Het universum vernietigt iets op verschillende manieren. Als je je adem in de ruimte probeert in te houden, zullen je longen exploderen; als je in plaats daarvan elk molecuul lucht inademt, verlies je het bewustzijn. Op sommige plaatsen zul je bevriezen, omdat je de laatste lichaamswarmte hebt verloren; andere zullen zo heet zijn dat de atomen in je lichaam in plasma veranderen. Maar van alle manieren waarop het universum objecten verwijdert, is het leukste om het in een zwart gat te sturen.
Wat is er voorbij de evenementhorizon?
Volgens onze zwaartekrachttheorie - Einsteins algemene relativiteitstheorie - worden de eigenschappen van een zwart gat door drie dingen bepaald. Namelijk:
- Massa, of de totale hoeveelheid materie en de equivalente hoeveelheid energie (volgens de formule E = mc2), die naar de vorming en groei van een zwart gat gaan tot zijn huidige staat.
- De lading, of de totale elektrische lading die in een zwart gat bestaat van alle positief en negatief geladen objecten die tijdens de hele geschiedenis van zijn leven in het zwarte gat zijn gevallen.
- Impulsmoment (moment) of spin, wat een maat is voor de totale hoeveelheid rotatiebeweging die een zwart gat van nature heeft.
In werkelijkheid moeten alle zwarte gaten die fysiek in ons universum bestaan, grote massa's, aanzienlijke hoeveelheden impulsmoment en verwaarloosbare ladingen hebben. Dit maakt de situatie buitengewoon moeilijk.
Wanneer we ons gewoonlijk een zwart gat voorstellen, stellen we ons een eenvoudige versie ervan voor, die alleen wordt beschreven door zijn massa. Het heeft een waarnemingshorizon rond een punt, en een gebied rond dat punt, waarachter licht niet kan gaan. Dit gebied is volledig bolvormig en heeft een grens die gebieden scheidt waaruit licht kan ontsnappen en waaruit het niet kan: de waarnemingshorizon. De waarnemingshorizon bevindt zich op een bepaalde afstand (straal Schwarzschild) van de singulariteit in alle richtingen tegelijk.
Promotie video:
Dit is een vereenvoudigde versie van een realistisch zwart gat, maar een geweldige plek om na te denken over fysica die zich op twee verschillende plaatsen afspeelt: voorbij de waarnemingshorizon en binnen de waarnemingshorizon.
Buiten de waarnemingshorizon gedraagt de zwaartekracht zich zoals je normaal zou verwachten. De ruimte buigt in de aanwezigheid van massa, waardoor elk object in het universum versnelt naar de centrale singulariteit. Als je op grote afstand van een zwart gat in rust was en een object erin zou laten vallen, wat zou je dan zien?
Ervan uitgaande dat het je is gelukt om stil te blijven, zul je het vallende object langzaam van je naar dit zwarte gat zien versnellen. Het zal versnellen naar de waarnemingshorizon, waarna er iets vreemds zal gebeuren. Het zal u lijken dat het langzamer gaat, vervaagt en roder wordt. Maar het zal niet helemaal verdwijnen. Het komt er alleen maar dichterbij: het wordt dof, rood en moeilijker te detecteren. Je kunt het altijd zien als je goed genoeg kijkt.
Laten we ons nu hetzelfde scenario voorstellen, maar laten we ons deze keer voorstellen dat u hetzelfde object bent dat in een zwart gat valt. De ervaring zal compleet anders zijn.
De waarnemingshorizon wordt veel sneller groter dan je had verwacht naarmate de kromming van de ruimte sterker wordt. De ruimte is zo gekromd rond de waarnemingshorizon dat je veel beelden van het universum zult zien, dat van buitenaf is, alsof het wordt gereflecteerd en omgedraaid.
En als je eenmaal de waarnemingshorizon bent gepasseerd, kun je niet alleen nog steeds het buitenste universum zien, maar een deel van het universum binnen de waarnemingshorizon. Op de laatste momenten ziet de ruimte er helemaal vlak uit.
Wat zit er in een zwart gat?
De fysica van dit alles is complex, maar de berekeningen zijn vrij eenvoudig en zeer elegant uitgevoerd door Andrew Hamilton van de Universiteit van Colorado in een serie artikelen uit de late jaren 2000 en begin 2010. Hamilton heeft op basis van deze berekeningen ook een reeks indrukwekkende weergaven gemaakt van wat je in een zwart gat zult zien vallen.
Na onderzoek van deze resultaten kunnen we een aantal conclusies trekken, waarvan er vele onlogisch zijn. Om ze te begrijpen, moet je de manier waarop je ruimte vertegenwoordigt veranderen. We beschouwen het meestal als een onbeweeglijk weefsel en denken dat de waarnemer ergens "afdaalt". Maar binnen de evenementenhorizon ben je altijd in beweging. De ruimte beweegt - als een tredmolen - continu en beweegt alles op zichzelf naar de singulariteit.
En het beweegt alles zo snel dat zelfs als je rechtstreeks vanuit de singulariteit met oneindige kracht accelereert, je nog steeds naar het centrum valt. Objecten buiten de waarnemingshorizon sturen je nog steeds licht vanuit alle richtingen, maar je zult slechts een fractie van de objecten buiten de waarnemingshorizon kunnen zien.
De lijn die de grens definieert tussen wat elke waarnemer kan zien, wordt wiskundig beschreven door de cardioïde, waarbij de component met de grootste straal de waarnemingshorizon raakt en de component met de kleinste straal de singulariteit heeft. Dit betekent dat een singulariteit, zelfs als een punt, niet noodzakelijk alles wat erin valt, met al het andere verbindt. Als jij en ik tegelijkertijd vanuit verschillende richtingen in de waarnemingshorizon vallen, zullen we elkaars licht nooit zien nadat de waarnemingshorizon kruist.
De reden hiervoor is het constant bewegende weefsel van het heelal zelf. Binnen de waarnemingshorizon beweegt de ruimte sneller dan het licht, zodat er niets uit het zwarte gat kan ontsnappen. Daarom begin je bij het raken van een zwart gat vreemde dingen te zien, zoals meerdere afbeeldingen van hetzelfde object.
U kunt dit begrijpen door de vraag te stellen: waar is de singulariteit?
Vanuit de gebeurtenishorizon van het zwarte gat, in welke richting je ook beweegt, kom je de singulariteit zelf tegen. Vreemd genoeg verschijnt de singulariteit daarom in alle richtingen. Als je benen in de richting van versnelling wijzen, zie je ze voor je, maar ook boven je. Dit alles is eenvoudig te berekenen, zij het uiterst onlogisch. En dat is slechts voor een vereenvoudigd geval: een niet-roterend zwart gat.
Laten we nu verder gaan met het fysiek interessante geval: wanneer het zwarte gat roteert. Zwarte gaten danken hun oorsprong aan materiesystemen - zoals sterren - die altijd op een bepaald niveau roteren. In ons universum (en in de algemene relativiteitstheorie) is impulsmoment de absoluut ingesloten grootheid voor elk gesloten systeem; er is geen manier om er vanaf te komen. Wanneer het aggregaat van materie instort tot een straal die kleiner is dan de straal van de waarnemingshorizon, wordt het impulsmoment erin opgesloten, net als massa.
De oplossing die we hier hebben, zal veel gecompliceerder zijn. Einstein presenteerde de algemene relativiteitstheorie in 1915 en Karl Schwarzschild verkreeg een paar maanden later, begin 1916, een oplossing voor een niet-roterend zwart gat. Maar de volgende stap om dit probleem op een meer realistische manier te modelleren - waar het zwarte gat een impulsmoment heeft, niet alleen massa - werd pas in 1963 genomen, toen Roy Kerr de exacte oplossing vond in 1963.
Er zijn verschillende fundamentele en belangrijke verschillen tussen de meer naïeve en eenvoudigere oplossing van Schwarzschild en de meer realistische en complexe oplossing van Kerr. Onder hen:
- In plaats van een enkele beslissing over waar de waarnemingshorizon is, heeft een roterend zwart gat twee wiskundige oplossingen: een binnenste en buitenste gebeurtenishorizon.
- Voorbij zelfs de buitenste waarnemingshorizon is er een plaats die bekend staat als de ergosfeer, waarin de ruimte zelf beweegt met een rotatiesnelheid die gelijk is aan de snelheid van het licht, en de deeltjes erin enorme versnellingen ondergaan.
- Er is een maximaal toelaatbare verhouding tussen impulsmoment en massa; als het momentum te sterk is, zal het zwarte gat deze energie uitstralen (door middel van gravitatiestraling) tot aan de limiet.
- En het meest interessante: de singulariteit in het midden van het zwarte gat is niet langer een punt, maar een eendimensionale ring waarvan de straal wordt bepaald door de massa en het impulsmoment van het zwarte gat.
Met dit alles in gedachten, wat gebeurt er als je een zwart gat raakt? Ja, het is hetzelfde als wat er gebeurt als je in een niet-roterend zwart gat valt, behalve dat niet alle ruimte zich gedraagt alsof het naar de centrale singulariteit valt. In plaats daarvan gedraagt de ruimte zich ook alsof ze in de draairichting beweegt, als een wervelende trechter. Hoe groter de verhouding tussen impulsmoment en massa, hoe sneller het roteert.
Dit betekent dat als je iets in een zwart gat ziet vallen, je zult zien dat het zwakker en roder wordt, maar ook in de draairichting in een ring of schijf wordt gesmeerd. Als je in een zwart gat valt, word je rondgedraaid als een carrousel die je naar het midden trekt. En als je de singulariteit bereikt, zal het een ring zijn; verschillende delen van je lichaam zullen een singulariteit ontmoeten - op het binnenste ergosurface van het Kerr zwarte gat - in verschillende ruimtelijke coördinaten. U zult geleidelijk aan stoppen met het zien van andere delen van uw eigen lichaam.
Het belangrijkste dat je uit dit alles moet begrijpen, is dat het weefsel van de ruimte zelf in beweging is, en de waarnemingshorizon wordt gedefinieerd als een plaats waarin je, ongeacht de richting die je kiest, onvermijdelijk zult botsen, zelfs als je beweegt met de snelheid van het licht. met een singulariteit.
De visualisaties van Andrew Hamilton zijn de beste en meest nauwkeurige modellen van wat er gebeurt als je in een zwart gat valt, en zo onlogisch dat ze keer op keer bekeken moeten worden totdat je iets begint te begrijpen (je begint niet echt). Het is griezelig en mooi, en als je avontuurlijk genoeg bent om ooit in een zwart gat te vliegen en de waarnemingshorizon over te steken, is dit het laatste dat je ooit hebt gezien.
Ilya Khel
