Wie fühlt es sich an, in ein sich drehendes Schwarzes Loch zu fallen? Es ist unmöglich, dies zu beobachten, aber Sie können rechnen … Die Frage ist äußerst interessant, und die Wissenschaft kann sie beantworten, da die Eigenschaften von Schwarzen Löchern bekannt sind, schreibt Forbes. Der Doktor der Astrophysik sprach mit vielen Menschen, die solche Berechnungen anstellten, und hat es eilig, über die äußerst interessanten Ergebnisse zu sprechen, die durch eine Reihe von Visualisierungen unterstützt werden.
Es gibt viele schreckliche Möglichkeiten, wie das Universum etwas zerstören kann. Wenn Sie im Weltraum versuchen, den Atem anzuhalten, explodieren Ihre Lungen. Und wenn Sie die gesamte Luft bis zum letzten Molekül ausatmen, schalten Sie das Gerät nach einigen Sekunden aus. An einigen Stellen im Universum verwandeln Sie sich in Eis, wenn die Hitze Ihren Körper verlässt. an anderen Orten ist es so heiß, dass sich Ihre Atome in Plasma verwandeln. Aber wenn ich darüber nachdenke, wie das Universum mich (oder dich) loswerden kann, kann ich mir keinen faszinierenderen Anblick vorstellen, als in ein Schwarzes Loch zu gehen. Der Wissenschaftler Heino Falcke, der am Event Horizon Telescope-Projekt arbeitet, ist der gleichen Meinung. Er fragt:
Wie fühlt es sich an, in ein sich drehendes Schwarzes Loch zu fallen? Es ist unmöglich, dies zu beobachten, aber es ist möglich zu berechnen … Ich habe mit vielen Leuten gesprochen, die solche Berechnungen durchgeführt haben, aber ich werde alt und fange an, viel zu vergessen.
Diese Frage ist äußerst interessant und kann von der Wissenschaft beantwortet werden. Fragen wir sie.
Nach unserer Gravitationstheorie, Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, gibt es nur drei Eigenschaften, die die Eigenschaften eines Schwarzen Lochs bestimmen. Hier sind sie:
1. Masse oder die Gesamtmenge an Materie und die entsprechende Energiemenge (berechnet nach der Formel E = mc2), die für die Bildung und das Wachstum des Schwarzen Lochs in seinem gegenwärtigen Zustand aufgewendet wurde.
2. Die Ladung oder die gesamte elektrische Ladung, die in einem Schwarzen Loch von allen positiv und negativ geladenen Objekten entsteht, die während ihrer Existenz dort fallen.
3. Der Drehimpuls oder das Rotationsmoment, das den Gesamtbetrag der Rotationsbewegung eines Schwarzen Lochs misst.
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Realistisch gesehen müssen alle Schwarzen Löcher im Universum eine große Masse, ein signifikantes Drehmoment und eine vernachlässigbare Ladung haben. Dies erschwert die Sache sehr.
Wenn wir an ein Schwarzes Loch denken, stellen wir es in einer vereinfachten Form dar, die nur durch Masse charakterisiert wird. Es hat einen Ereignishorizont um einen einzelnen Punkt (Singularität) sowie einen Bereich um diesen Punkt, aus dem kein Licht entweichen kann. Dieser Bereich hat die Form einer perfekten Kugel und eine Grenze zwischen Bereichen, die Licht emittieren können, und solchen, die dies nicht tun. Diese Grenze ist der Ereignishorizont. Der Ereignishorizont befindet sich in einem sehr spezifischen und gleichen Abstand (Schwarzschild-Radius) von der Singularität in alle Richtungen.
Dies ist eine vereinfachte Beschreibung eines echten Schwarzen Lochs. Es ist jedoch besser, mit physikalischen Phänomenen zu beginnen, die an zwei bestimmten Orten auftreten: außerhalb des Ereignishorizonts und innerhalb des Ereignishorizonts.
Jenseits des Ereignishorizonts verhält sich die Schwerkraft wie gewohnt. Der Raum wird durch die Anwesenheit dieser Masse gekrümmt, wodurch alle Objekte im Universum eine Beschleunigung in Richtung der zentralen Singularität erhalten. Was sehen wir, wenn wir in großer Entfernung vom ruhenden Schwarzen Loch beginnen und das Objekt hineinfallen lassen?
Nehmen wir an, wir können still bleiben. In diesem Fall werden wir sehen, wie sich das Objekt langsam, aber mit Beschleunigung von uns weg in Richtung dieses Schwarzen Lochs bewegt. Es beschleunigt in Richtung Ereignishorizont und behält dabei seine Farbe bei. Aber dann passiert etwas Seltsames. Das Objekt scheint langsamer zu werden, auszublenden und zu verschwimmen und wird dann immer roter. Aber es verschwindet nicht vollständig. Stattdessen scheint es sich diesem Zustand des Verschwindens zu nähern: Es wird weniger deutlich, roter und es wird immer schwieriger, es zu erkennen. Der Ereignishorizont ist wie die Asymptote des Lichts eines Objekts: Wir können es immer sehen, wenn wir genau hinschauen.
Stellen Sie sich nun dasselbe Szenario vor, aber dieses Mal werden wir kein Objekt beobachten, das aus der Ferne in ein Schwarzes Loch fällt. Wir werden uns anstelle eines fallenden Objekts vorstellen. Und in diesem Fall werden unsere Empfindungen völlig anders sein.
Der Ereignishorizont wächst viel schneller als erwartet. Der Raum ist um den Ereignishorizont so gekrümmt, dass wir zahlreiche Bilder des äußeren Universums sehen, als würde es reflektiert und von innen nach außen gedreht.
Und wenn wir den Ereignishorizont überqueren und hinein gelangen, sehen wir nicht nur das äußere Universum, sondern einen Teil davon innerhalb des Ereignishorizonts. Das Licht, das wir erhalten, verschiebt sich zum violetten Teil des Spektrums, dann zurück zum roten, und wir fallen unweigerlich in die Singularität. In den letzten Augenblicken wirkt der Weltraum seltsam flach.
Das physikalische Bild dieses Phänomens ist komplex, aber die Berechnungen sind recht einfach und unkompliziert und wurden in einer Reihe wissenschaftlicher Arbeiten, die zwischen 2000 und 2010 von Andrew Hamilton von der University of Colorado verfasst wurden, hervorragend durchgeführt. Hamilton erstellte auch eine Reihe lebendiger Visualisierungen dessen, was wir sehen, wenn wir in ein Schwarzes Loch fallen, basierend auf seinen Berechnungen.
Aus diesen Ergebnissen können viele Lehren gezogen werden, von denen viele nicht intuitiv sind. Wenn wir versuchen, sie herauszufinden, können wir unsere visuelle Wahrnehmung des Raums ändern. Normalerweise stellen wir uns den Raum als eine Art bewegungslose Struktur vor und denken, dass der Betrachter irgendwo in ihn hineingefallen ist. Innerhalb des Ereignishorizonts sind wir jedoch ständig in Bewegung. Der gesamte Raum ist im Wesentlichen wie ein Förderband in Bewegung. Es bewegt sich ständig und bewegt alles in sich in Richtung der Singularität.
Es bewegt alles so schnell, dass wir, selbst wenn wir anfangen, uns von der Singularität weg zu beschleunigen und eine unendliche Kraft haben, immer noch in Richtung Zentrum fallen. Licht von Objekten außerhalb des Ereignishorizonts erreicht uns immer noch aus allen Richtungen, aber wir befinden uns innerhalb des Ereignishorizonts und können nur einen Teil dieser Objekte sehen.
Die Linie, die die Grenze zwischen dem definiert, was der Betrachter sieht, wird in der Mathematik als Kardiodid bezeichnet. Die Komponente des größten Radius der Niere berührt den Ereignishorizont, und die Komponente des kleinsten Radius endet bei der Singularität. Dies bedeutet, dass die Singularität zwar ein Punkt ist, aber nicht zwangsläufig das verbindet, was mit allem anderen zusammenhängt. Wenn Sie und ich gleichzeitig zu entgegengesetzten Seiten des Ereignishorizonts gehen, können wir uns nach dem Überqueren nicht mehr sehen.
Der Grund dafür liegt in der Struktur des Universums selbst, das ständig in Bewegung ist. Innerhalb des Ereignishorizonts bewegt sich der Raum schneller als das Licht, und daher kann nichts über das Schwarze Loch hinausgehen. Aus dem gleichen Grund sehen wir in einem Schwarzen Loch seltsame Dinge, zum Beispiel viele Bilder desselben Objekts.
Sie können dies verstehen, indem Sie die folgende Frage stellen: "Wo ist die Singularität?"
Wenn wir uns innerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs befinden und uns in eine beliebige Richtung bewegen, werden wir uns schließlich in einer Singularität begraben. Es ist erstaunlich, aber die Singularität erscheint in alle Richtungen! Wenn Sie Ihre Füße vorwärts bewegen und beschleunigen, sehen Sie Ihre Füße gleichzeitig unter und über Ihnen. All dies ist recht einfach zu berechnen, obwohl ein solches Bild ein auffälliges Paradoxon zu sein scheint. In der Zwischenzeit betrachten wir nur einen vereinfachten Fall: ein Schwarzes Loch, das sich nicht dreht.
Das erste Foto eines Schwarzen Lochs und seines feurigen Heiligenscheines.
Kommen wir nun zu der lustigsten Sache in Bezug auf die Physik und schauen uns ein schwarzes Loch an, das sich dreht. Schwarze Löcher verdanken ihren Ursprung Materiesystemen wie Sternen, die sich ständig mit der einen oder anderen Geschwindigkeit drehen. In unserem Universum (und in der allgemeinen Relativitätstheorie) ist das Drehmoment eine konservierte Eigenschaft eines geschlossenen Systems, und es gibt keine Möglichkeit, es loszuwerden. Wenn das Aggregat der Materie auf einen Radius schrumpft, der kleiner als der Radius des Ereignishorizonts ist, wird das Rotationsmoment wie die Masse im Inneren gefangen und gefangen.
Die Lösung ist hier viel komplizierter. Einstein stellte 1915 seine Relativitätstheorie vor, und Karl Schwarzschild erhielt Anfang 1916, also einige Monate später, die Lösung für ein nicht rotierendes Schwarzes Loch. Der nächste Schritt zur realistischen Modellierung dieses Problems - da ein Schwarzes Loch nicht nur Masse, sondern auch Drehmoment hat - wurde erst 1963 von Roy Kerr unternommen, der eine Lösung fand.
Es gibt einige grundlegende und wichtige Unterschiede zwischen Schwarzschilds etwas naiver und einfacher Lösung und Kerrs realistischerer und komplexerer Lösung. Hier sind einige überraschende Unterschiede:
1. Anstelle einer einzigen Lösung für die Frage, wo sich der Ereignishorizont befindet, hat ein rotierendes Schwarzes Loch zwei mathematische Lösungen: einen inneren und einen äußeren Ereignishorizont.
2. Jenseits des äußeren Ereignishorizonts gibt es einen Ort, der als Ergosphäre bekannt ist, an dem sich der Raum selbst mit einer Winkelgeschwindigkeit bewegt, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht, und Partikel, die in ihn eintreten, eine kolossale Beschleunigung erhalten.
3. Es gibt ein maximal zulässiges Drehmoment / Masse-Verhältnis. Wenn der Wert des Drehmoments zu groß ist, gibt das Schwarze Loch diese Energie (durch Gravitationsstrahlung) ab, bis das Verhältnis wieder normal ist.
4. Und das Auffälligste ist, dass die Singularität in der Mitte des Schwarzen Lochs kein Punkt mehr ist, sondern ein eindimensionaler Ring, bei dem der Radius des Rings durch die Masse und das Rotationsmoment des Schwarzen Lochs bestimmt wird.
Können wir bei all dem verstehen, was passiert, wenn wir in ein rotierendes Schwarzes Loch geraten? Ja, das gleiche wie das Betreten eines nicht rotierenden Schwarzen Lochs, außer dass sich der Raum nicht so verhält, als würde er in eine zentrale Singularität fallen. Der Raum verhält sich so, als würde er in Drehrichtung um den Umfang gezogen. Es sieht aus wie ein Whirlpool. Je größer das Verhältnis von Rotationsbewegung zu Masse ist, desto schneller erfolgt die Rotation.
Das heißt, wenn wir etwas nach innen fallen sehen, werden wir bemerken, wie dieses etwas rot wird und allmählich verschwindet, aber nicht nur. Es wird komprimiert und verwandelt sich in Drehrichtung in einen Ring oder eine Scheibe. Wenn wir hineinkommen, werden wir wie auf einem verrückten Karussell eingekreist, das in die Mitte gesaugt wird. Und wenn wir die Singularität erreichen, wird sie die Form eines Rings haben. Verschiedene Teile unseres Körpers fallen auf der inneren Ergofläche des Kerr-Schwarzen Lochs in verschiedenen Raumkoordinaten in eine Singularität. Wenn wir uns der Singularität innerhalb des Ereignishorizonts nähern, verlieren wir allmählich die Fähigkeit, andere Teile unseres Körpers zu sehen.
Die wichtigste Information, die daraus gezogen werden muss, ist, dass die Struktur des Raums selbst in Bewegung ist; und der Ereignishorizont ist definiert als der Ort, an dem Sie selbst mit der Fähigkeit, an der Grenze der höchsten kosmischen Geschwindigkeit, der Lichtgeschwindigkeit, in jede Richtung zu reisen, immer auf eine Singularität stoßen werden.
Andrew Hamiltons Renderings sind die besten und wissenschaftlich genauesten Simulationen dessen, was passiert, wenn Sie ein Schwarzes Loch treffen. Sie sind so eingängig und paradox, dass ich Ihnen nur eines empfehlen kann: Beobachten Sie sie immer wieder, bis Sie sich täuschen, dass Sie sie verstehen. Dies ist ein wunderbarer und fantastischer Anblick. Und wenn der Geist des Abenteuers in Ihnen so stark ist, dass Sie sich entscheiden, in ein Schwarzes Loch zu gehen und in den Ereignishorizont zu gelangen, ist dies das Letzte, was Sie sehen!
Ethan Siegel
