Путешествие в черную дыру: Путешествие в черную дыру в виртуальной реальности

Содержание

Путешествие в черную дыру в виртуальной реальности

Астрофизики создали симуляцию, показывающую, что увидит наблюдатель, падающий в черную дыру Sagittarius A* в центре Млечного пути

Выпуская на экраны фильм «Интерстеллар», создатели сделали эффектный ход: они объявили, что кадры фильма, где показана черная дыра, основаны на точных теоретических расчетах. Эти расчеты якобы любезно выполнил для режиссера Кристофера Нолана сам Кип Торн, лауреат Нобелевской премии и, наверное, самый авторитетный в мире специалист по релятивистской физике после ухода Стивена Хокинга.

Закончили чтение тут

Наверняка в этом утверждении была доля правды: Кипу Торну совсем не сложно было сделать для режиссера правдоподобный набросок. Однако каждый, кто знаком с релятивистской физикой, понимает, что о точном вычислении речь идти не могла: такой расчет потребовал бы не мимолетного внимания нобелевского лауреата, а довольно трудоемкой работы с использованием значительных вычислительных мощностей.

Однако теперь наконец такой расчет выполнен, о чем сообщает опубликованная недавно работа физиков из Нидерландов. Название работы говорит само за себя — «Наблюдение супермассивной черной дыры в виртуальной реальности». Панорамную симуляцию можно посмотреть на коммерчески доступных ВР-консолях. Видеосимуляция доступна на Youtube.

Объектом моделирования стала не абстрактная черная дыра из научно-фантастического сюжета, а конкретный астрономический объект — Sagittarius A*, супермассивная черная дыра, расположенная в центре нашей галактики. В качестве исходных данных использовались те факты, которые уже известны об этом объекте. Чтобы перейти от физических формул к наглядной картинке, понадобилась серия сложных расчетов. Для начала надо было рассчитать пути световых лучей вокруг черной дыры, чтобы понять, как изменится сама картина Вселенной, если наблюдатель расположен в непосредственной близости от горизонта событий.

На первой иллюстрации условно представлена панорама наблюдателя в обычном неискривленном пространстве. Зеленым и красным цветом обозначено то, что находится впереди наблюдателя, желтым и синим — задняя часть (то, что мы могли бы видеть, имей мы панорамный обзор в 360о или шлем ВР на голове).

А вот как искажается это поле зрения, когда вы находитесь в непосредственной близости (около трех радиусов горизонта) от черной дыры, причем двигаетесь к ней в поле ее тяготения. Можно видеть, что передняя часть панорамы сужается, зато вы можете, не поворачивая головы, увидеть то, что на самом деле находится сзади вас.

[[{«fid»:»271993″,»view_mode»:»default»,»fields»:{«format»:»default»,»field_file_image_alt_text[und][0][value]»:»SpringerOpen»,»field_file_image_title_text[und][0][value]»:false},»type»:»media»,»field_deltas»:{«1»:{«format»:»default»,»field_file_image_alt_text[und][0][value]»:»SpringerOpen»,»field_file_image_title_text[und][0][value]»:false}},»attributes»:{«alt»:»SpringerOpen»,»class»:»media-element fancyboxed file-default»,»data-delta»:»1″}}]] Следует иметь в виду, что если наблюдатель не падает в дыру, а противится ее притяжению, картинка станет совсем другой: «тень» черной дыры (темное пятно в середине) окажется гораздо больше, а поле зрения деформируется по-другому, и его передняя часть, наоборот, растянется по краям.

Рассчитав траектории световых лучей, исследователи перешли к созданию образа реального объекта. Они вычислили, как могла бы выглядеть для наблюдателя черная дыра в процессе аккреции (т. е. заглатывания) вещества. Но самая любопытная часть этого опыта — воссоздание зрительных впечатлений наблюдателя, который сам движется в поле тяготения черной дыры.

На кадрах 5100-5800 наблюдатель приближается к черной дыре, причем вначале можно ясно видеть часть ее «тени» — темное пятно, откуда не выходят лучи света. Затем облака горячего газа закрывают  этот объект.

Кадр 6150 соответствует вашему максимальному приближению к черной дыре в ее диске аккреции. В этот момент наблюдатель не видит практически ничего из-за очень высокой оптической плотности диска.

По воле создателей симуляции приключения наблюдателя заканчиваются благополучно: из окрестностей черной дыры его выносит джет, исходящий от одного из полюсов объекта (кадр 7200). Отсюда уже можно видеть тень черной дыры как темный диск, окруженный падающей на него разогретой материей. Джет уносит вас все дальше от объекта, и наконец вы уже можете видеть вокруг черной дыры звездное небо (7900-8599), лишь немного искаженное гравитационным полем.

Один из результатов работы — весьма точное предсказание, как мог бы выглядеть объект Sagittarius A*, если бы удалось наблюдать его в деталях с помощью астрономических инструментов. Следует отметить, что подобных наблюдений появляется все больше, и в последних из них окрестности супермассивной черной дыры в центре Млечного Пути удалось рассмотреть очень подробно. Сравнение наблюдательных данных с расчетами позволит уточнить границы применимости теоретических описаний и продвинуться в понимании фундаментальных законов физики. Говорит один из авторов работы профессор Эйно Фальке: «У нас у всех есть в голове картинка, как предположительно должны выглядеть черные дыры, но наука продвинулась вперед, и сейчас мы можем сделать гораздо более точные прикидки.

Оказывается, эти черные дыры не очень похожи на то, к чему мы привыкли».

Авторы, однако, указывают на еще один важный итог их работы. «Выполненные нами визуализации имеют огромный потенциал: мы использовали их, чтобы познакомить детей с явлением черных дыр, и те действительно что-то из этого узнали. Виртуальная реальность — прекрасный инструмент, чтобы представить наши работы широкой аудитории, даже если речь идет о таких сложных физических объектах, как черные дыры», — заявил другой участник исследования доктор Йорди Давелар (источник цитаты).

Можно ли путешествовать по Вселенной с помощью черных дыр?

Вселенная полна загадок. Возьмем, к примеру, черные дыры – область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут не только объекты, движущиеся со скоростью света, но и фотоны самого света. Напомню, что существование этих таинственных объектов впервые было подтверждено в 2017 году после открытия гравитационных волн. А два года спустя, в 2019 году астрономы впервые получили самый настоящий снимок тени черной дыры. Но что еще ученым известно об этих удивительных, массивных объектах? По мнению авторов нового исследования, сверхмассивные черные дыры могут оказаться самыми настоящими «тоннелями», с помощью которых путешественники на космических кораблях теоретически могут путешествовать по бескрайней Вселенной. Примечательно, что новое исследование согласуется с тем, что думал о черных дырах великий физик-теоретик Стивен Хокинг.

По мнению некоторых ученых, черные дыры могут быть отличным способом путешествий по бескрайней Вселенной.

Черные дыры – путь в другие вселенные

В 1915 году Альберт Эйнштейн направил на публикацию работу с основными уравнениями общей теории относительности (ОТО). Применив универсальную скорость света в своих уравнениях, ученый предположил, что законы физики остаются неизменными в любой данной системе отсчета. Как мы знаем сегодня, теория гравитации описанная Эйнштейном, предсказала существование черных дыр и пространственно-временных тоннелей. А британский физик-теоретик Стивен Хокинг и вовсе считал, что черные дыры могут оказаться порталом в другие вселенные.

В работе 2015 года, опубликованной в журнале Physical Review Letters, Стивен Хокинг, Эндрю Строминджер из Гарвардского университета и Малкольм Перри из Кембриджского университета, пришли к выводу о том, что информация, поглощенная черной дырой, отправляется прямиком в другую Вселенную.

Хокинг и его коллеги опровергают утверждение о том, что все, что попадает в черную дыру, исчезает в ней бесследно и безвозвратно. Знаменитый физик-теоретик полагал, что черные дыры не живут вечно, а часть информации, поглощенной ими не исчезает бесследно, а как бы просачивается наружу в виде фотонов с почти нулевой энергией. Эти фотоны остаются в пространстве после испарения черной дыры – процесса, который получил название «излучение Хокинга».

Излучение Хокинга – главный аргумент исследователей относительно распада (испарения) небольших черных дыр. Считается, что в процессе распада черная дыра излучает в пространство элементарные частицы, преимущественно фотоны.

Стивен Хокинг выступает с докладом на собрании ведущих физиков мира в Королевском технологическом институте, 2015 год.

Согласно работе 2015 года, вся информация поглощенная черной дырой будет храниться на границе этой области, называемой горизонтом событий. Фотоны будут выступать переносчиками информации, на них будут записаны данные о свойствах частиц, «съеденных» черной дырой. «Если вы попали в черную дыру, не волнуйтесь – из нее есть выход» – сказал Хокинг в зале Стокгольмского университета. «Вот корабль погружается в черную дыру и перемещается в другую Вселенную».

Так как все в нашем мире закодировано квантово-механической информацией. Согласно законам квантовой механики, эта информация полностью никогда не исчезнет, что бы с ней не случилось. Даже если ее засосет в черную дыру. Правда, в теории Хокинга есть один немаловажный нюанс – путешествие сквозь черную дыру можно только в одну сторону – альтернативную вселенную. Сегодня, однако, многие исследователи считают, что черные дыры – теоретически – могут быть не только порталами в другие миры, но и тоннелями, с помощью которых можно путешествовать по Вселенной.

Это интересно: Черные дыры можно использовать в качестве источника бесконечной энергии

Можно ли путешествовать сквозь черные дыры?

В работе, опубликованной в ноябре 2020 года в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, астрофизики предполагают, что сверхмассивные черные дыры на самом деле могут быть «проходными» червоточинами. Напомню, под червоточинами ученые понимают гипотетическую особенность пространства-времени, представляющую собой в каждый момент времени «тоннель» в пространстве. Исследователи отмечают, что масштабы нашей Вселенной колоссальны, а с помощью червоточин космические путешественники вполне могли бы проложить путь к самым дальним уголкам Вселенной.

И вот тут начинается самое интересное – червоточины предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна (как когда-то черные дыры), но вот их существование на сегодняшний день не доказано. Команда астрофизиков во главе с Михаилом Пиотровичем, астрофизиком из Центральной астрономической обсерватории в Пулково в Санкт-Петербурге, предложила новый способ поиска гипотетических тоннелей в ткани пространства-времени.

Интересно, что астроном Карл Саган считал, что кротовые норы – единственный возможный способ путешествий по Вселенной.

Как пишут авторы научной работы, червоточины в центре чрезвычайно ярких галактик могут «излучать характерный спектр», который можно обнаружить с помощью наблюдений и мощных телескопов. Захват этой сигнатуры не только обеспечит доказательства существования червоточин, но и откроет совершенно новые возможности для потенциальных космических полетов – и даже путешествий во времени.

«Очень интересным и необычным следствием существования червоточин такого типа является факт того, что эти червоточины – естественные машины времени», — слова Михаила Пиотровича приводит портал Vice.

«Кротовые норы, которые мы рассматриваем в настоящем исследовании, являются проходимыми червоточинами, поэтому теоретически космический корабль может путешествовать сквозь них. Но, конечно, следует понимать, что мы очень мало знаем о внутреннем строении червоточин и, более того, мы не знаем наверняка, существуют ли они вообще».

Некоторые галактики содержат светящиеся ядра, называемые активными ядрами галактик (AGN), которые выбрасывают в окружающее пространство массивные двойные струи, состоящие из заряженной материи, которые движутся со скоростью, близкой к скорости света. Ученые полагают, что AGN подпитываются приливными взаимодействиями между сверхмассивными черными дырами и аккреционными дисками, которые формируются из газа, пыли и звезд, падающих в них.

Читайте также: Стивен Хокинг был прав: черные дыры способны испаряться

Червоточины могут связывать далекие участки Вселенной, подобно тоннелю.

Пиотрович и его коллеги предполагают, что AGN – это «устья червоточин», а не сверхмассивные черные дыры. Если это действительно так, то эти галактические ядра могут быть связаны друг с другом через пространство и время, что может привести к падению материи через оба устья связанной пары AGN. На самом деле идея о том, что AGN могут оказаться червоточинами, возникла еще в 2005 году, но новое исследование – первое в своем роде, предлагающее новый способ возможного обнаружения легендарных тоннелей.

Так или иначе, ближайший подобный объект находится в миллионах световых лет от Млечного Пути, так что мы при всем желании не сможем проверить слова ученых на практике. Тем не менее, обнаружение доказательств существования червоточин – даже издалека – стало бы настоящим прорывом в нашем понимании Вселенной. Более того, обнаружение червоточин также поможет ученым больше узнать о черных дырах. А как вы думаете, можно ли путешествовать сквозь черные дыры и червоточины и кто из великих ученых прошлого и настоящего все-таки прав? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье.

Путешествие в черную дыру Шварцшильда

Путешествие в черную дыру Шварцшильда

Нажмите на любое изображение, чтобы увидеть его увеличенную версию, или получить доступ к первоисточнику.

Фильмы не работают?

Путешествие в черную дыру Шварцшильда. На этом изображена карта, часы и искусственная сетка на горизонте черной дыры.

Простейшая черная дыра — это черная дыра Шварцшильда. которая представляет собой черную дыру с массой, но без электрического заряда и без вращения. Карл Шварцшильд открыл эту геометрию черной дыры в конце 19 века.15

1,2,3,4,р54 , через несколько недель после того, как Эйнштейн представил свою окончательную теорию общей теории относительности.

Фон Акселя Меллингера Панорама всего неба Млечный Путь (с разрешения).

Нырнуть в!

Для объяснения того, что происходит в фильме, читайте ниже.


Путешествие в черную дыру Шварцшильда. Этот простой.

Это тот же фильм, что и выше, но без карты, часов и сетки.

Обратите внимание, что вы не можете сказать, когда вы проходите через горизонт.


Путешествие в черную дыру Шварцшильда. Этот в стерео.

Эта стереоверсия включает в себя только заключительную часть путешествия, через горизонт к сингулярности. Чтобы просмотреть стерео, скрестите глаза и расслабьте фокус.

Расстояние в стереофильме — это «аффинное расстояние», что является естественным обобщением расстояния вдоль прошлого светового конуса до излучателя в общей теории относительности 6 .

Стереофильм был адаптирован для человеческого бинокулярного зрения. Фильм не представляет того, что вы на самом деле увидели бы своими двумя глазами. если бы вы посетили настоящую черную дыру. В действительности искривленное пространство-время исказило бы волновые фронты света от сферических, сбивая с толку ваше бинокулярное восприятие. Противоречивые визуальные сигналы могут вызвать у вас тошноту. Но отсутствие бинокулярного зрения — это просто ограничение существ, которые эволюционировали в плоском пространстве-времени. Тринокулярное зрение подойдет. Трехглазая обезьяна справа, нарисованная моей дочерью Дикая роза, без проблем прыгали бы с дерева на дерево в сильно искривленном пространстве-времени.


Общая теория относительности

Спустя почти столетие после того, как Альберт Эйнштейн предложил его в 1915 году 7 , Общая теория относительности продолжает побеждать своих конкурентов в дарвиновской борьбе за лидерство в теории гравитации 8 .

Черные дыры — самое экстремальное предсказание общей теории относительности. Астрономы находят вездесущие свидетельства существования объектов в котором большая масса сосредоточена в малом пространстве, исключительно яркие, энергичные и изменчивые. Экстремальные свойства этих объектов, кажется, оставляют мало места для чего угодно, кроме черной дыры. Конечно, астрономы не видят саму черную дыру, которая черного цвета. Скорее, они видят сильное воздействие черной дыры на окружающую среду.

Слева находится Изображение центра M87, сделанное космическим телескопом Хаббл, гигантская эллиптическая галактика в центре Местного сверхскопления галактик. M87 содержит самую большую черную дыру, масса которой еще не измерена. в 6 миллиардов раз больше массы нашего Солнца 9 . Возникновение из галактики является мощным самолет который Хаббл разогнал до скорости, в 6 раз превышающей скорость света. Нажмите на выяснить, почему это не противоречит утверждению теории относительности что ничто не может двигаться быстрее света.


«У черных дыр нет волос»

Теорема об отсутствии волос утверждает, что геометрия вне (но не внутри!) горизонта изолированная черная дыра характеризуется всего тремя величинами:

  • масса
  • Электрический заряд
  • Вращаться

Таким образом, черные дыры относятся к простейшим творениям природы. Они проще звезд, гораздо проще, чем планеты, и намного проще, чем люди.

Именно эта простота дает мне смелость снимать фильмы о черных дырах, и иметь некоторую уверенность в том, что они точно изображают черные дыры, при условии, конечно, что общая теория относительности верна.

Фильмы на этой странице показывают самую простую из всех видов черных дыр, черная дыра Шварцшильда, которая имеет массу, но не имеет заряда и вращения. Геометрия Шварцшильда описывает геометрию пустого пространства. окружающих любую сферическую массу.

Реальные черные дыры, вероятно, будут сложнее, чем геометрия Шварцшильда: настоящие черные дыры наверное вращаются, и те, что видят астрономы, не изолированы, но питаются материалом из своего окружения.

Когда черная дыра впервые образуется в результате коллапса ядра массивной звезды, это вовсе не черная дыра без волос. Скорее, только что схлопнувшаяся черная дыра качается, излучающие гравитационные волны. Гравитационные волны уносят энергию, приближая черную дыру к состоянию, в котором она больше не может излучать. Это состояние «без волос».


карта

Цвет Зона
Зеленый Стабильные круговые орбиты
Желтый Нестабильные круговые орбиты
Апельсин Нет круговых орбит
Красная линия Горизонт
Красный Внутри горизонта

Вставка в левом нижнем углу фильма представляет собой карту. вашей траектории в черную дыру. Вы следуете настоящей траектории свободного падения.

Зеленая область — это «безопасная» зона, где круговые орбиты стабильны.

Желтая область — «опасная» зона, где круговые орбиты нестабильны. Если вы находитесь на нестабильной круговой орбите, затем крошечный взрыв на ваших маневровых двигателях отправит вас в черную дыру или в открытый космос.

Оранжевая область — это «опасная» зона, где нет круговых орбит, стабильный или нестабильный. Чтобы оставаться на орбите в этой зоне, вы должны продолжать стрелять ракетами. Чем ближе ты к горизонту, тем сильнее вы должны стрелять своими ракетами, чтобы не упасть.

Красная линия — это горизонт, изнутри которого нет выхода.


Часы

Вставка в правом нижнем углу фильма — это часы, который записывает время налево, пока не попадете в центральную сингулярность, место, где пространство и время, какими вы их знаете, заканчиваются.

Часы записывают ваше «правильное» время, время, которое вы на самом деле ощущаете в своем мозгу, и что показывают ваши наручные часы. В фильме, часы замедляются не потому что время замедляется (а-ля 1979 фильм «Черная дыра Уолта Диснея»), но поскольку ближе к сингулярности фильм проигрывается медленнее, чтобы вы могли более четко видеть, что там происходит.

Время в секундах, если черная дыра имеет массу 5 миллионов солнц, примерно равна массе сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики. На твоей траектории, требуется 16 секунд, чтобы упасть от горизонта до сингулярности.


Фон для фильма

Эффектный Аксель Меллингер Панорама всего неба Млечный Путь обеспечивает фон для фильма. Аксель любезно разрешил использовать эту панораму на этом сайте.

Оранжевый крест в центре изображения слева (нажмите на него, чтобы увеличить) отмечает положение сверхмассивной черной дыры массой 4 миллиона солнечных в центре Млечного Пути, нашей Галактики.


Гравитационное линзирование

Черная дыра преломляет свет вокруг себя, как показано слева. Один объект создает несколько изображений.

Полученное гравитационное линзирование показано справа. Черная дыра, кажется, «отталкивает» изображение радиально, который, в свою очередь, растягивает изображение в поперечном направлении. Части изображения ближе к черной дыре отталкиваются больше, поэтому изображение кажется сжатым радиально.

640 × 480 gif (14 МБ)

Стерео версия:
960 × 480 gif (20 МБ)

Нажмите на кнопку, чтобы увидеть анимацию Земли на орбите вокруг черной дыры. Анимация прекрасно иллюстрирует гравитационное линзирование. Черная дыра здесь принимается равной радиусу Земли, для чего требуется, чтобы масса черной дыры составляла около 2000 солнц. Земля вращается на 3 радиусах Шварцшильда. (минимальная устойчивая круговая орбита), и мы наблюдаем в состоянии покоя с расстояния 5 радиусов Шварцшильда. Для этих параметров мы бы увидели, как Земля вращается вокруг черной дыры 80 раз в секунду.

Эта анимация не реалистична! Земля будет разорвана приливом примерно за один виток если бы он вращался так близко к черной дыре такой массы.

Заметь когда Земля от нас отдаляется, он кажется красноватым (с красным смещением) и замедленным, и наоборот, когда Земля приближается к нам, она кажется синей (с синим смещением) и ускоряется.

Фоном для этой анимации является 2-микронный обзор всего неба (2MASS).

Любая масса, не только черная дыра, искривляет свет, но большое искажение требует глубокого гравитационного потенциала. Ярким примером гравитационного линзирования является скопление галактик Абель 1689наблюдается космическим телескопом Хаббл.


Кольцо Эйнштейна

Если яркий объект находится точно за черной дырой, затем свет от яркого объекта появится как кольцо вокруг черной дыры, называется «кольцом Эйнштейна».


Красная сетка на горизонте черной дыры

Если бы вы подошли к настоящей черной дыре, вы не найдете красной сетки на его горизонте. Но я полагаю, что любой уважающий себя космический корабль нарисовал бы горизонт черной дыры с помощью хедз-ап дисплея. В конце концов, черные дыры — опасные штуки. Горизонт окрашен в темно-красный цвет, как напоминание о том, что все, что падает за горизонт наблюдателю за горизонтом покажется тусклым и с красным смещением.

Вы можете одновременно видеть «северный» и «южный» полюса черной дыры. Это потому, что черная дыра искривляет вокруг себя свет, так что на самом деле вы можете видеть заднюю часть черной дыры.


Самая внутренняя стабильная орбита

3 Радиусы Шварцшильда обозначают радиус самой внутренней стабильной орбиты. Вне этого радиуса круговые орбиты устойчивы, тогда как внутри него круговые орбиты неустойчивы.

Астрономы утверждают, что если черная дыра аккрецирует, то внутренний край аккреционного диска, вероятно, лежит на самой внутренней стабильной орбите. На этом радиусе газ отрывается от аккреционного диска, вращающегося вокруг черной дыры, и падает в черную дыру.


Нестабильная орбита

Параметры вашей орбиты свободного падения почти выводят вас на нестабильную круговую орбиту вокруг черной дыры. Чуть больше угловой момент, и вы оказались бы на нестабильной орбите.

Но вы выбрали траекторию с недостаточным угловым моментом для выхода на неустойчивую круговую орбиту, так что вы продолжаете в черную дыру.

640 × 480 gif (11 МБ)

Я думаю, что если в отдаленном будущем люди посещают черную дыру в центре Млечного Пути, они выйдут на неустойчивую круговую орбиту вокруг него. Нажмите на кнопку, чтобы увидеть, как все выглядит на нестабильной круговой орбите с радиусом 2 Шварцшильда. Если масса черной дыры равна массе сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, тогда потребуется примерно десять минут, чтобы облететь черную дыру по этой орбите. Как раз для быстрого тура! На этой нестабильной орбите короткий рывок вперед ваших двигателей отправил бы вас обратно в космос, а короткий ретро-всплеск отправит вас в черную дыру.


Фотонная сфера

На 1,5 радиуса Шварцшильда есть особое место, фотонная сфера, где световые лучи могут вращаться по круговым орбитам вокруг черной дыры. Это самое близкое к черной дыре что что угодно может оставаться на круговой орбите, не запуская свои ракеты.

Хотя фотоны в принципе могут «застрять» на круговой орбите в фотонной сфере, на практике орбита нестабильна, так что фотоны там не концентрируются, и вы не видите ничего особенного, проходя сквозь фотонную сферу.

640 × 480 GIF (7 МБ)

640 × 480 GIF (5 МБ)

Будучи массивным, вы не можете путешествовать со скоростью света (вам потребуется бесконечное количество энергии, чтобы разогнаться до скорости света). Но вы могли бы двигаться почти со скоростью света. Если, двигаясь почти со скоростью света, вы вышли на круговую орбиту прямо над фотонной сферой, это будет выглядеть так.


Через горизонт

640 × 480 GIF (7 МБ)

640 × 480 GIF (7 МБ)

Когда вы падаете за горизонт, в радиусе 1 Шварцшильда, происходит что-то совсем неожиданное. Вы думали, что провалитесь сквозь красную сетку, которая якобы отмечает горизонт. Но нет. Красная сетка все еще стоит перед вами.

Вместо этого горизонт разделяется на две части, когда вы проходите через него. Нажмите на чтобы лучше понять, почему горизонт разделяется надвое.

Без сеток (анимация справа), вы не увидите никаких признаков того, что вы пересекли горизонт. Да, анимация скучновата, не правда ли.


Тот же вид в стерео.


Поглощенный чернотой? НЕТ!

640 × 480 GIF (3 МБ)

640 × 480 GIF (3 МБ)

Это распространенное заблуждение что если вы упадете за горизонт черной дыры, вас поглотит в черноте. Точнее, история в том, что когда ты падаешь к горизонту, изображение неба наверху концентрируется во все меньшем и меньшем круглый пластырь, который полностью исчезает, когда вы проходите через горизонт.

Заблуждение возникает потому, что если очень медленно опускаться к горизонту, Стреляйте своими ракетами как сумасшедшие, просто чтобы оставаться на месте, тогда действительно ваш взгляд на внешнюю вселенную будет сосредоточены в маленьком ярком круге над вами. Нажмите на кнопку, чтобы увидеть, как это выглядит, если медленно опуститься к горизонту. Физически, это происходит потому, что ты плывешь как сумасшедший набегающий поток космоса (видеть ), а релятивистское излучение концентрирует и осветляет сцену впереди (над) вами. Видеть для учебника по релятивистскому излучению. Но это совершенно нереальная ситуация. Было бы глупо тратить свои ракеты, парящие прямо над горизонтом черной дыры. Если бы у вас была вся эта ракетная мощь, почему бы не сделать с ней что-нибудь полезное, как совершить путешествие по Вселенной?

Если вы все же настаиваете на том, чтобы зависнуть чуть выше горизонта, и если по ошибке ты чуть-чуть опустишься за горизонт, тогда вы больше не сможете оставаться в покое, как бы сильно вы ни стреляли своими ракетами: сверхсветовой поток пространства в черную дыру затянет вас внутрь. Что бы ты ни решил сделать, взгляд на внешнюю Вселенную не исчезнет когда вы проходите через горизонт.

Нажмите на кнопку слева (с сеткой горизонта) или вправо (без сетки горизонта) для анимации появления внешней Вселенной когда вы медленно опускаетесь к горизонту. Вселенная кажется все ярче и ярче по мере приближения к горизонту, стремится к бесконечной яркости на горизонте. Но опять же, никто в здравом уме не стал бы этого делать.


Неумолимо внутрь

Внутри горизонта, пространство падает быстрее света, неумолимо унося тебя внутрь. На этом изображении вы находитесь на 0,8 радиуса Шварцшильда.

Когда вы падаете дальше за горизонт, пузырь Шварцшильда увеличивается.

Тот же вид в стерео.


Приливные силы разлучают вас

В сверхмассивной черной дыре, подобной этой, приливные силы настолько слабы, что вы можете упасть глубоко за горизонт прежде чем тебя разорвут.

Гравитация у ваших ног сильнее, чем у вашей головы — до тех пор, пока вы падаете ногами вперед, чтобы ваши ноги были ближе к черной дыре, чем ваша голова. Вы чувствуете эту разницу в силе тяжести между ногами и головой как приливную силу, который разрывает вас по вертикали в процессе, называемом «спагеттификацией». В то же время, как вы раздвигаетесь по вертикали, вы раздавлены в горизонтальном направлении, как будто резинку тянут. Так что, если вы хотите быть выше и стройнее, тогда один из способов добиться этого — упасть в черную дыру (и обязательно падать вертикально!). Однако, как и многие диеты, улучшение вашей формы будет только временным.

Тривиум: это общий факт вас разорвет черная дыра примерно за десятую долю секунды прежде чем вы попадете в сингулярность, не зависит от массы черной дыры. Это связано с тем, что время свободного падения равно обратному квадратному корню из приливной силы. t ff  =  г −1/2  = ( G M  /  r 3 ) −1/2 90.

Тот же вид в стерео.


К сингулярности

Рядом с сингулярностью, приливная сила становится экстремальной. Та же самая приливная сила, которая разрывает вас по вертикали и давит по горизонтали. концентрирует взгляд на внешнюю Вселенную в тонкую ленту вокруг талии. Виды сверху и снизу затемнены и смещены в красную сторону, в то время как вид вокруг вашей талии становится ярче и синеватым.

Если у вас есть какое-то поперечное движение (некоторый угловой момент) вокруг черной дыры, как в фильме, затем релятивистское излучение концентрируется и смещает сцену в синеву в направлении вашего движения.

Вы никогда не увидите сингулярность, потому что весь свет направляется к сингулярности, а не от нее.

Тот же вид в стерео.


Погрузитесь в сингулярность

Если вместо падения с некоторым поперечным движением (с некоторым угловым моментом) вы падаете вертикально в черную дыру (с нулевым угловым моментом), то подход к сингулярности выглядит так, как будто вы приземляетесь на плоскую плоскость, не приближаясь к точке. Внешний вид плоской плоскости вызван чрезвычайно огромной приливной силой.

Тот же вид в стерео.


В сингулярности

В центре черной дыры находится сингулярность, место бесконечной кривизны, где пространство и время, какими вы их знаете, заканчиваются.

Геометрическая интуиция, поддерживается картинки как эта предположил бы, что центр черной дыры Шварцшильда является точкой. Эта интуиция обманчива. Если вы с другом попали в черную дыру одновременно, но в разных местах (по широте и долготе), вы не приближаетесь друг к другу, приближаясь к сингулярности. Скорее, расходящаяся приливная сила направляет части вашего тела во внутреннем радиальном направлении. Вдали от встречи с другом в сингулярности, ты даже не можешь протянуть руки, чтобы прикоснуться к ней.

«Эта» сингулярность — это не точка. Скорее, это трехмерная пространственная граница где общая теория относительности совершает самоубийство. Новая физика, предположительно квантовая гравитация в той или иной форме, должны заменить общую теорию относительности в сингулярностях. Что это за новая физика, остается глубоким вопросом без ответа.


использованная литература

  1. Тони Ротман (2002) «Примечание редактора: поле одного центра в теории гравитации Эйнштейна и движение частицы в этом поле» Генерал Отн. Грав. 34 1541-1543 комментирует тот факт, что метрика Шварцшильда был обнаружен независимо Йоханнесом Дросте в 1916 году.
  2. Карл Шварцшильд (1916) «Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie» Sitzungsberichte der Deutschen Akademie der Wissencshaften zu Berlin, Klasse für Mathematik, Physik, und Technik 1916 189-196;
    английский перевод выглядит как (2003) «О гравитационном поле материальной точки по теории Эйнштейна» Генерал Отн. Грав. 35 951-959.
  3. Карл Шварцшильд (1916) «Über das Gravitationsfeld einer Kugel aus incompressibler Flussigkeit nach der Einsteinschen Theorie» Sitzungsberichte der Deutschen Akademie der Wissencshaften zu Berlin, Klasse für Mathematik, Physik, und Technik 1916 424-434.
  4. Кип С. Торн (1994) «Черные дыры и искажения времени: возмутительное наследие Эйнштейна» (В. В. Нортон и Ко.) рассказывает историю открытия Шварцшильдом своего решения, и отказ Эйнштейна от этого.
  5. Натали Дерюэль (2009) «Хронология черных дыр I. до 1939 г.» (Доступна с Конспект лекций Института теоретической физики, Сакле, Франция) обобщает ключевые даты и события в раннем теоретическом понимании черных дыр.
  6. Эндрю Дж. С. Гамильтон и Гэвин Полхемус (2010) «Стереоскопическая визуализация в искривленном пространстве-времени: заглянуть внутрь черной дыры» New J. Phys. 12 123027 архив: 1012.4043.
  7. Альберт Эйнштейн (1915) «Die Feldgleichungen der Gravitation (Полевые уравнения гравитации)» Sitzungsberichte der Deutschen Akademie der Wissencshaften zu Berlin, Klasse für Mathematik, Physik, und Technik 1915 844-847.
  8. Клиффорд М. Уилл (2006) «Противостояние общей теории относительности и эксперимента» Living Rev. Относительность 9 3.
  9. Карл Гебхардт, Джошуа Адамс, Дуглас Ричстоун, Тод Р. Лауэр, С. М. Фабер, Кайхан Галтекин, Джереми Мерфи, Скотт Тремейн (2011) «Масса черной дыры в M87 по данным Gemini/NIFS Adaptive Optics Observations» Астрофизический журнал 729 119 архив: 1101.1954.

Путешествие в черную дыру: часть 1 – подкаст | Наука

Еженедельник науки

Наука

Дополнительные способы прослушивания

  • Подкасты Apple
  • Подкасты Google
  • Спотифай
  • Новостная лента
  • Скачать

Это одно из самых загадочных явлений во вселенной, сбивающее с толку физиков и математиков. Черные дыры втягивают в себя окружающую их материю, и все, что входит в нее, никогда не сможет покинуть ее. Но в них вообще ничего нет. Под руководством физика и автора книги «Руководство по выживанию в черной дыре» Жанны Левин Мадлен Финли берет журнал Science Weekly в межзвездное путешествие, чтобы посетить один из этих невероятных астрофизических объектов.

В первом из двух эпизодов пара обсуждает свою цель, Стрелец А*, сверхмассивную черную дыру в центре нашей галактики и предмет Нобелевской премии по физике в этом году, а также то, что происходит, когда вы достигаете края черная дыра

Как слушать подкасты: все, что вам нужно знать

  • Жанна Левин — профессор физики и астрономии Барнард-колледжа Колумбийского университета.
  • Книга Левина «Руководство по выживанию в черной дыре» будет доступна в Великобритании 12 ноября 2020 года, ее можно найти здесь.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *