Ogólna Teoria Względności

Jak wygląda czarna dziura z bliska?

>

Jak wyglądałaby czarna dziura, gdybyś był blisko niej?

Na to pytanie można odpowiedzieć na kilka sposobów. Jeden sposób to: nic. Jest czarny, więc nic nie będzie wyglądał.

To może być niezadowalające.



Inny sposób jest taki: to nie ma znaczenia, bo za kilka milisekund i tak będziesz martwy.

To trochę mroczne i choć prawdziwe, również niezadowalające.

Jeśli jednak jesteś naukowcem, odpowiedź jest bardziej skomplikowana. Nie musimy zbliżać się do czarnej dziury, aby dowiedzieć się, jak ona wygląda, więc przeciwstawianie się naszej własnej śmierci nie jest konieczne. A jeśli założymy, że czarna dziura aktywnie zjada, powiedzmy, duży obłok gazu, wtedy możemy dowiedzieć się, jak to wygląda.

Potrzebujesz dużo matematyki i fizyki, w tym fizyki relatywistycznej, fizyki transferu promienistego (zasadniczo, jak rzeczy się świecą) i dobrego komputera do wykonywania zaciętych obliczeń, ale dostajesz coś tak fajnego, że sprawia, że ​​mózg i… Fizyka zakręcająca czasoprzestrzeń jest tego warta.

gotowy gracz jeden pisanki

Bo wygląda to tak:

Uwaga: wiele osób jest zdezorientowanych widząc każdy światło z czarnej dziury. Światło nie może uciec z czarnej dziury, jeśli znajdzie się zbyt blisko, wewnątrz horyzontu zdarzeń (lub sfery fotonowej, w zależności od okoliczności). Ale poza tą odległością światło może swobodnie podróżować… ale nie bez zapłaty. Dowiedzmy się, jaka jest ta opłata.

Opisana wersja symulacji czarnej dziury wyjaśnia różne części tego dziwacznego obiektu. Źródło: NASA Goddard Space Flight Center / Jeremy SchnittmanZbliżenie

Opisana wersja symulacji czarnej dziury wyjaśnia różne części tego dziwacznego obiektu. Kredyt: Goddard Space Flight Center NASA / Jeremy Schnittman

Wracając do symulacji, wciąż poruszając się na zewnątrz, tuż poza tą sferą fotonową znajduje się wąski pierścień światła, zwany pierścieniem fotonowym. To światło z dysku akrecyjnego, w którym pozostają fotony zmierzające w kierunku czarnej dziury Tylko poza granicami sfery fotonowej, więc okrążają czarną dziurę kilka razy, zanim wyjdą. Wokół niego jest luka, ponieważ fotony, które pozostają daleko poza sferą fotonową, po prostu idą dalej — ich droga jest mocno zakrzywiona przez grawitację czarnej dziury, ale nie na tyle, aby skierować się w naszą stronę. Więc nie widzimy światła z tego regionu.

Poza sferą fotonową widzimy światło z samego dysku akrecyjnego… ale to bałagan. Pamiętaj, że jest to płaski dysk wokół czarnej dziury, jak pierścienie Saturna. Ale widzimy dysk po świetle, które emituje, a to jest wesołe piekło grane na nim przez czarną dziurę.

Ścieżka światła wokół czarnej dziury zostaje poważnie zniekształcona przez grawitację. Na tym diagramie Ziemia znajduje się po prawej stronie, a światło z materii znajdującej się za czarną dziurą wygina się w naszym kierunku, pozostawiając dziurę w miejscu, w którym znajduje się sama czarna dziura.Zbliżenie

Ścieżka światła wokół czarnej dziury zostaje poważnie zniekształcona przez grawitację. Na tym diagramie Ziemia znajduje się po prawej stronie, a światło z materii znajdującej się za czarną dziurą wygina się w naszym kierunku, pozostawiając dziurę w miejscu, w którym znajduje się sama czarna dziura. Kredyt: Nicolle R. Fuller/NSF

Przed czarną dziurą dysk wygląda w miarę (ha!) normalnie. To światło dociera z dysku do nas prosto ze studni grawitacyjnej czarnej dziury, więc nie jest tak zniekształcone. Jeśli jednak podążysz za nim w prawo, nagle załamie się w górę, tworząc łuk nad czarną dziurą. To jest tył dysku! Normalnie byś tego nie zobaczył, ponieważ znajduje się za czarną dziurą. Ale część światła z tej części dysku gaśnie na około oraz nad czarna dziura, wygięta przez silną grawitację w naszym kierunku, pozwalająca nam ją zobaczyć.

Światło w łuku nad czarną dziurą pochodzi z górnej części dysku akrecyjnego. Światło z spód również krąży wokół czarnej dziury, ale jest wygięty wokół dna czarnej dziury, więc widzimy również tę część dysku pod czarną dziurą. To wygląda na mniejsze koło niż górne, ale ten rozmiar i geometria zależy od kąta patrzenia. Kształt tych dwóch łuków zależy od kąta patrzenia, ponieważ sposób, w jaki światło jest zakrzywiane wokół czarnej dziury, zmienia sposób, w jaki ją widzimy, gdy poruszamy się w górę lub w dół względem samego dysku. Możesz to zobaczyć w filmie, gdy zmienia się kąt widzenia.

Jest jeszcze jedna rzecz do zapamiętania. W tej symulacji gaz w dysku akrecyjnym okrąża czarną dziurę od lewej do prawej. To jest ważne! Czy widzisz, że dysk po lewej stronie wygląda jaśniej niż po prawej? To prawdziwy efekt, zwany promieniowaniem relatywistycznym. Pisałem o tym wcześniej :

Jest efekt zwany relatywistyczne promieniowanie , spowodowane niewiarygodnie szybkim ruchem materiału, który krąży tuż poza czarną dziurą. Jeśli trzymasz żarówkę przed sobą, światło rozszerza się w sferze we wszystkich kierunkach, ale jeśli ta żarówka porusza się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, światło, które widzimy, wydaje się być emitowane jak latarka , wycelowany w kierunku, w którym się porusza. Ten dziwaczny efekt oznacza, że ​​obiekt skierowany w twoją stronę z prędkością bliską prędkości światła wydaje się jaśniejszy, ponieważ więcej jego światła jest skupione na tobie, a coś oddalającego się wydaje się ciemniejsze, ponieważ jego światło jest skupione od ciebie.

Gaz po lewej jest skierowany w twoją stronę, więc część jego światła, które w przeciwnym razie by cię ominęła, jest skierowana w twoją stronę, dzięki czemu wygląda jaśniej. Gaz po lewej oddala się od ciebie, więc jego światło jest jeszcze bardziej od ciebie oddalane, przyciemniając je.

Jeśli to wszystko brzmi znajomo, może to być spowodowane tym, o czym myślisz pierwszy obraz fotonowej kuli czarnej dziury — w tym przypadku ten w centrum galaktyki M 87, 55 milionów lat świetlnych od nas, zrobiony przez Event Horizon Telescope, szereg radioteleskopów na całej planecie.

Pierwszy obrazZbliżenie

Pierwszy obraz „cienia” supermasywnej czarnej dziury. To pokazuje obszar wokół czarnej dziury o masie 6,5 miliarda mas Słońca, położony 55 milionów lat świetlnych od Ziemi w jądrze galaktyki M87. Kredyt: NSF

Rozmyty, ale pokazuje te same funkcje! Bądźcie też na bieżąco, ponieważ wkrótce będziemy widzieć coraz więcej i wyraźniejszych obrazów tych obiektów.

2001 kosmiczna odyseja kochanie

Myślę więc, że w tym momencie można poświęcić chwilę i pomyśleć, że czarne dziury są dziwne.

Ale hej, taka jest natura. Wszechświat nie jest zobowiązany do posłuszeństwa naszemu zdrowemu rozsądkowi, choć może to być niezwykłe i bezsensowne. Ale kiedy poświęcisz czas, aby naprawdę spojrzeć na Wszechświat, obserwować go, znaleźć wzory, matematykę za tymi wzorami i fizykę, którą matematyka implikuje — ta matematyka wymagania — wtedy nawet najdziwniejsze rzeczy we Wszechświecie stają się zrozumiałe.

Miło jest myśleć o tym, a może nawet pocieszając, w ciągu ostatnich kilku milisekund przed opuszczeniem Wszechświata na zawsze. Miłej wycieczki w dół!



^