat.
2. De lading, of de totale elektrische lading die in een zwart gat ontstaat van alle positief en negatief geladen objecten die daar tijdens zijn bestaan vallen.
3. Het impulsmoment, of rotatiemoment, dat de totale hoeveelheid rotatiebeweging van een zwart gat meet.
Promotie video:
Realistisch gezien moeten alle zwarte gaten in het heelal een grote massa, een aanzienlijk koppel en een verwaarloosbare lading hebben. Dit maakt de zaken erg ingewikkeld.
Als we aan een zwart gat denken, stellen we het voor in een vereenvoudigde vorm, die alleen wordt gekenmerkt door massa. Het heeft een waarnemingshorizon rond een enkel punt (singulariteit), evenals een gebied rond dit punt, waaruit licht niet kan ontsnappen. Dit gebied heeft de vorm van een perfecte bol en een grens die gebieden scheidt die licht kunnen uitstralen en gebieden die dat niet doen. Deze grens is de waarnemingshorizon. De waarnemingshorizon bevindt zich op een zeer specifieke en gelijke afstand (Schwarzschild-straal) van de singulariteit in alle richtingen.
Dit is een vereenvoudigde beschrijving van een echt zwart gat. Maar het is beter om te beginnen met fysische verschijnselen die zich voordoen op twee specifieke locaties: buiten de waarnemingshorizon en binnen de waarnemingshorizon.
Buiten de waarnemingshorizon gedraagt de zwaartekracht zich zoals gewoonlijk. De ruimte wordt gekromd door de aanwezigheid van deze massa, waardoor alle objecten in het heelal een versnelling krijgen in de richting van de centrale singulariteit. Als we op grote afstand van het rustende zwarte gat beginnen en het object erin laten vallen, wat zien we dan?
Stel dat we in staat zijn stil te blijven. In dit geval zullen we zien hoe het object langzaam maar met versnelling van ons af beweegt, richting dit zwarte gat. Het versnelt naar de waarnemingshorizon met behoud van zijn kleur. Maar dan gebeurt er iets vreemds. Het object lijkt langzamer te worden, vervaagt en vervaagt en wordt dan steeds roder. Maar het verdwijnt niet helemaal. In plaats daarvan lijkt het deze staat van verdwijning te naderen: het wordt minder duidelijk, meer rood en het wordt steeds moeilijker om het op te sporen. De waarnemingshorizon is als de asymptoot van het licht van een object: we kunnen het altijd zien als we goed kijken.
Stel je nu hetzelfde scenario voor, maar deze keer zullen we geen object van veraf in een zwart gat zien vallen. We wanen ons in de plaats van een vallend voorwerp. En in dit geval zullen onze sensaties compleet anders zijn.
De waarnemingshorizon groeit veel sneller naarmate de ruimte vervormt dan we hadden verwacht. De ruimte is zo gekromd rond de waarnemingshorizon dat we talloze beelden van het uiterlijke universum beginnen te zien, alsof het wordt gereflecteerd en binnenstebuiten wordt gekeerd.
En wanneer we de waarnemingshorizon oversteken en naar binnen gaan, zien we niet alleen het buitenste universum, maar een deel ervan binnen de waarnemingshorizon. Het licht dat we ontvangen verschuift naar het violette deel van het spectrum, dan terug naar het rood, en we vallen onvermijdelijk in de singulariteit. Op de laatste momenten lijkt de ruimte vreemd plat.
Het fysieke beeld van dit fenomeen is complex, maar de berekeningen zijn vrij eenvoudig en ongecompliceerd, en ze werden briljant uitgevoerd in een reeks wetenschappelijke artikelen die in 2000-2010 zijn geschreven door Andrew Hamilton van de Universiteit van Colorado. Hamilton creëerde ook een reeks levendige visualisaties van wat we zien als we in een zwart gat vallen op basis van zijn berekeningen.
Er zijn veel lessen te trekken uit deze resultaten, en veel ervan zijn contra-intuïtief. Door ze te achterhalen, kunnen we onze visuele perceptie van ruimte veranderen. Meestal stellen we ons de ruimte voor als een soort roerloze structuur en denken dat de waarnemer er ergens in is gevallen. Binnen de evenementenhorizon zijn we echter constant in beweging. Alle ruimte is in wezen in beweging als een lopende band. Het beweegt constant en beweegt alles in zichzelf in de richting van de singulariteit.
Het beweegt alles zo snel dat zelfs als we beginnen te versnellen, weg van de singulariteit, met een oneindige hoeveelheid kracht, we nog steeds naar het centrum zullen vallen. Licht van objecten buiten de waarnemingshorizon zal ons nog steeds vanuit alle richtingen bereiken, maar wij, binnen de waarnemingshorizon, zullen slechts een deel van deze objecten kunnen zien.
De lijn die de grens definieert tussen wat de waarnemer ziet, wordt in de wiskunde cardiodide genoemd. De component van de grootste straal van de cardioïde raakt de waarnemingshorizon en de component van de kleinste straal eindigt op de singulariteit. Dit betekent dat, hoewel de singulariteit een punt is, het niet onvermijdelijk verbindt wat erin gaat met al het andere. Als jij en ik gelijktijdig naar de tegenoverliggende zijden van de waarnemingshorizon gaan, zullen we elkaar niet langer kunnen zien nadat we deze zijn overgestoken.
De reden hiervoor ligt in de structuur van het heelal zelf, dat constant in beweging is. Binnen de waarnemingshorizon reist de ruimte sneller dan het licht, en daarom kan niets verder gaan dan het zwarte gat. Om dezelfde reden beginnen we in een zwart gat vreemde dingen te zien, bijvoorbeeld veel afbeeldingen van hetzelfde object.
U kunt dit begrijpen door de volgende vraag te stellen: "Waar is de singulariteit?"
Omdat we binnen de waarnemingshorizon van een zwart gat zijn, zullen we, nadat we in een willekeurige richting zijn begonnen, onszelf uiteindelijk in een singulariteit begraven. Het is verbazingwekkend, maar de singulariteit verschijnt in alle richtingen! Als je je voeten naar voren beweegt en accelereert, zie je je voeten tegelijkertijd onder je en boven je. Dit alles is vrij eenvoudig te berekenen, hoewel zo'n beeld een opvallende paradox lijkt te zijn. Ondertussen beschouwen we alleen een vereenvoudigd geval: een zwart gat dat niet roteert.
De eerste foto van een zwart gat en zijn vurige halo.
Laten we nu eens kijken naar het grappigste in termen van fysica en kijken naar een zwart gat dat ronddraait. Zwarte gaten hebben hun oorsprong te danken aan materiesystemen, zoals sterren, die constant met een of andere snelheid ronddraaien. In ons universum (en in de algemene relativiteitstheorie) is het koppel een behouden eigenschap van elk gesloten systeem en er is geen manier om er vanaf te komen. Wanneer het aggregaat van materie krimpt tot een straal die kleiner is dan de straal van de waarnemingshorizon, wordt het rotatiemoment, net als massa, binnenin opgesloten.
De oplossing is hier veel gecompliceerder. Einstein bracht zijn relativiteitstheorie naar voren in 1915, en Karl Schwarzschild kreeg begin 1916 de oplossing voor een niet-roterend zwart gat, dat wil zeggen een paar maanden later. Maar de volgende stap in de realistische modellering van dit probleem - aangezien een zwart gat niet alleen massa maar ook koppel heeft - werd pas in 1963 genomen door Roy Kerr, die een oplossing vond.
Er zijn enkele fundamentele en belangrijke verschillen tussen de ietwat naïeve en eenvoudige oplossing van Schwarzschild en de meer realistische en complexe oplossing van Kerr. Hier zijn enkele verrassende verschillen:
1. In plaats van een enkele oplossing voor de vraag waar de waarnemingshorizon is, heeft een roterend zwart gat twee wiskundige oplossingen: een binnenste en een buitenste gebeurtenishorizon.
2. Voorbij de buitenste waarnemingshorizon is er een plaats die bekend staat als de ergosfeer, waar de ruimte zelf beweegt met een hoeksnelheid die gelijk is aan de snelheid van het licht, en waar deeltjes die erin komen een enorme versnelling krijgen.
3. Er is een maximaal toelaatbare koppel / massaverhouding. Als de waarde van het koppel te groot is, zendt het zwarte gat deze energie uit (door gravitatiestraling) totdat de verhouding weer normaal wordt.
4. En het meest opvallende is dat de singulariteit in het centrum van het zwarte gat niet langer een punt is, maar eerder een eendimensionale ring, waarbij de straal van de ring wordt bepaald door de massa en het rotatiemoment van het zwarte gat.
Als we dit allemaal weten, kunnen we dan begrijpen wat er gebeurt als we in een draaiend zwart gat komen? Ja, hetzelfde als het betreden van een niet-roterend zwart gat, behalve dat de ruimte zich niet gedraagt alsof het in een centrale singulariteit valt. De ruimte gedraagt zich alsof deze in de draairichting rond de omtrek wordt getrokken. Het ziet eruit als een draaikolk. Hoe groter de verhouding tussen rotatiebeweging en massa, hoe sneller de rotatie plaatsvindt.
Dit betekent dat als we iets naar binnen zien vallen, we zullen opmerken hoe dit iets rood wordt en geleidelijk verdwijnt, maar niet alleen. Het wordt samengedrukt en verandert in de draairichting in een ring of schijf. Als we naar binnen gaan, worden we omcirkeld als op een gekke carrousel, naar het midden gezogen. En wanneer we de singulariteit bereiken, zal deze de vorm hebben van een ring. Verschillende delen van ons lichaam zullen in verschillende ruimtelijke coördinaten in een singulariteit vallen op het binnenste ergosurface van het Kerr zwarte gat. Als we de singulariteit vanuit de waarnemingshorizon naderen, zullen we geleidelijk het vermogen verliezen om andere delen van ons lichaam te zien.
De belangrijkste informatie die uit dit alles kan worden gehaald, is dat de structuur van de ruimte zelf in beweging is; en de waarnemingshorizon wordt gedefinieerd als de plaats waar je, zelfs met de mogelijkheid om te reizen met de limiet van de hoogste kosmische snelheid, dat wil zeggen de snelheid van het licht, en in elke richting, altijd op een singulariteit zult stuiten.
De weergaven van Andrew Hamilton zijn de beste en meest wetenschappelijk nauwkeurige simulaties van wat er gebeurt als je een zwart gat raakt. Ze zijn zo contra-intuïtief en zo paradoxaal dat ik je maar één ding kan aanbevelen: houd ze keer op keer in de gaten totdat je jezelf voor de gek houdt door te denken dat je ze begrijpt. Dit is een prachtig en fantastisch gezicht. En als de geest van avontuur in jou zo sterk is dat je besluit om een zwart gat in te gaan en binnen de waarnemingshorizon te komen, dan is dit het laatste wat je ziet!
Ethan Siegel
