Das Universum zerstört etwas auf unterschiedliche Weise. Wenn Sie versuchen, den Atem im Weltraum anzuhalten, explodieren Ihre Lungen. Wenn Sie stattdessen jedes Luftmolekül einatmen, verlieren Sie das Bewusstsein. An einigen Stellen frieren Sie ein, nachdem Sie die letzte Körperwärme verloren haben. andere werden so heiß sein, dass sich die Atome in Ihrem Körper in Plasma verwandeln. Aber von allen Möglichkeiten, wie das Universum Objekte loswird, macht es am meisten Spaß, sie in ein Schwarzes Loch zu schicken.
Was ist jenseits des Ereignishorizonts?
Nach unserer Gravitationstheorie - Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie - werden die Eigenschaften eines Schwarzen Lochs durch drei Dinge bestimmt. Nämlich:
- Masse oder die Gesamtmenge an Materie und die äquivalente Energiemenge (gemäß der Formel E = mc2), die zur Bildung und zum Wachstum eines Schwarzen Lochs in seinen gegenwärtigen Zustand führen.
- Ladung oder die gesamte elektrische Ladung, die in einem Schwarzen Loch von allen positiv und negativ geladenen Objekten vorhanden ist, die in der gesamten Geschichte ihres Lebens in das Schwarze Loch gefallen sind.
- Drehimpuls (Moment) oder Spin, der ein Maß für die Gesamtdrehzahl eines Schwarzen Lochs ist.
In Wirklichkeit müssen alle Schwarzen Löcher, die physikalisch in unserem Universum existieren, große Massen, erhebliche Drehimpulse und vernachlässigbare Ladungen aufweisen. Dies macht die Situation äußerst schwierig.
Wenn wir uns normalerweise ein Schwarzes Loch vorstellen, stellen wir uns eine einfache Version davon vor, die nur durch ihre Masse beschrieben wird. Es hat einen Ereignishorizont, der einen Punkt umgibt, und einen Bereich, der diesen Punkt umgibt, über den das Licht nicht hinausgehen kann. Dieser Bereich ist vollständig kugelförmig und hat eine Grenze zwischen Bereichen, aus denen Licht entweichen kann und aus denen es nicht entweichen kann: dem Ereignishorizont. Der Ereignishorizont befindet sich in einem bestimmten Abstand (Schwarzschild-Radius) von der Singularität in alle Richtungen gleichzeitig.
Werbevideo:
Dies ist eine vereinfachte Version eines realistischen Schwarzen Lochs, aber ein großartiger Ort, um über Physik nachzudenken, die an zwei verschiedenen Orten stattfindet: jenseits des Ereignishorizonts und innerhalb des Ereignishorizonts.
Außerhalb des Ereignishorizonts verhält sich die Schwerkraft so, wie Sie es normalerweise erwarten würden. Der Raum biegt sich in Gegenwart von Masse, wodurch jedes Objekt im Universum in Richtung der zentralen Singularität beschleunigt wird. Wenn Sie sich in großer Entfernung von einem ruhenden Schwarzen Loch befinden und ein Objekt hineinfallen lassen würden, was würden Sie sehen?
Angenommen, Sie haben es geschafft, still zu bleiben, werden Sie sehen, wie das fallende Objekt langsam von Ihnen auf dieses Schwarze Loch zu beschleunigt. Es wird sich in Richtung des Ereignishorizonts beschleunigen, wonach etwas Seltsames passieren wird. Es wird Ihnen scheinen, dass es langsamer wird, ausgeblendet wird und röter wird. Aber es wird nicht vollständig verschwinden. Es wird nur näher kommen: Es wird stumpf, rot und schwieriger zu erkennen. Sie können es immer sehen, wenn Sie genau genug hinsehen.
Stellen wir uns nun dasselbe Szenario vor, aber dieses Mal stellen wir uns vor, dass Sie dasselbe Objekt sind, das in ein Schwarzes Loch fällt. Die Erfahrung wird völlig anders sein.
Der Ereignishorizont wird viel schneller größer als erwartet, da die Krümmung des Raums stärker wird. Der Raum ist um den Ereignishorizont so gekrümmt, dass Sie viele Bilder des Universums von außen sehen, als ob es reflektiert und umgedreht würde.
Und sobald Sie den Ereignishorizont überquert haben, können Sie nicht nur immer noch das äußere Universum sehen, sondern auch einen Teil des Universums innerhalb des Ereignishorizonts. In den letzten Augenblicken wird der Raum völlig flach aussehen.
Was ist in einem schwarzen Loch?
Die Physik all dessen ist komplex, aber die Berechnungen sind ziemlich einfach und werden am elegantesten von Andrew Hamilton von der University of Colorado in einer Reihe von Arbeiten aus den späten 2000er und frühen 2010er Jahren durchgeführt. Hamilton hat auch eine Reihe beeindruckender Renderings von dem erstellt, was auf der Grundlage dieser Berechnungen in ein Schwarzes Loch fällt.
Nach Prüfung dieser Ergebnisse können wir eine Reihe von Schlussfolgerungen ziehen, von denen viele unlogisch sind. Um zu versuchen, sie zu verstehen, müssen Sie die Art und Weise ändern, wie Sie den Raum darstellen. Wir betrachten es normalerweise als einen unbeweglichen Stoff und denken, dass der Betrachter irgendwo "absteigt". Aber innerhalb des Ereignishorizonts sind Sie immer in Bewegung. Der Raum bewegt sich - wie ein Laufband - kontinuierlich und bewegt alles an sich in Richtung der Singularität.
Und es bewegt alles so schnell, dass Sie selbst dann in Richtung Zentrum fallen, wenn Sie mit unendlicher Kraft direkt aus der Singularität beschleunigen. Objekte außerhalb des Ereignishorizonts senden weiterhin Licht aus allen Richtungen, aber Sie können nur einen Bruchteil der Objekte außerhalb des Ereignishorizonts sehen.
Die Linie, die die Grenze zwischen dem definiert, was jeder Beobachter sehen kann, wird mathematisch durch die Niere beschrieben, wobei die Komponente mit dem größten Radius den Ereignishorizont berührt und die Komponente mit dem kleinsten Radius sich in der Singularität befindet. Dies bedeutet, dass eine Singularität, auch als Punkt, nicht notwendigerweise alles, was in sie fällt, mit allem anderen verbindet. Wenn Sie und ich gleichzeitig aus verschiedenen Richtungen in den Ereignishorizont fallen, werden wir niemals das Licht des anderen sehen, nachdem sich der Ereignishorizont kreuzt.
Der Grund dafür ist das sich ständig bewegende Gewebe des Universums selbst. Innerhalb des Ereignishorizonts bewegt sich der Raum schneller als das Licht, sodass nichts aus dem Schwarzen Loch entweichen kann. Wenn Sie ein Schwarzes Loch treffen, sehen Sie daher seltsame Dinge wie mehrere Bilder desselben Objekts.
Sie können dies verstehen, indem Sie die Frage stellen: Wo ist die Singularität?
Innerhalb des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs begegnen Sie, egal in welche Richtung Sie sich bewegen, der Singularität selbst. Seltsamerweise erscheint die Singularität daher in alle Richtungen. Wenn Ihre Beine in Beschleunigungsrichtung zeigen, sehen Sie sie vor sich, aber auch über Ihnen. All dies ist leicht zu berechnen, wenn auch äußerst unlogisch. Und das nur für einen vereinfachten Fall: ein nicht rotierendes Schwarzes Loch.
Kommen wir nun zu dem physikalisch interessanten Fall: Wenn sich das Schwarze Loch dreht. Schwarze Löcher verdanken ihren Ursprung Materiesystemen - wie Sternen -, die sich immer auf einer bestimmten Ebene drehen. In unserem Universum (und in der allgemeinen Relativitätstheorie) ist der Drehimpuls die absolut eingeschlossene Größe für jedes geschlossene System. Es gibt keine Möglichkeit, es loszuwerden. Wenn das Aggregat der Materie auf einen Radius zusammenfällt, der kleiner als der Radius des Ereignishorizonts ist, wird der Drehimpuls genau wie die Masse darin eingeschlossen.
Die Lösung, die wir hier haben, wird viel komplizierter sein. Einstein stellte 1915 die allgemeine Relativitätstheorie vor, und Karl Schwarzschild erhielt einige Monate später, Anfang 1916, eine Lösung für ein nicht rotierendes Schwarzes Loch. Der nächste Schritt zur realistischeren Modellierung dieses Problems - bei dem das Schwarze Loch nicht nur die Masse, sondern auch den Drehimpuls hat - wurde erst 1963 unternommen, als Roy Kerr 1963 die genaue Lösung fand.
Es gibt mehrere grundlegende und wichtige Unterschiede zwischen Schwarzschilds naiverer und einfacherer Lösung und Kerrs realistischerer und komplexerer Lösung. Unter ihnen:
- Anstelle einer einzigen Entscheidung darüber, wo sich der Ereignishorizont befindet, hat ein rotierendes Schwarzes Loch zwei mathematische Lösungen: einen inneren und einen äußeren Ereignishorizont.
- Selbst jenseits des äußeren Ereignishorizonts gibt es einen Ort, der als Ergosphäre bekannt ist, in dem sich der Raum selbst mit einer Rotationsgeschwindigkeit bewegt, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht, und die darin enthaltenen Partikel enorme Beschleunigungen erfahren.
- Es gibt ein maximal zulässiges Verhältnis von Drehimpuls zu Masse; Wenn der Impuls zu stark ist, strahlt das Schwarze Loch diese Energie (durch Gravitationsstrahlung) aus, bis sie an ihre Grenzen fällt.
- Und das Interessanteste: Die Singularität in der Mitte des Schwarzen Lochs ist kein Punkt mehr, sondern ein eindimensionaler Ring, dessen Radius durch die Masse und den Drehimpuls des Schwarzen Lochs bestimmt wird.
Was passiert vor diesem Hintergrund, wenn Sie ein Schwarzes Loch treffen? Ja, es ist dasselbe wie das, was passiert, wenn Sie in ein nicht rotierendes Schwarzes Loch fallen, außer dass sich nicht der gesamte Raum so verhält, als würde er in Richtung der zentralen Singularität fallen. Stattdessen verhält sich der Raum auch so, als würde er sich entlang der Drehrichtung bewegen, wie ein wirbelnder Trichter. Je größer das Verhältnis von Drehimpuls zu Masse ist, desto schneller dreht es sich.
Das heißt, wenn Sie etwas in ein Schwarzes Loch fallen sehen, werden Sie feststellen, dass es dunkler und röter wird, aber auch in Drehrichtung in einen Ring oder eine Scheibe verschmiert wird. Wenn Sie in ein schwarzes Loch fallen, werden Sie wie ein Karussell gedreht, das Sie zur Mitte zieht. Und wenn Sie die Singularität erreichen, wird es ein Ring sein; Verschiedene Körperteile treffen auf eine Singularität - auf der inneren Ergofläche des Kerr-Schwarzen Lochs - in unterschiedlichen Raumkoordinaten. Sie werden allmählich aufhören, andere Teile Ihres eigenen Körpers zu sehen.
Das Wichtigste, was Sie aus all dem verstehen müssen, ist, dass sich das Raumgefüge selbst in Bewegung befindet und der Ereignishorizont als ein Ort definiert ist, an dem Sie unvermeidlich kollidieren, selbst wenn Sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, egal in welche Richtung Sie sich entscheiden mit einer Singularität.
Andrew Hamiltons Visualisierungen sind die besten und genauesten Modelle dafür, was passiert, wenn Sie in ein Schwarzes Loch fallen, und so unlogisch, dass sie immer wieder betrachtet werden müssen, bis Sie anfangen, etwas zu verstehen (Sie fangen nicht wirklich an). Es ist gruselig und wunderschön, und wenn Sie abenteuerlustig genug sind, um jemals in ein Schwarzes Loch zu fliegen und den Ereignishorizont zu überqueren, ist dies das Letzte, was Sie jemals gesehen haben.
Ilya Khel
