Bagaimana rasanya jatuh ke dalam lubang hitam yang berputar? Mustahil untuk memerhatikan ini, tetapi anda boleh mengira … Pertanyaannya sangat menarik, dan sains dapat menjawabnya, kerana sifat lubang hitam diketahui, tulis Forbes. Doktor astrofizik bercakap dengan banyak orang yang membuat pengiraan sedemikian, dan tergesa-gesa untuk membincangkan penemuan yang sangat menarik, disokong oleh sejumlah visualisasi.
Terdapat banyak cara mengerikan di mana alam semesta dapat memusnahkan sesuatu. Di ruang angkasa, jika anda cuba menahan nafas, paru-paru anda akan meletup. Dan jika anda menghembuskan udara ke molekul terakhir, kemudian setelah beberapa saat, matikan. Di beberapa tempat di alam semesta, anda akan berubah menjadi ais apabila panas meninggalkan badan anda; di tempat lain sangat panas sehingga atom anda akan berubah menjadi plasma. Tetapi ketika saya memikirkan bagaimana alam semesta dapat menyingkirkan saya (atau anda), saya tidak dapat membayangkan pemandangan yang lebih memukau daripada memasuki lubang hitam. Saintis Heino Falcke, yang mengusahakan projek Event Horizon Telescope, berpendapat sama. Dia bertanya:
Bagaimana rasanya jatuh ke dalam lubang hitam yang berputar? Adalah mustahil untuk memerhatikan ini, tetapi mungkin untuk menghitung … Saya telah bercakap dengan banyak orang yang telah membuat pengiraan seperti itu, tetapi saya semakin tua dan mula lupa banyak.
Soalan ini sangat menarik, dan sains dapat menjawabnya. Mari tanya dia.
Menurut teori graviti kami, teori relativiti umum Einstein, hanya ada tiga ciri yang menentukan sifat lubang hitam. Di sini mereka:
1. Jisim, atau jumlah jirim dan jumlah tenaga yang sesuai (dikira dengan formula E = mc2), yang dibelanjakan untuk pembentukan dan pertumbuhan lubang hitam dalam keadaannya sekarang.
2. Cas, atau jumlah cas elektrik yang timbul dalam lubang hitam dari semua objek bermuatan positif dan negatif yang jatuh di sana semasa wujudnya.
3. Momentum sudut, atau momentum putaran, yang mengukur jumlah gerakan putaran lubang hitam.
Video promosi:
Secara realistik, semua lubang hitam di Alam Semesta mesti mempunyai jisim yang besar, tork yang ketara dan cas yang tidak dapat diabaikan. Ini merumitkan perkara.
Berfikir tentang lubang hitam, kami merepresentasikannya dalam bentuk yang dipermudahkan, yang hanya bersifat massa. Ia memiliki cakrawala peristiwa di sekitar satu titik (singularitas), serta area di sekitar titik ini, dari mana cahaya tidak dapat melarikan diri. Kawasan ini mempunyai bentuk sfera yang sempurna dan kawasan pemisah yang dapat memancarkan cahaya dan yang tidak. Sempadan ini adalah cakrawala peristiwa. Cakrawala acara terletak pada jarak yang sangat spesifik dan sama (radius Schwarzschild) dari keunikan di semua arah.
Ini adalah gambaran ringkas mengenai lubang hitam sebenar. Tetapi lebih baik bermula dengan fenomena fizikal yang berlaku di dua lokasi tertentu: di luar cakrawala peristiwa dan di dalam cakrawala peristiwa.
Di luar cakerawala peristiwa, graviti berperilaku seperti biasa. Ruang melengkung dengan kehadiran jisim ini, memberikan percepatan semua objek di alam semesta ke arah singulariti pusat. Sekiranya kita mulai jauh dari lubang hitam yang sedang berehat dan membiarkan objek jatuh ke dalamnya, apa yang kita lihat?
Anggaplah kita dapat diam. Dalam kes ini, kita akan melihat bagaimana objek itu perlahan tetapi dengan pecutan menjauh dari kita, bergerak ke arah lubang hitam ini. Ia mempercepat menuju cakrawala acara sambil mengekalkan warnanya. Tetapi kemudian sesuatu yang pelik berlaku. Objek itu kelihatan semakin perlahan, pudar dan kabur, dan kemudian menjadi semakin merah. Tetapi ia tidak hilang sepenuhnya. Sebaliknya, ia kelihatan menghampiri keadaan ini: ia menjadi kurang jelas, lebih merah, dan semakin sukar untuk mengesannya. Cakrawala peristiwa seperti asimtot cahaya objek: kita selalu dapat melihatnya jika kita melihat dengan teliti.
Sekarang bayangkan senario yang sama, tetapi kali ini kita tidak akan melihat objek jatuh ke lubang hitam dari jauh. Kita akan membayangkan diri kita di tempat objek jatuh. Dan dalam kes ini, sensasi kita akan sama sekali berbeza.
Cakerawala acara tumbuh jauh lebih pantas apabila ruang melengkung daripada yang kita jangkakan. Ruang begitu melengkung di sekitar cakrawala peristiwa sehingga kita mulai melihat banyak gambar alam semesta luar, seolah-olah sedang dipantulkan dan dibalik ke dalam.
Dan ketika kita melintasi cakrawala peristiwa dan masuk ke dalam, kita tidak hanya melihat alam semesta luar, tetapi sebahagiannya berada di dalam cakrawala peristiwa. Cahaya yang kita terima beralih ke bahagian ungu spektrum, kemudian kembali ke merah, dan kita pasti jatuh ke dalam singulariti. Pada saat-saat terakhir, ruang luar kelihatan rata rata.
Gambaran fizikal fenomena ini rumit, tetapi pengiraannya cukup mudah dan mudah, dan hasilnya dilakukan dengan cemerlang dalam satu siri makalah ilmiah yang ditulis pada tahun 2000-2010 oleh Andrew Hamilton dari University of Colorado. Hamilton juga membuat siri visualisasi yang jelas dari apa yang kita lihat ketika kita jatuh ke lubang hitam berdasarkan perhitungannya.
Terdapat banyak pengajaran yang dapat diambil dari hasil ini, dan banyak di antaranya bersifat intuitif. Mencuba untuk mengetahuinya akan membantu kita mengubah persepsi visual kita mengenai ruang. Biasanya kita membayangkan ruang sebagai semacam struktur tidak bergerak dan berpendapat bahawa pemerhati telah jatuh di suatu tempat di dalamnya. Namun, dalam cakerawala acara, kami terus bergerak. Semua ruang pada dasarnya bergerak seperti tali sawat. Ia bergerak terus-menerus, menggerakkan segala-galanya dalam arah keunikan.
Ia menggerakkan segalanya dengan cepat sehingga walaupun kita mulai mempercepat diri dari keunikan, dengan kekuatan yang tidak terbatas, kita masih akan jatuh ke arah pusat. Cahaya dari objek di luar cakrawala peristiwa masih akan menjangkau kita dari semua arah, tetapi kita, berada di dalam cakrawala peristiwa, hanya dapat melihat sebahagian dari objek-objek ini.
Garis yang menentukan batas antara apa yang dilihat oleh pemerhati disebut cardiodide dalam matematik. Komponen radius kardioid terbesar menyentuh cakrawala peristiwa, dan komponen jejari terkecil berakhir pada singulariti. Ini bererti bahawa walaupun singularitas adalah satu titik, ia tidak dapat menghubungkan apa yang berlaku dengan yang lain. Sekiranya anda dan saya pergi secara serentak ke seberang cakrawala acara, maka setelah melintasinya, kita tidak lagi dapat saling melihat.
Sebabnya adalah dalam struktur Alam Semesta itu sendiri, yang sentiasa bergerak. Di dalam cakerawala acara, ruang bergerak lebih pantas daripada cahaya, dan oleh itu tidak ada yang dapat melampaui lubang hitam. Atas sebab yang sama, ketika berada di dalam lubang hitam, kita mula melihat perkara-perkara aneh, misalnya banyak gambar objek yang sama.
Anda dapat memahaminya dengan mengajukan soalan berikut: "Di mana singularitasnya?"
Berada di cakrawala peristiwa lubang hitam, kita, setelah mulai bergerak ke arah mana pun, akhirnya akan menguburkan diri kita dalam satu keunikan. Sungguh mengagumkan, tetapi keunikannya muncul ke semua arah! Sekiranya anda menggerakkan kaki ke hadapan dan memecut, anda akan melihat kaki anda di bawah anda dan di atas anda pada masa yang sama. Semua ini cukup mudah untuk dikira, walaupun gambar seperti itu nampaknya merupakan satu paradoks yang mencolok. Sementara itu, kami hanya mempertimbangkan kes yang dipermudahkan: lubang hitam yang tidak berputar.
Gambar pertama lubang hitam dan lingkarannya yang berapi-api.
Sekarang mari kita pergi ke perkara paling lucu dari segi fizik dan melihat lubang hitam yang berputar. Lubang hitam berasal dari sistem jirim, seperti bintang, yang sentiasa berputar pada satu kelajuan atau yang lain. Di Alam Semesta kita (dan relativiti umum), tork adalah harta terpelihara dari sistem tertutup, dan tidak ada cara untuk menyingkirkannya. Apabila agregat jirim menyusut ke radius yang kurang dari radius cakrawala peristiwa, momen putaran, seperti jisim, terperangkap dan terperangkap di dalamnya.
Penyelesaiannya jauh lebih rumit di sini. Einstein mengemukakan teori relativitasnya pada tahun 1915, dan Karl Schwarzschild mendapat penyelesaian untuk lubang hitam yang tidak berputar pada awal tahun 1916, iaitu, beberapa bulan kemudian. Tetapi langkah seterusnya dalam pemodelan realistik masalah ini - memandangkan lubang hitam tidak hanya jisim tetapi juga tork - diambil hanya pada tahun 1963 oleh Roy Kerr, yang menemui jalan keluarnya.
Terdapat beberapa perbezaan mendasar dan penting antara penyelesaian Schwarzschild yang agak naif dan sederhana, dan penyelesaian Kerr yang lebih realistik dan kompleks. Berikut adalah beberapa perbezaan yang mengejutkan:
1. Sebagai ganti satu penyelesaian untuk persoalan di mana cakrawala peristiwa, lubang hitam berputar mempunyai dua penyelesaian matematik: cakerawala peristiwa dalam dan luar.
2. Di luar cakrawala peristiwa luar, ada tempat yang dikenal sebagai ergosfer, di mana ruang itu sendiri bergerak pada kecepatan sudut yang sama dengan kecepatan cahaya, dan zarah-zarah yang memasukinya menerima pecutan kolosal.
3. Terdapat nisbah tork / jisim maksimum yang dibenarkan. Sekiranya nilai tork terlalu besar, lubang hitam memancarkan tenaga ini (melalui sinaran graviti) sehingga nisbah kembali normal.
4. Dan yang paling mencolok adalah bahawa singulariti di tengah lubang hitam bukan lagi titik, melainkan cincin satu dimensi, di mana jejari cincin ditentukan oleh jisim dan momen putaran lubang hitam.
Mengetahui semua ini, dapatkah kita memahami apa yang berlaku ketika kita masuk ke dalam lubang hitam berputar? Ya, sama seperti memasuki lubang hitam yang tidak berputar, kecuali ruang itu tidak berkelakuan seolah-olah jatuh ke dalam singulariti pusat. Ruang berkelakuan seolah-olah ditarik mengelilingi arah putaran. Ia kelihatan seperti pusaran air. Semakin besar nisbah gerakan putaran ke jisim, semakin cepat putaran berlaku.
Ini bermaksud bahawa jika kita melihat sesuatu jatuh ke dalam, kita akan melihat bagaimana sesuatu ini menjadi merah dan secara beransur-ansur hilang, tetapi tidak hanya. Ia dimampatkan dan berubah menjadi cincin atau cakera ke arah putaran. Sekiranya kita masuk ke dalam, kita akan dilingkari seperti pada karusel gila, disedut ke tengah. Dan apabila kita mencapai keunikan, ia akan berbentuk cincin. Bahagian tubuh kita yang berbeza akan menjadi satu keunikan pada permukaan ergosur dalaman lubang hitam Kerr dalam koordinat spasial yang berbeza. Ketika kita mendekati keunikan dari dalam cakerawala acara, kita secara beransur-ansur akan kehilangan kemampuan untuk melihat bahagian tubuh kita yang lain.
Maklumat terpenting yang dapat diambil dari semua ini ialah struktur ruang itu sendiri bergerak; dan cakrawala peristiwa didefinisikan sebagai tempat di mana anda, walaupun dengan kemampuan untuk melakukan perjalanan pada had kelajuan kosmik tertinggi, iaitu kelajuan cahaya, dan ke arah mana pun, akan selalu tersandung pada satu keunikan.
Penciptaan Andrew Hamilton adalah simulasi terbaik dan tepat secara saintifik mengenai apa yang berlaku semasa anda memasuki lubang hitam. Mereka sangat berlawanan dengan intuisi dan sangat paradoks sehingga saya hanya dapat mengesyorkan satu perkara kepada anda: menontonnya berulang kali sehingga anda menipu diri sendiri sehingga menganggap anda memahaminya. Ini adalah pemandangan yang indah dan hebat. Dan jika semangat petualangan dalam diri anda begitu kuat sehingga anda memutuskan untuk masuk ke lubang hitam dan masuk ke dalam cakerawala acara, ini akan menjadi perkara terakhir yang anda lihat!
Ethan Siegel
