KAKO izgledaju crne rupe izvana, odnosno kako izgleda njihov bliski okoliš, znamo po snimkama tih enigmatičnih svemirskih objekata koje su prvi put napravljene 2019., kao i po znanstveno utemeljenim simulacijama iz SF filma Interstellar.

No, do nedavno nismo imali nikakve ozbiljne znanstvene simulacije crnih rupa iznutra. Problem je u tome što iz crnih rupa ne možemo dobiti nikakve informacije, pa ne možemo izravno doznati kako izgleda njihova unutrašnjost.

Crne rupe su urušene zvijezde

Podsjetimo ukratko, crne rupe nastaju urušavanjem materije u velikim zvijezdama, značajno većim od Sunca. Kada takvim zvijezdama ponestane nuklearnog goriva, njihov unutarnji tlak, stvaran u procesima fuzije, oslabi te prevladaju sile gravitacije. Tada počinje urušavanje materije. Zvijezda eksplodira u obliku supernove, a ono što ostane je crna rupa nešto manje mase. Crne rupe zauzimaju mnogo manji prostor od zvijezda iz kojih su nastale. Materija u njihovom središtu sabijena je u točku koja se naziva singularitetom. Crne rupe imaju toliko snažnu gravitaciju da ništa što im se dovoljno približi više ne može pobjeći, uključujući čak i svjetlost. Ploha oko crne rupe iz koje više nema povratka naziva se horizontom događaja.

Budući da iz horizonta događaja ništa ne može doći do nas, nemoguće je dobiti informacije o tome što se zbiva iza njega. O tome možemo samo zaključivati na temelju znanstvenih spoznaja o crnim rupama.

Pogled unaokolo u 360 stupnjeva

NASA-in astrofizičar Jeremy Schnittman nedavno je pomoću superračunala Discover napravio impresivne simulacije koje gledateljima omogućuju da urone u horizont događaja.

"Ljudi se često pitaju o tome, a simuliranje tih teško zamislivih procesa pomaže mi povezati matematiku relativnosti sa stvarnim posljedicama u stvarnom svemiru", rekao je Schnittman iz NASA-inog Goddard Space Flight Centra u Greenbeltu u Marylandu.

"Stoga sam simulirao dva različita scenarija, jedan u kojem kamera - zamjena za odvažnog astronauta - samo promaši horizont događaja i lansira se kao iz praćke te drugi u kojem prelazi granicu, zapečativši svoju sudbinu", objasnio je američki astrofizičar.

Vizualizacije su dostupne u više oblika. Videozapisi s objašnjenjima služe kao vodiči za razgledavanje crnih rupa i rasvjetljuju bizarne učinke Einsteinove opće teorije relativnosti. Verzije su prikazane kao videozapisi od 360 stupnjeva pa gledateljima omogućuju da gledaju unaokolo tijekom putovanja.

Laptopu bi za simulaciju trebalo više od desetljeća

Schnittman je s kolegom Brianom Powellom vizualizacije stvorio uz pomoć superračunala Discover u NASA-inom Centru za klimatske simulacije.

Projekt je generirao oko 10 terabajta podataka - što je količina podataka usporediva s polovicom tekstualnog sadržaja u Kongresnoj knjižnici. Izrada vizualizacije obavljena je na samo 0.3% od Discoverovih 129.000 procesora, a trajala je oko 5 dana. Za isti pothvat na tipičnom prijenosnom računalu trebalo bi više od desetljeća.

Video prikazuje supermasivnu crnu rupu s masom 4.3 milijuna puta većom od Sunčeve, što je ekvivalentno čudovištu koje se nalazi u središtu naše galaksije Mliječni put.

Bolje je upasti u supermasivnu crnu rupu nego u manju

Schnittman ističe da je, ako možemo birati, bolje upasti u supermasivnu crnu rupu, kakva postoji u središtu naše galaksije, nego u mnogo manju, tzv. zvjezdanu crnu rupu.

"Crne rupe zvjezdane mase, koje sadrže do oko 30 solarnih masa, imaju mnogo manje horizonte događaja i jače plimne sile koje mogu rastrgati objekte koji im se približavaju prije nego što stignu do horizonta događaja", tumači NASA-ih astrofizičar.

To se događa jer je gravitacijska sila na dijelu objekta bližem crnoj rupi mnogo jača od one koja djeluje na udaljeniji kraj. Objekti koji padaju u takve crne rupe stoga se rastežu poput rezanaca. Ovaj proces astrofizičari nazivaju špgetifikacijom.

Ključni vizualni efekti

Horizont događaja supermasivne crne rupe prikazane u simulaciji proteže se na oko 25 milijuna kilometara, što je oko 17% udaljenosti od Zemlje do Sunca. Okružuje ga ravan sačinjena od kovitlajućeg oblaka vrućeg, svjetlećeg plina koja se naziva akrecijskim diskom i služi kao vizualna referenca tijekom pada.

Druga svjetleća struktura na koju bismo naišli su tzv. fotonski prstenovi, koji se formiraju bliže crnoj rupi od svjetlosti koja je obišla oko nje jednom ili više puta.

Prizor u vizualizaciji upotpunjuje pozadina zvjezdanog neba kakvo vidimo kada gledamo sa Zemlje.

Kako se kamera približava crnoj rupi, dosežući brzine sve bliže brzini svjetlosti, sjaj akrecijskog diska i pozadinskih zvijezda postaje sve jači na sličan način kao što se pojačava zvuk trkaćeg automobila koji nam se približava. Njihovo svjetlo izgleda svjetlije i bjelje kada se gleda u smjeru kretanja.

Filmovi počinju s kamerom udaljenom gotovo 640 milijuna kilometara, a crna rupa u njima ubrzano ispunjava cijeli vidokrug. Usput, disk crne rupe, fotonski prstenovi i noćno nebo postaju sve iskrivljeniji te čak formiraju višestruke slike dok njihova svjetlost prolazi kroz sve iskrivljeniji prostor-vrijeme.

Za promatrača izvana kamera nikada ne upada u crnu rupu

U stvarnom vremenu kameri su potrebna otprilike 3 sata da padne na horizont događaja, pri čemu izvodi dvije gotovo potpune 30-minutne orbite oko crne rupe.

No, za osobu koja bi upadanje kamere promatrala izdaleka činilo bi se da nikada nije upala. Kako prostor-vrijeme postaje sve iskrivljeniji bliže horizontu događaja, slika kamere bi se usporavala, a zatim bi se činilo da se zamrznula. Zbog toga su astronomi crne rupe izvorno nazivali "smrznutim zvijezdama".

Špagetifikacija i brzi kraj

Na horizontu događaja čak i sam prostor-vrijeme teče prema unutra brzinom svjetlosti, kozmičkom granicom brzine. Kada jednom uđu u nju, i kamera i prostor-vrijeme u kojem se ona kreće jure prema središtu crne rupe - jednodimenzionalnoj točki nazvanoj singularitet, gdje zakoni fizike kakve poznajemo prestaju funkcionirati.

"Kada kamera prijeđe horizont, njezino uništenje špagetifikacijom udaljeno je samo 12.8 sekundi", rekao je Schnittman. Odatle je pak samo 128.000 kilometara do singularnosti. Ova zadnja dionica putovanja završava u tren oka.

Pomlađivanje u blizini crne rupe

U alternativnom scenariju kamera kruži blizu horizonta događaja, ali nikada ne prelazi rub te eventualno bježi na sigurno. Kada bi astronaut letio svemirskom letjelicom na ovom 6-satnom povratnom putu, dok njegovi kolege prebivaju na matičnom brodu daleko od crne rupe, vratio bi se 36 minuta mlađi od svojih kolega. To je zato što vrijeme prolazi sporije za objekte koji se nalaze u blizini jakog gravitacijskog izvora, kao i za one koji se kreću brzinom blizu brzine svjetlosti.

"Ova situacija može biti još ekstremnija", kaže Schnittman.

"Da se crna rupa brzo okreće, poput one prikazane u filmu Interstellar iz 2014., osoba bi se vratila mnogo godina mlađa od svojih suputnika", dodao je.