Co widać z wnętrza czarnej dziury? NASA przygotowała pierwszą wizualizację podróży za horyzont zdarzeń

W tym artykule:

Od filmu do symulacji
Jak wygląda podróż do wnętrza czarnej dziury?
Dysk akrecyjny i pierścienie fotonów

Przygotowanie tego filmu na zwykłym laptopie trwałoby dekadę. Dzięki superkomputerowi Discover znajdującemu się w NASA Center for Climate Simulation astrofizykom zajęto to jednak tylko pięć dni. Przez ten czas wygenerowali symulację pokazującą, jak wyglądałaby podróż za horyzont zdarzeń. Czyli dosłownie do środka czarnej dziury.

Czarne dziury to najbardziej tajemnicze obiekty w kosmosie. Mają tak dużą masę, że ich siła grawitacji skrajnie zakrzywia otaczającą je czasoprzestrzeń. Wszystko, co znajdzie się w pobliżu czarnej dziury, wpada do jej środka. Dotyczy to również światła. Po przekroczeniu granicy nic nie może się już z czarnej dziury wydostać.

Od filmu do symulacji

Tą granicą, obejmującą wszystkie otaczające czarną dziurę „punkty bez powrotu”, jest horyzont zdarzeń. I choć czarne dziury i ich horyzonty zdarzeń są doskonale opisane z pomocą równań fizycznych, to, jak dokładnie wyglądają, dotychczas można było sobie co najwyżej próbować wyobrazić. To właśnie zrobili twórcy filmu „Interstellar” przy pomocy nagrodzonego Noblem fizyka teoretycznego Kipa Thorne’a.

Obraz podróży do wnętrza czarnej dziury z „Interstellara” jest sugestywny. Jednak teraz dostaliśmy znacznie bardziej interesujące wizualizacje takiej wyprawy, opracowane zgodnie z wiedzą naukową. Przygotował je Jeremy Schnittman, astrofizyk z Goddard Space Flight Center, wraz z Brianem Powellem.

Dlaczego to zrobił? – Ludzie często o to pytają – wyjaśnia Schnittman. – Symulowanie trudnych do wyobrażenia procesów pomaga mi połączyć matematykę teorii względności z rzeczywistymi konsekwencjami w prawdziwym Wszechświecie – dodaje naukowiec.

Jak wygląda podróż do wnętrza czarnej dziury?

Za cel wyprawy Schnittman obrał hipotetyczną czarną dziurę o masie 4,3 mln razy większej od masy Słońca. Czyli podobną do Sagittariusa A*, supermasywnej czarnej dziury znajdującej się we wnętrzu Drogi Mlecznej.

– Jeśli miałbyś wybór, wolałbyś wpaść do supermasywnej czarnej dziury – wyjaśnia astrofizyk. – Czarne dziury o masie gwiazdowej, masywniejsze od Słońca do 30 razy, mają znacznie mniejsze horyzonty zdarzeń i potężniejsze siły pływowe. Mogę one rozerwać zbliżający się obiekt, jeszcze zanim dotrze do horyzontu zdarzeń.

Dlaczego tak się dzieje? Ponieważ w pobliżu horyzontu zdarzeń siła grawitacji działająca na koniec „podróżnika” bliższy czarnej dziurze jest o wiele większa niż oddziałująca na jego drugi koniec. „Podróżnik” zbliżający się do czarnej dziury rozciąga się więc jak makaron w procesie, który astrofizycy nazywają spagetyzacją.

Dysk akrecyjny i pierścienie fotonów

Przygotowana wizualizacja zawiera przedstawione krok po kroku wyjaśnienie, co na niej widać. Podróż rozpoczyna się 640 mln kilometrów od czarnej dziury. Stopniowo zaczyna się ona powiększać – i widzimy dysk akrecyjny, czyli wirujące dookoła niej rozgrzane gazy. Da się też zauważyć wewnętrzny cienki pierścień światła. To fotony, które przed wpadnięciem do czarnej dziury kilkakrotnie ją okrążają.

Czym bliżej, tym przestrzeń, a wraz z nią obraz staje się coraz bardziej rozciągnięty i zniekształcony. Czasami nawet się powiela, co stanowi efekt wygięcia czasoprzestrzeni. Dysk akrecyjny i gwiazdy w tle jaśnieją, w miarę jak podróżująca kamera zbliża się do prędkości światła.

Gdyby to się działo naprawdę, opadnięcie na horyzont zdarzeń zajęłoby jej trzy godziny. W trakcie kamera wykonałaby jeszcze dwa pełne okrążenia czarnej dziury. Potem przekroczyłaby jej granicę – i jeszcze ciągle „widziałaby” cienkie pierścienie światła na zewnątrz.

Nie trwałoby to jednak długo. – Gdy kamera przetnie horyzont, zostanie zniszczona w wyniku spagetyzacji po zaledwie 12,8 sekundach – mówi Schnittman. Już tylko 128 000 kilometrów dzieliłoby ją od osobliwości. Czyli środka czarnej dziury, tajemniczego punktu o nieznanych prawach fizyki.

Naukowiec przygotował również wizualizację alternatywnego scenariusza. W nim kamera nie wpada do czarnej dziury, tylko zaledwie się do niej zbliża. Następnie bezpiecznie odlatuje.

Źródło: Phys.org.