Musta aukko ja sen muoto, tapahtumahorisontti

[Lorelei]

Minulla olisi - varmaankin alkeellinen - kysymys mustasta aukosta ja sen muodosta. Luin jostain, että se on (ehkä?) suppilomainen, tai torvimainen muodoltaan. Mitä siis on mustan aukon, hm, takana? Imeekö se itseensä kaiken myös toisesta päästä havaittuna?
 Toinen kysymys; onko tapahtumahorisontti vain eräänlainen (ajateltu) rengas mustan aukon ympärillä vai kaareutuuko se myös ikään kuin kupolimaisena musta aukon ylitse? Eli jos valtava musta aukko imee itseensä materiaa ns suoraan edestäpäin (eikä sivusta, ohittaen tapahtumahorisontin aukon reunassa), kohtaako se myös silloin tapahtumahorisontin?

[Umbra]

Suosittelen lukemaan vaikkapa wikipedian artikkelin mustista aukoista, jos et ole jo lukenut, siinä näkyy ihan mukavasti olevan perustietoa. (http://fi.wikipedia.org/wiki/Musta_aukko)

Käsitykseni mukaan tapahtumahorisontti on pallomainen pinta singulariteetin ympärillä. Singulariteetti taas voidaan hahmottaa äärettömän pienenä pisteenä mustan aukon keskipisteessä. Musta aukko tosiaan joskus kuvataan torvimaisena. Tässä on käsittääkseni kyseessä avaruuden kaarevuuden kuvaaminen alempiulotteisen analogian tai vertauskuvan avulla, eli torvimaista muotoa ei pidä ymmärtää konkreettisesti.

En ehkä ihan ymmärrä kysymystäsi mitä on mustan aukon takana. Joissain tilanteissa (ainakin pyörivän mustan aukon tapauksessa) musta aukko voisi teoriassa toimia ikäänkuin porttina toiseen maailmankaikkeuteen. Tässä tapauksessa mustaan aukkoon pudonnut astronautti voisi putkahtaa esiin valkeasta aukosta toisessa maailmankaikkeudessa. (Tämä tilanne voitaisiin torvi-vertauskuvan avulla hahmottaa torven läpi kulkemisena.) Valkeassa aukossa on todennäköisesti kyseessä epäfysikaalinen suhteellisuusteorian ratkaisu, joka on suhteellisuusteorian matemaattisen rakenteen mukaan mahdollinen, mutta ei toteudu todellisessa maailmankaikkeudessa. Yhtään valkeaa aukkoa ei olla havaittu, ja jos sellasia olisi olemassa, ne ilmeisesti olisivat äärimmäisen epävakaita.

Jos kiinnostaa perehtyä asiaan englanniksi, vähän enemmän asiaa löytyy täältä: http://www.madore.org/~david/math/kerr.html#course

[Lorelei]

Kiitos vastauksesta!

[Celest1al Sphere]

En ole kosmologi enkä teoreetikko, mutta käsittääkseni on niin, että musta aukko voidaan ymmärtää jokseenkin pyöreänä pallona. Tapahtumahorisontti on vain sellainen pallonmuotoinen pinta, joka rajaa sen alueen, jonka sisäpuolelta ei edes valo voi päästä karkuun. Tapahtumahorisontti ei siis ole mikään konkreettinen pinta. Singulariteetti taas on sellainen matemaattinen kummajainen, joka nykyteorioiden mukaan lymyää mustan aukon ytimessä. Singulariteetti on myös käsittääkseni aika teorieettinen juttu, ja se oikeastaan tarkoittaa tilannetta, jossa matemaattiset mallit "menevät rikki", eivätkä enää pysty antamaan tarkkoja lukuarvoja vaan saadut lukuarvot äärettömiä. Lienee myös niin, että jotkin fyysikot ovat sitä mieltä, että jos teoria tuottaa singulariteetteja, on siinä jotain vikaa, koska singulariteetteja ei heidän mukaan voisi esiintyä todellisessa maailmankaikkeudessa.

Eli se, mitä mustan aukon sisällä todella on, on edelleen epäselvää!

Terveisin,

Juha

[mistral]

Eli se, mitä mustan aukon sisällä todella on, on edelleen epäselvää!

Sikäli kuin ymmärrän, ei materia ole pakkautunut mustan aukon ytimeen vaan kuoreksi tapahtumahorisontin pintaan mutta tämä vain ajatuksena, en ole spesialisti. Tämä kuori johtuu siitä kun aika pysähtyy horisontissa, eli yksi sekunnin murto-osa siellä vastaa ikuisuutta täällä vapaassa avaruudessa.

edit
Yön yli nukuttuani muistui se että kun musta-aukko on historiansa aikana kasvanut, on sen horisonttikin kasvanut. Näin kaikki materia ei enää ole sen kuoressa vaan sitä mukaa kun horisontti kasvaa, tekee se uusia kuorikerroksia kuin sipuli. Mutta niin kuin Aldebaran sanoi, mitään varmuutta näistä ei ole.

[Umbra]

Mustan aukon sisuskalut taitavat edelleen olla erittäin hämäräperäinen ja huonosti ymmärretty asia. Homma menee suhteellisuusteorian mukaan käsittääkseni siten, että kaukana olevan havaitsijan näkökulmasta mustaan aukkoon putoava astronautti ei koskaan läpäise tapahtumahorisonttia, vaan jäätyy sen pintaan litteäksi ”haamuksi”. Mutta astronautin omasta näkökulmasta hän läpäisee horisontin huomaamatta mitään erikoista ja päätyy singulariteettiin äärellisen (ja varsin lyhyen) ajan kuluessa.

Joskus tulkitsin tämän siten, että singulariteettia ei ole tällä hetkellä olemassa, vaan se sijaitsee äärettömän kaukaisessa tulevaisuudessa. Mutta tämä tulkinta ilmeisesti on virheellinen. Physics.stackexchange.com -sivuston mukaan yleisessä suhteellisuusteoriassa ei voida määritellä yksikäsitteistä nykyhetkeä, eikä siis ole mielekästä kysyä onko astronautti ”tällä hetkellä” läpäissyt horisontin. ”Nykyhetki” voidaan määritellä siten, että astronautti on läpäissyt horisontin ja saavuttanut singulariteetin, tai vaihtoehtoisesti siten, että astronautti on jäätyneenä horisontin pintaan. Kumpikin määrittely on yhtä lailla oikeassa. Tämä tietysti lyö arkijärkeä raskaasti korville, koska arkijärjen näkökulmasta tekisi mieli uskoa yhteen perimmiltään oikeaan nykyhetkeen. (Lähde: http://physics.stackexchange.com/questions/5031/can-black-holes-form-in-a-finite-amount-of-time )

Eräs nykyään pohdittu ratkaisu mustien aukkojen informaatioparadoksiin on black hole complementarity, jonka mukaan musta aukko voidaan hahmottaa kahdesta vaihtoehtoisesta, komplementaarisesta näkökulmasta. Toisen näkökulman mukaan mustaan aukkoon pudotettu informaatio (ja luullakseni myös aine) varastoituu Planckin etäisyyden paksuiseen kalvoon horisontin yläpuolella. Tämä kalvo on kuuma ja säteilee Hawkingin säteilyä, jonka mukana informaatio voisi paeta mustasta aukosta (tai tarkemmin sanoen sen lähiympäristöstä). Toisen näkökulman mukaan informaatio putoaa horisontin läpi ja päätyy singulariteettiin. Nämä näkökulmat ovat komplementaarisia samoin kuin kvanttimekaniikan hiukkas- ja aaltonäkökulmat; yksikään havaitsija ei voi havaita molempia näkökulmia samaan aikaan. Ilmeisesti molemmat näkökulmat kuitenkin ovat ”yhtä oikeita”. Komplementaarisuus synnyttää helposti mielikuvan, että informaatiosta on olemassa kaksi kopiota, toinen horisontin yläpuolisessa kalvossa ja toinen horisontin sisällä putoamassa kohti singulariteettia. Tämän kuitenkin estää no cloning theorem, jonka mukaan tuntemattomasta kvanttitilasta ei ole mahdollista luoda kahta identtistä kopiota. Eli ilmeisesti mustan aukon sisäosat ja pinta ovat ikäänkuin kaksi näkökulmaa samaan todellisuuteen.  (Lähde: https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole_complementarity )

[mistral]

ja silloin tapahtumahorisontit ovat vain asymptootteja, joita ei voi saavuttaa kaukaisen tarkkailijan mittaus, eikä fyysinen lähestyminen. Ratkaisuni on, että lähestyessään virtuaalista tapahtumahorisonttia kappaleet pienenevät / tila laajenee.

Jos avaruusalus lähestyy tapahtumahorisonttia, siirtyy horisontti sisäänpäin ihan sen mukaan missä valon pakonopeus ylittyy. Eli horisontti on vaan laskennallinen gravitaatiokaivon syvyys. Jos esim 3 alusta liikkuisi g.kaivossa eri syvyyksillä olisi kunkin asemasta laskettu horisontti eri. Tähän ajatusmalliin sisältyy sellainen kummallisuus että syvimmällä oleva alus voisi lähettää ylimpänä olevalle dataa ylimmän horisontin alapuolelta, mikä on tavallaan mahdotonta.

[mistral]

Mustan aukon sisuskalut taitavat edelleen olla erittäin hämäräperäinen ja huonosti ymmärretty asia. Homma menee suhteellisuusteorian mukaan käsittääkseni siten, että kaukana olevan havaitsijan näkökulmasta mustaan aukkoon putoava astronautti ei koskaan läpäise tapahtumahorisonttia, vaan jäätyy sen pintaan litteäksi ”haamuksi”. Mutta astronautin omasta näkökulmasta hän läpäisee horisontin huomaamatta mitään erikoista ja päätyy singulariteettiin äärellisen (ja varsin lyhyen) ajan kuluessa.

 ”Nykyhetki” voidaan määritellä siten, että astronautti on läpäissyt horisontin ja saavuttanut singulariteetin, tai vaihtoehtoisesti siten, että astronautti on jäätyneenä horisontin pintaan. Kumpikin määrittely on yhtä lailla oikeassa.

Itse ymmärrän kyllä nyt-hetken olevan voimassa riippumatta ajankulun erilaisuudesta.

Siihen löytyi sellainen apukeino kuin a-nelosen paperi johon piirsin yläriville aallon vaikka kahden aallonpituuden mittainen, eli kaksi huippua ja laaksoa. (vapaa avaruus)

Sitten vaikka 5 senttiä alemmas aallon jossa olisi 3 huippua  (gravitaatiokaivo jossa ollaan 1,5x hitaammassa ajassa)

Ja sitten kolmas aalto jolla on neljä huippua. (nyt ollaan 2x hitaammassa ajassa)

Eli nämä aallot kuvaavat yhden ja saman aallon punasiirtymää kun se nousee vapaaseen avaruuteen.

Nyt tulee kysymys: Jos aikadilataatiota ei olisi olemassa, niin kuinka olisi mahdollista esim soittaa kännykällä sieltä 2x hitaammalta aikavyöhykkeeltä vapaaseen avaruuteen?

Kun alhaalta yritetään soittaa vaikka 5 min puhelu, muuttuisi 10 min puheluksi VAIKKA aikadilataatiota ei olisi (koska kännykän kaikki signaalit perustuu sm-aaltoihin) Edelleen, jos puhelua jatkettaisiin vaikka 5 tuntiin, ylhäällä se kestäisi 10 tuntia. Edelleen 5v, ylhäällä se kestäisi 10 vuotta. Kun nyt ero puhelun lopun välillä on 5 vuotta, joutuisi yhteinen nyt-hetki roskikseen.

Miten nyt-hetki saadaan takaisin voimaan?

Ottamalla aikadilataatio käyttöön, mikä yleisen suhteellisuusteorian kulmakivi.

Joku voi tietysti kysyä että miksi aika on pakko sitoa sm-aaltoliikkeeseen, eikö sitä voisi ajatella itsenäisenä suureena? Jos vaan päätettäis että aika on sama ylhäällä ja alhaalla, niin mitä siitä seuraisi.

Jos mennään taas puheluun ja päätetään että puhelun on oltava yhtä pitkä molemmissa päissä niin silloin jouduttaisiin pakkomuokkaamaan aaltoja vaikkapa pätkimällä aaltoja tietyn pituisiksi vaikka punasiirtymä protestoisi vastaan. Tässä vissiin kävisi niin että aallot menisivät muodottomiksi vänkyröiksi mikä on mahdottomuus. Siinä a-nelosen paperissa näkee ettei eri pituisia aaltoja voi yhdistää yhdeksi aalloksi, luonto ei siihen taivu.

Näin näyttäisi aikadilataatio olevan ainut ratkaisu, se lienee luonnon ominaisuus. Ihmisen intuitio ei vaan voi ymmärtää kuinka tapahtumahorisontissa näyttäisi liike pysähtyvän vaikka horisontin näkökulmasta nopeus on maksimissaan.

[mistral]

Tapahtumahorisontissa ajan hidastuminen aina nollaan saakka on mielenkiintoinen. Se tarkoittaa että ulkopuolisten tarkkailijoiden aika nopeutuu äärettömiin tähän hidastujaan verrattuna, eli vaikka ko hidastajan mielestä hänen aikamittarinsa tikittää entiseen tahtiin niin muun kosmoksen aika kiittää hurjaa vauhtia ja saapuu kosmisen elinkaarensa päähän aivan mitättömän hetken kuluessa.

Ajan matemaattisessa kaavassa aika kääntyy tämän jälkeen eli tapahtumahorisontin sisällä negatiiviseksi. Sen fysikaalista vastinetta on vaikea mahduttaa tajuntaan. Kaava ei enää toimine koska merkitsisi singulaariteettiin matkaajan aikamatkaa takaisin bb:hen.

Aika ei vissiin paikallisesti koskaan muutu, tarkoitan jos astronautti jatkaa horisontin läpi, niin paikallinen aika toimii tavallisesti, ei mene miinukselle. Mutta miltä astronautista näyttäisi vapaa avaruus jos sen koko historia jo horisontissa näyttäytyy ikään kuin salamavalon välähdyksenä. Mitä sen välähdyksen jälkeen tulisi, kuinka filmi voisi lähteä pyörimään taaksepäin?

[Lorelei]

Tämä ei nyt liity ihan aiheeseen, mutta jotenkin on ristiriitaista, että esim fyysikot (luonnontieteilijät jne) sanovat selittävänsä "kaiken" oman tieteellisen systeeminsä puitteissa. Mitään mystistä ei ole, ja sitä rataa. Silti singulariteetti "selitetään" sillä, ettei se nyt (hupsis) mahdu kontekstiin, se on siis se Juttu aukottomassa tieteenteossa joka ei mahdu kuvioon... Se on siis järjen ulottumattomissa, mitä ei tosin kai saisi sanoa ääneen.

[mistral]

Myös M-teoria on kesken, enkä ole kuullut siitä mitään uutisia. Higgsin hiukkasesta en ole vielä kuullut että löydetty olisi 100% varmasti Higgs, varmaan sekin selviää. Myös monet luonnonvakiot on arvoituksia, koska ei tiedetä mistä ne saavat arvonsa.

[jussi_k_kojootti]

Tämä ei nyt liity ihan aiheeseen, mutta jotenkin on ristiriitaista, että esim fyysikot (luonnontieteilijät jne) sanovat selittävänsä "kaiken" oman tieteellisen systeeminsä puitteissa.

Juuri tuolla tavalla ilmaistuna -- eli kun selityksen reunaehdot ilmoitetaan -- asiassa vaan nimenomaan ei ole mitään ristiriitaista :-)

Mitään mystistä ei ole, ja sitä rataa. Silti singulariteetti "selitetään" sillä, ettei se nyt (hupsis) mahdu kontekstiin, se on siis se Juttu aukottomassa tieteenteossa joka ei mahdu kuvioon... Se on siis järjen ulottumattomissa, mitä ei tosin kai saisi sanoa ääneen.

Kyllä singulariteetti mahtuu kuvioon, ja esim. täältä maasta katsottuna Sgr A* joka sellaisen sisäänsä ehkä sulkee on periaatteessa aivan ymmärrettävä, käsiteltävissä oleva olio.  Tietenkin systeemin puitteissa! :-)  Singulariteetti on kuviossa "tuntematon muuttuja", mutta ei sen olemassaolo, tai edes olemassaolon mahdollisuus, ole ollenkaan niin todellisuuden rakenteita järisyttävä poikkeama, kuin annat ymmärtää.

Tiede ei yritä antaa keskeneräistä vastausta, ja vastaukset singulariteetista ovat vääjäämättä keskeneräisiä ennen kuin sellaisesta voidaan tehdä suoria havaintoja.  Spekuloida voi, saa, ja pitää.

[Oskari]

Eikös Interstellarin mustan aukon visuaalista toteutusta kehuttu ihan T+A:ta myöten? Elokuva taitaa muuten olla vielä Netflixissä katsottavissa.

[Umbra]

Tämä ei nyt liity ihan aiheeseen, mutta jotenkin on ristiriitaista, että esim fyysikot (luonnontieteilijät jne) sanovat selittävänsä "kaiken" oman tieteellisen systeeminsä puitteissa. Mitään mystistä ei ole, ja sitä rataa. Silti singulariteetti "selitetään" sillä, ettei se nyt (hupsis) mahdu kontekstiin, se on siis se Juttu aukottomassa tieteenteossa joka ei mahdu kuvioon... Se on siis järjen ulottumattomissa, mitä ei tosin kai saisi sanoa ääneen.

En tiedä kuinka moni fyysikko tai tiedemies ajattelee selittävänsä ”kaiken” - veikkaukseni mukaan aika harva. Ainakin kosmologia ja teoreettinen fysiikka sisältävät monia todella suuria ratkaisemattomia kysymyksiä, esimerkiksi miksi avaruus on kolmiulotteinen tai miksi alkuräjähdyksen ensi hetkillä vallitsi matala entropia. En usko kovin monen vakavasti otettavan tutkijan olevan tietämätön näistä ja monista muista aukoista tietämyksessämme.

Jos jonain päivänä keksimme suuren yhtenäisteorian, se ehkä selittää ”kaiken” siinä rajoitetussa merkityksessä, että se selittää kaikki luonnon neljä perusvoimaa ja yhdistää painovoiman ja kvanttimekaniikan. Tässäkään tapauksessa ei olisi varmaa, selittäisikö teoria esimerkiksi kaikkia luonnon perusvakioita, vai jäisikö siihen jotain vapaita parametreja, jotka vain ”sattuvat” olemaan sellaisia kuin ovat. Toisekseen suuri yhtenäisteoria olisi käytännössä hyödytön monimutkaisten, monista hiukkasista koostuvien systeemien selittämisessä. Esimerkiksi säätiede tai biologia tuskin hyötyisivät suuresta yhtenäisteoriasta tuon taivaallista.

Mielestäni tiede ehkä voidaan nähdä parhaana tunnettuna keinona selitysten löytämiseen. Tästä kuitenkin on pitkä matka kaiken selittämiseen.

Singulariteetti ehkä voidaan nähdä ”järjen ulottumattomissa” olevana siinä mielessä, että sen käyttäytymistä on suhteellisuusteorian mukaan mahdotonta ennakoida (http://infidels.org/library/modern/quentin_smith/simplicity.html). Singulariteetissa erilaiset suureet, kuten avaruuden kaarevuus, kasvavat äärettömiksi, mikä estää fysiikan lakien soveltamisen. Esimerkiksi alkuräjähdyksen singulariteetin ei olisi ollut  pakko synnyttää maailmankaikkeutta, vaan se olisi yhtä hyvin voinut olla itse kaikki, mitä on koskaan olemassa. (Tähän väitteeseen en valitettavasti muista lähdettä.)

Ei ole kuitenkaan selvää, onko singulariteetteja lopulta lainkaan olemassa. Nykyään suositun näkemyksen mukaan singulariteetti on matemaattinen illuusio, joka kertoo suhteellisuusteorian murtumisesta riittävän äärimmäisissä olosuhteissa. Esimerkiksi säieteoreettinen kuvaus mustasta aukosta ei sisällä singulariteetteja. https://en.wikipedia.org/wiki/Fuzzball_(string_theory) 

Säieteoria on valitettavasti erittäin keskeneräisessä kehitysvaiheessa, eikä liene varmaa, tuleeko siitä koskaan valmista – vaikka se lieneekin paras nykyään tunnettu ehdokas painovoiman kvanttiteoriaksi. Eli singulariteetti näyttää olevan jotain, mitä kukaan ei tällä hetkellä yksinkertaisesti ymmärrä.

[mistral]

Onko mahdollista että tyhjiö voi syöksyä valon nopeudella horisontin läpi?

Tämä rupesi askarruttamaan, eli jos tyhjiö sisältää virtuaalihiukkasia, ainakin hetkittäin, niin voiko ne olla valon nopeudella läpäisemässä horisontin?

Jos avaruusaluksesta viskattaisiin fortunakuula juuri oikeaan suuntaan, niin että se päätyisi Sagittariuksen mustaan aukkoon, ja se saisi vapaasti pudota törmäämättä mihinkään esteeseen, saavuttaisi se ilmeisesti valon nopeuden. Perustelen tätä sillä että jos aika käännettäisiin raksuttamaan taaksepäin, kuula osuisi pitkän ajan kuluttua astronautin käteen eikä mikään luonnonlaki olisi muuttunut. (kuulalla olisi horisontissa riittävä pakonopeus että pääsisi raketin luo)

Tämä on aika selvää mutta kuinka tyhjiö käyttäytyisi? Jos raketin vieressä olisi kuutiometri tyhjiötä joka matkustaisi kuulan rinnalla Sagittariukseen ja menisi horisontin läpi samalla hetkellä niin voisiko Hawkingin säteily toteutua siinä? Ideahan on se että tyhjiössä syntyy virtuaalihiukkaspari joka lyhyen ajan päästä kumoutuu. Jos kuitenkin toisen hiukkasen, joka on ylittänyt horisontin, nopeus "ylittää valon nopeuden"niin se ei voi palata takaisin toisen hiukkasen luo (joka on matkalla kohtisuoraan ylöspäin) ja ne jäisivät erilleen. Näin syntyisi Hawkingin säteily. (ehkä)

Tämä siis vain mietiskelyä, en ole saanut tähän päivään mennessä tolkkua asiaan. Sellainen malli jossa tyhjiö olisi paikallaan horisontin tuntumassa ei selitä ainakaan minulle säteilyä.