Nowa wizualizacja czarnej dziury przenosi widzów poza horyzont zdarzeń

Czarne dziury nie emitują i nie odbijają światła. Obiekty te są tak masywne, że po osiągnięciu pewnego punktu — horyzontu zdarzeń — prędkość ucieczki, czyli prędkość potrzebna do opuszczenia pola grawitacyjnego obiektu, przekracza prędkość światła w próżni. Horyzont zdarzeń czarnej dziury to punkt, po minięciu którego już nie ma powrotu. Region ten oddziela czarną dziurę od reszty Wszechświata i nawet światło nie jest w stanie uciec przed potężnym przyciąganiem grawitacyjnym.

Teraz naukowcy z Goddard Space Flight Center — Jeremy Schnittman oraz Brian Powell – wykorzystali superkomputer Discover w NASA Center for Climate Simulation do stworzenia symulacji pokazującej, jak wyglądałaby podróż do wnętrza czarnej dziury.

— Ludzie często o to pytają, a symulowanie tych trudnych do wyobrażenia procesów pomaga mi połączyć matematykę teorii względności z rzeczywistymi konsekwencjami w prawdziwym Wszechświecie — powiedział Schnittman wyjaśniając jednocześnie, że symulował dwa scenariusze — jeden, w którym kamera zastępująca śmiałego astronautę zbliża się do horyzontu zdarzeń i bezpiecznie się od niego oddala oraz drugi, w którym przekracza granicę horyzontu zdarzeń.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Superkomputer Discover wygenerował około 10 terabajtów danych i pracował przez pięć dni. Na typowym laptopie ten sam proces zająłby ponad dekadę. Badacze symulowali spotkanie z supermasywną czarną dziurą o masie 4,3 mln mas naszego Słońca. To mniej więcej parametry czarnej dziury znajdującej się w centrum Drogi Mlecznej – Sagittarius A*.

– Jeśli miałbyś wybór, wolałbyś wpaść w supermasywną czarną dziurę – wyjaśnił Schnittman. — Czarne dziury o masach gwiazdowych, które mieszczą się w zakresie do około 30 mas Słońca, posiadają znacznie mniejsze horyzonty zdarzeń i mocniejsze siły pływowe, które mogą rozrywać zbliżające się obiekty, zanim dotrą one do horyzontu zdarzeń — dodał.

Dzieje się tak, ponieważ przyciąganie grawitacyjne oddziałujące na bliższy czarnej dziurze koniec obiektu jest znacznie silniejsze niż na jego drugim końcu. W efekcie obiekt jest rozciągany jak makaron spaghetti, a proces ten astrofizycy nazywają spaghettifikacją, spagetyzacją lub efektem makaronu.

Horyzont zdarzeń symulowanej czarnej dziury rozciąga się na około 25 mln km, czyli około 17 proc. odległości Ziemi od Słońca. Otacza go płaska, wirująca chmura gorącego, świecącego gazu, zwana dyskiem akrecyjnym. Symulacja pokazuje też drugą świecącą strukturę zwaną pierścieniem fotonowym. Takie pierścienie tworzą się bliżej czarnej dziury ze światła, które już okrążyło raz lub więcej razy czarną dziurę. Scenę uzupełnia tło rozgwieżdżonego nieba.

W symulacji scenariusza, w którym przekroczony zostaje horyzont zdarzeń, kamera zbliża się do czarnej dziury z odległości 640 mln km, osiągając prędkość coraz bliższą prędkości światła. Wówczas poświata dysku akrecyjnego i gwiazd tła zostaje wzmocniona w podobny sposób, jak wzrasta głośność dźwięku nadjeżdżającego samochodu. Ich światło wydaje się jaśniejsze. Po drodze dysk akrecyjny czarnej dziury, pierścienie fotonowe i nocne niebo ulegają coraz większym zniekształceniom, a nawet powieleniom, gdy ich światło przemierza coraz bardziej zakrzywioną czasoprzestrzeń.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Gdyby działo się to w rzeczywistości, kamera czy astronauta potrzebowałby około trzech godzin, aby opaść do horyzontu zdarzeń, wykonując po drodze prawie dwie pełne orbity wokół czarnej dziury. W miarę jak czasoprzestrzeń staje się coraz bardziej zniekształcona bliżej horyzontu, obraz z kamery zwalnia, a następnie zdaje się zastygać w bezruchu.

Na granicy horyzontu zdarzeń nawet sama czasoprzestrzeń płynie do wewnątrz z prędkością światła. Po minięciu horyzontu zdarzeń zarówno kamera, jak i czasoprzestrzeń, w której się porusza, pędzą w stronę centrum czarnej dziury – jednowymiarowego punktu zwanego osobliwością, w którym przestają obowiązywać znane nam prawa fizyki.

— Kiedy kamera przetnie horyzont, do jej zniszczenia w wyniku spaghettyfikacji potrzeba zaledwie 12,8 sekundy — powiedział Schnittman. Stamtąd do osobliwości jest już tylko 128 tys. kilometrów i reszta podróży kończy się w mgnieniu oka.

W alternatywnym scenariuszu kamera, zastępując astronautę, krąży blisko horyzontu zdarzeń, ale nigdy go nie przekracza. Jeśli astronauta wybrałby się w taką sześciogodzinną podróż (trzy godziny w jedną stronę), wróciłaby o 36 minut młodszy od swoich kolegów czekających na niego w bezpiecznej odległości. Dzieje się tak dlatego, że czas płynie wolniej w pobliżu silnego źródła grawitacji i gdy obiekt porusza się z prędkością bliską prędkości światła.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Źródło: NASA