Har du någonsin undrat vad som händer när du faller i ett svart hål? Nu, tack vare en ny, uppslukande visualisering producerad på en NASA-superdator, kan tittarna kasta sig in i händelsehorisonten, ett svart håls punkt utan återvändo.
"Människor frågar ofta om detta, och att simulera dessa svårföreställbara processer hjälper mig att koppla relativitetsmatematiken till faktiska konsekvenser i det verkliga universum", säger Jeremy Schnittman, astrofysiker vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, som skapade visualiseringarna. "Så jag simulerade två olika scenarier, en där en kamera – en stand-in för en vågad astronaut – bara missar händelsehorisonten och kastar slangbellor tillbaka ut, och en där den korsar gränsen och beseglar dess öde."
Visualiseringarna finns i flera former. Förklararvideor fungerar som sightseeingguider och belyser de bisarra effekterna av Einsteins allmänna relativitetsteori. Versioner som renderas som 360-gradersvideor låter tittarna se sig omkring under resan, medan andra spelar upp som platta kartor.
För att skapa visualiseringarna samarbetade Schnittman med kollegan Goddard-forskaren Brian Powell och använde superdatorn Discover vid NASA Center for Climate Simulation. Projektet genererade cirka 10 terabyte data – motsvarande ungefär hälften av det uppskattade textinnehållet i Library of Congress – och tog cirka 5 dagar i drift på bara 0,3 % av Discovers 129 000 processorer. Samma bedrift skulle ta mer än ett decennium på en vanlig bärbar dator.
Destinationen är ett supermassivt svart hål med 4,3 miljoner gånger vår sols massa, vilket motsvarar monstret i mitten av vår Vintergatans galax.
"Om du har valet vill du hamna i ett supermassivt svart hål", förklarade Schnittman. "Stjärnmassasvarta hål, som innehåller upp till cirka 30 solmassor, har mycket mindre händelsehorisonter och starkare tidvattenkrafter, som kan slita isär föremål som närmar sig innan de når horisonten."
Detta beror på att gravitationskraften i änden av ett föremål närmare det svarta hålet är mycket starkare än den i andra änden. Infallande föremål sträcker sig ut som nudlar, en process som astrofysiker kallar spaghettifiering.
Det simulerade svarta hålets händelsehorisont sträcker sig över cirka 16 miljoner miles (25 miljoner kilometer), eller cirka 17 % av avståndet från jorden till solen. Ett platt, virvlande moln av het, glödande gas som kallas en ansamlingsskiva omger den och fungerar som en visuell referens under hösten. Det gör även glödande strukturer som kallas fotonringar, som bildas närmare det svarta hålet från ljus som har kretsat runt det en eller flera gånger. En bakgrund av stjärnhimlen sett från jorden fullbordar scenen.
När kameran närmar sig det svarta hålet och når hastigheter allt närmare ljusets själv, förstärks glöden från accretionskivan och bakgrundsstjärnorna på ungefär samma sätt som ljudet från en mötande racerbil stiger i tonhöjd. Deras ljus ser ljusare och vitare ut när man tittar i färdriktningen.
Filmerna börjar med kameran placerad nästan 400 miljoner miles (640 miljoner kilometer) bort, med det svarta hålet som snabbt fyller vyn. Längs vägen blir det svarta hålets skiva, fotonringar och natthimlen allt mer förvrängda – och bildar till och med flera bilder när deras ljus passerar den allt mer förvrängda rumtiden.
I realtid tar kameran cirka 3 timmar att falla till händelsehorisonten och utför nästan två kompletta 30-minutersbanor längs vägen. Men för alla som observerar på långt håll, skulle det aldrig riktigt nå dit. När rum-tid blir allt mer förvrängd närmare horisonten, skulle bilden av kameran sakta ner och sedan tyckas frysa bara blyg för den. Det är därför astronomer ursprungligen kallade svarta hål som "frusna stjärnor."
Vid händelsehorisonten flödar till och med rumtiden själv inåt med ljusets hastighet, den kosmiska hastighetsgränsen. Väl inne i den rusar både kameran och rum-tiden i vilken den rör sig mot det svarta hålets centrum – en endimensionell punkt som kallas en singularitet, där fysikens lagar som vi känner dem upphör att fungera.
"När kameran väl korsar horisonten är dess förstörelse genom spaghettifiering bara 12,8 sekunder bort", sa Schnittman. Därifrån är det bara 79 500 miles (128 000 kilometer) till singulariteten. Den här sista delen av resan är över på ett ögonblick.
I det alternativa scenariot kretsar kameran nära händelsehorisonten men den korsar aldrig över och flyr till säkerhet. Om en astronaut flög en rymdfarkost på denna 6-timmars tur och retur medan hennes kollegor på ett moderskepp förblev långt från det svarta hålet, skulle hon återvända 36 minuter yngre än sina kollegor. Det beror på att tiden går långsammare nära en stark gravitationskälla och när den rör sig nära ljusets hastighet.
"Den här situationen kan vara ännu mer extrem," noterade Schnittman. "Om det svarta hålet roterade snabbt, som det som visades i 2014-filmen "Interstellar", skulle hon återvända många år yngre än sina skeppskamrater."
Tillhandahålls av NASA
