Cosmosul văzut din interiorul unei găuri negre gigante
Cu ocazia celei de-a cincea săptămâni a găurilor negre – Black Hole Week 2024 (6-10 mai) – inginerii de la NASA ne invită să plonjăm în centrul uneia dintre ele – o gaură neagră supermasivă – printr-o serie de vizualizări, inclusiv videoclipuri care permit o explorare în 360° a spațiului
Un supercomputer pentru a simula o gaură neagră supermasivă
Datorită puterii unui supercomputer, inginerii de la NASA au reușit să simuleze ce s-ar întâmpla dacă un astronaut însoțit de o cameră video ar cădea în centrul unei găuri negre supermasive având de 4,3 milioane de ori masa Soarelui. O gaură neagră supermasivă precum cea care se ascunde în centrul Căii noastre Lactee. Găurile negre sunt obiecte fascinante și enigmatice. O experiență fără egal.
Ce s-ar întâmpla dacă cineva ar cădea într-o gaură neagră? O nouă simulare NASA oferă răspunsul – inclusiv finalul inevitabil. O provocare chiar și pentru astrofizicieni. Dar o modalitate pentru ei este aceea de a simula procese greu de imaginat, exersând conectarea matematicii complexe a relativității la consecințele lor în lumea reală.
Această simulare arată un astronaut plonjând prin discul de acreție de gaz fierbinte și strălucitor din jurul unei găuri negre supermasive precum cea din centrul Căii Lactee. Astronautul se prăbușește, trecând pe lângă piste de curse fantomatice de particule luminoase care au orbitat de mai multe ori gaura neagră, ajungând în cele din urmă în punctul fără întoarcere: orizontul evenimentelor, de unde nimic, nici măcar lumina, nu poate scăpa.
Găurile negre sunt cele mai dense obiecte din univers. Nimeni nu știe exact cum arată materia dincolo de orizontul evenimentelor unei găuri negre, dar cercetătorii știu foarte multe despre fizica care înconjoară aceste puncte ultra-dense din spațiu. În jurul unei găuri negre, forțele gravitaționale sunt atât de puternice încât spațiu-timpul însuși se deformează. Obiectele (și spațiu-timpul însuși) se apropie de viteza luminii. La aceste viteze, timpul pare să încetinească, astfel încât un astronaut care orbitează o gaură neagră timp de șase ore într-o navă spațială ar îmbătrâni cu 36 de minute mai încet decât colegii săi de echipaj de pe nava-mamă, potrivit unui comunicat NASA.
Cele mai comune găuri negre din univers sunt de dimensiunea unei stele. Aceste găuri negre cu masă stelară au orizonturi mici de evenimente, iar schimbările gravitaționale extreme pe distanțe mici produc forțe mareice violente în jurul lor. Obiectele care se apropie de găurile negre cu masă stelară sunt adesea rupte înainte chiar de a ajunge la orizontul evenimentelor într-un proces numit spaghetificare. Dacă astronautul ar cădea cu picioarele înainte în gaura neagră, gravitația care acționează asupra picioarelor sale ar fi mai puternică decât cea care acționează asupra capului său, determinând corpul să se întindă ca un fir lung și subțire de spaghete.
În noua simulare, astrofizicianul Jeremy Schnittman de la Centrul de Zbor Spațial Goddard al NASA, a ales în schimb să reproducă ce s-ar putea întâmpla dacă un astronaut se apropie prea mult de o gaură neagră supermasivă, precum cea din centrul Căii Lactee. Datorită dimensiunii lor, aceste găuri negre supermasive sunt ca niște mări vaste și calme în comparație cu găurile negre de masă stelară. Astronautul va fi, totuși, spaghetificat dacă plonjează într-una, dar s-ar putea să treacă mai întâi de orizontul evenimentelor.
Gaura neagră din centrul Căii Lactee a fost fotografiată de Telescopul Event Horizon. În imagini, arată ca o gogoașă de gaz strălucitor – cunoscut sub numele de disc de acreție – care înconjoară un loc de întuneric infinit. În noua simulare, astronautul cade prin acest disc de acreție. Când se atinge orizontul evenimentelor, cerul se îngustează și întunericul începe să se închidă; aici, lumina strălucește, dar nu poate evada niciodată.
Datorită capacităților supercomputerului Discover de la Centrul NASA pentru Simulare Climatică, inginerii au reușit să dezvăluie ce se întâmplă în centrul unei găuri negre. Proiectul lor a generat aproximativ 10 terrabytes de date în aproximativ 5 zile. Un computer clasic ar fi avut nevoie de mai mult de un deceniu. Pentru a simula căderea unei camere video – dar rezultatul ar fi același pentru un astronaut îndrăzneț – care ar traversa orizontul evenimentelor unei găuri negre.
Pentru a face experimentul mai spectaculos, cercetătorii au ales o gaură neagră supermasivă, cu o masă de 4,3 milioane de ori mai mare decât a Soarelui. Sau o gaură neagră asemănătoare cu cea care se află în centrul Căii Lactee. Găurile negre mai mici, de câteva zeci de mase solare, produc într-adevăr forțe mareice mai puternice care pot să sfâșie obiectele care se apropie, înainte ca acestea să atingă orizontul evenimentelor. Astrofizicienii numesc acest fenomen spaghetificare.
Harta găurii negre supermasive. Vizualizările de la NASA sunt disponibile sub multiple forme. Videoclipuri explicative acționează ca ghiduri turistice, arătând efectele bizare ale teoriei relativității generale a lui Einstein. Versiunile redate ca videoclipuri în 360° permit să se vadă de jur împrejur în timpul călătoriei, în timp ce altele – ca aceasta, o proiecție echirectangulară – se prezintă ca hărți plate ale cerului.
Soarta tragică a unei camere video care cade într-o gaură neagră
Orizontul evenimentelor găurii negre simulate se întinde pe aproximativ 25 de milioane de kilometri. Aceasta înseamnă că depășește cu puțin 15% din distanța dintre Pământ și Soare. Un nor plat, de gaz fierbinte și strălucitor, care se rotește, discul de acreție (sau de acumulare; fenomen fizic prin care un corp ceresc captează materie din spațiul cosmic), o înconjoară și servește drept referință vizuală în timpul căderii spre gaura neagră. Același lucru este valabil și pentru structurile luminoase numite inele fotonice, care se formează mai aproape de gaura neagră din lumina care s-a rotit în jurul ei o dată sau de mai multe ori. Un fundal de cer înstelat văzut de pe Pământ completează scena.
Videoclipurile încep când camera se află la aproximativ 640 de milioane de kilometri distanță. Pe măsură ce se apropie de gaura neagră, camera video accelerează la viteze din ce în ce mai apropiate de viteza luminii. La fel ca sunetul unei mașini de curse care se apropie, strălucirea discului de acreție și a stelelor din fundal se amplifică. Totul se distorsionează din ce în ce mai mult, dând naștere la mai multe imagini pe măsură ce lumina lor trece printr-un spațiu-timp din ce în ce mai distorsionat.
În timp real, camera video are nevoie de aproximativ trei ore pentru a ajunge la orizontul evenimentelor. Ea execută aproape două orbite complete pe parcurs. Dar pentru oricine observă de la distanță, camera video nu ar ajunge niciodată până la orizontul evenimentelor. Într-adevăr, pe măsură ce spațiu-timpul se distorsionează, imaginea camerei ar încetini, apoi ar părea să înghețe chiar înainte de a ajunge acolo. Acesta este motivul pentru care astronomii au numit mai întâi găurile negre „stele înghețate”.
Odată ce orizontul evenimentelor este atins, chiar și spațiu-timpul curge spre interior cu viteza luminii. Apoi, camera și spațiu-timpul prin care se deplasează se îndreaptă spre centrul găurii negre – un punct unidimensional numit singularitate, unde legile fizicii, așa cum le cunoaștem, nu mai funcționează. Forțele gravitaționale zdrobitoare distrug camera video, prin spaghetificare, la doar 12,8 secunde după ce trece de orizontul evenimentelor. Microsecunde mai târziu, orice a mai rămas din materia lor ultracomprimată lovește singularitatea, centrul găurii negre. Este o călătorie de 128.000 de kilometri de la orizontul evenimentelor până la punctul de singularitate, dar se întâmplă cât ai clipi.
NASA a publicat un videoclip incredibil: Cosmosul văzut de jur împrejur din interiorul unei găuri negre gigante cu o reprezentare în 360°:
O nouă simulare NASA oferă o privire asupra fizicii bizare a spaghetificării.
Te-ai întrebat vreodată cum ar arăta zborul într-o gaură neagră? Aceasta este o simulare a unui zbor într-o gaură neagră supermasivă înconjurată de un disc fierbinte și strălucitor de gaz.
Cercul interior subțire se numește inel fotonic. Este o imagine produsă de lumina care a orbitat o dată sau de mai multe ori în jurul găurii negre înainte de a scăpa.
Ovalul centrat pe direcția de deplasare a camerei arată întregul cer simulat. Poziția și orientarea camerei în raport cu gaura neagră.
Pentru cameră, timpul încetinește în comparație cu cel al unui observator îndepărtat.
Camera vizează partea îndepărtată a inelului fotonic. Camera se mișcă atât de repede încât simularea încetinește pentru o vedere mai bună. Viteza camerei face ca sursele de lumină din față să se lumineze foarte mult.
Camera își începe plonjarea de 10 minute către orizontul evenimentelor. Camera a lovit orizontul evenimentelor… acum.
Lumina din universul exterior încă strălucește, dar nu poate pleca niciodată.
Camera este distrusă. Microsecunde mai târziu, ajunge la singularitate.
O vedere mai atentă arată cât de stratificat și complex este inelul fotonic.
Fiecare bandă este o imagine distorsionată a discului de gaz stratificat între cerul de fundal.
Benzile succesive sunt mai subțiri, produse de fotonii care au făcut o călătorie suplimentară în jurul găurii negre înainte de a ajunge la cameră.
Datorită vitezei camerei, întregul cer pare să se miște progresiv înainte. Cerul se micșorează în fața ochilor noștri.
Pe un computer tipic, calcularea acestei simulări ar fi durat mai mult de un deceniu. Supercomputerul Discover de la Centrul de Zbor Spațial Goddard al NASA a realizat totul în doar 5 zile… folosind doar 0,3 % din puterea sa de procesare.
Timpul nu mai trece la fel când te apropii de o gaură neagră
Jeremy Schnittman a simulat, de asemenea, un scenariu nefatal în care un astronaut orbitează de câteva ori o gaură neagră și apoi evadează înapoi în spațiu. Un scenariu alternativ propus de inginerii de la NASA. Acela în care astronautul ratează cu puțin orizontul evenimentelor găurii negre. Iar fizicienii explică faptul că dacă un astronaut ar fi însoțit camera și apoi s-ar fi întors pe nava-mamă, rămânând la adăpost de gaura neagră, s-ar fi întors cu 36 de minute mai tânăr decât colegii săi. Pentru că timpul trece mai lent lângă o sursă gravitațională puternică și atunci când te deplasezi cu o viteză apropiată de viteza luminii.
Experiența repetată cu o gaură neagră care se rotește la fel de repede ca cea din filmul „Interstellar” i-ar permite chiar și îndrăznețului astronaut să se întoarcă cu câțiva ani mai tânăr decât cei rămași departe de ea.
© CCC