L'univers détruit quelque chose de différentes manières. Si vous essayez de retenir votre souffle dans l'espace, vos poumons exploseront; si vous respirez chaque molécule d'air à la place, vous perdrez conscience. Dans certains endroits, vous gèlerez, ayant perdu la dernière partie de votre chaleur corporelle; d'autres seront si chauds que les atomes de votre corps se transformeront en plasma. Mais de toutes les façons dont l'univers se débarrasse des objets, le plus amusant est de les envoyer dans un trou noir.
Qu'y a-t-il au-delà de l'horizon des événements?
Selon notre théorie de la gravité - la théorie générale de la relativité d'Einstein - les propriétés d'un trou noir sont déterminées par trois choses. À savoir:
- Masse, ou la quantité totale de matière et la quantité équivalente d'énergie (selon la formule E = mc2), qui vont à la formation et à la croissance d'un trou noir à son état actuel.
- Charge, ou la charge électrique totale qui existe dans un trou noir de tous les objets chargés positivement et négativement qui sont tombés dans le trou noir au cours de toute l'histoire de sa vie.
- Moment angulaire (moment), ou spin, qui est une mesure de la quantité totale de mouvement de rotation qu'un trou noir a par nature.
En réalité, tous les trous noirs qui existent physiquement dans notre univers doivent avoir de grandes masses, des quantités importantes de moment cinétique et des charges négligeables. Cela rend la situation extrêmement difficile.
Quand on imagine habituellement un trou noir, on en imagine une version simple, qui n'est décrite que par sa masse. Il a un horizon d'événements entourant un point, et une zone entourant ce point, au-delà de laquelle la lumière ne peut pas aller. Cette zone est complètement sphérique et possède une frontière séparant les zones d'où la lumière peut s'échapper et d'où elle ne peut pas: l'horizon des événements. L'horizon des événements est à une certaine distance (rayon de Schwarzschild) de la singularité dans toutes les directions simultanément.
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Il s'agit d'une version simplifiée d'un trou noir réaliste, mais un excellent endroit pour commencer à penser à la physique qui se déroule à deux endroits différents: au-delà de l'horizon des événements et à l'intérieur de l'horizon des événements.
En dehors de l'horizon des événements, la gravité se comporte comme vous vous y attendez normalement. L'espace se plie en présence de masse, ce qui fait accélérer chaque objet de l'univers vers la singularité centrale. Si vous étiez à une grande distance d'un trou noir au repos et que vous laissiez tomber un objet dedans, que verriez-vous?
En supposant que vous ayez réussi à rester immobile, vous verrez l'objet qui tombe accélérer lentement de vous vers ce trou noir. Il accélérera vers l'horizon des événements, après quoi quelque chose d'étrange se produira. Il vous semblera qu'il ralentit, s'estompe et devient plus rouge. Mais cela ne disparaîtra pas complètement. Il ne fera que s'en rapprocher: il deviendra terne, rouge et plus difficile à détecter. Vous pouvez toujours le voir si vous regardez de suffisamment près.
Imaginons maintenant le même scénario, mais cette fois, imaginons que vous êtes le même objet tombant dans un trou noir. L'expérience sera complètement différente.
L'horizon des événements s'agrandit beaucoup plus rapidement que prévu à mesure que la courbure de l'espace se renforce. L'espace est tellement incurvé autour de l'horizon des événements que vous verrez de nombreuses images de l'univers, qui vient de l'extérieur, comme s'il était réfléchi et retourné.
Et une fois que vous aurez traversé l'horizon des événements, vous pourrez non seulement toujours voir l'univers extérieur, mais une partie de l'univers dans l'horizon des événements. Dans les derniers instants, l'espace aura l'air complètement plat.
Qu'y a-t-il dans un trou noir?
La physique de tout cela est complexe, mais les calculs sont assez simples et très élégamment effectués par Andrew Hamilton de l'Université du Colorado dans une série d'articles de la fin des années 2000 et du début des années 2010. Hamilton a également créé une série de rendus impressionnants de ce que vous verrez tomber dans un trou noir sur la base de ces calculs.
Après avoir examiné ces résultats, nous pouvons tirer un certain nombre de conclusions, dont beaucoup sont illogiques. Pour essayer de leur donner un sens, vous devez changer la façon dont vous représentez l'espace. Nous le considérons généralement comme un tissu immobile et pensons que l'observateur «descend» quelque part. Mais dans l'horizon des événements, vous êtes toujours en mouvement. L'espace bouge - comme un tapis roulant - en continu, déplaçant tout en soi vers la singularité.
Et cela déplace tout si vite que même si vous accélérez directement depuis la singularité avec une force infinie, vous tomberez toujours vers le centre. Les objets au-delà de l'horizon des événements vous enverront toujours de la lumière de toutes les directions, mais vous ne pourrez voir qu'une fraction des objets au-delà de l'horizon des événements.
La ligne qui définit la limite entre ce que tout observateur peut voir est mathématiquement décrite par le cardioïde, où le composant avec le plus grand rayon touche l'horizon des événements et le composant avec le plus petit rayon est à la singularité. Cela signifie qu'une singularité, même en tant que point, ne relie pas nécessairement tout ce qui y tombe avec tout le reste. Si vous et moi tombons dans l'horizon des événements depuis différentes directions en même temps, nous ne verrons jamais la lumière de l'autre après que l'horizon des événements se soit croisé.
La raison en est le tissu constamment en mouvement de l'Univers lui-même. À l'intérieur de l'horizon des événements, l'espace se déplace plus vite que la lumière, de sorte que rien ne peut s'échapper du trou noir. C'est pourquoi lorsque vous frappez un trou noir, vous commencez à voir des choses étranges comme plusieurs images du même objet.
Vous pouvez comprendre cela en posant la question: où est la singularité?
De l'intérieur de l'horizon des événements du trou noir, quelle que soit la direction dans laquelle vous vous déplacez, vous finissez par rencontrer la singularité elle-même. Par conséquent, assez curieusement, la singularité apparaît dans toutes les directions. Si vos jambes pointent dans le sens de l'accélération, vous les verrez devant vous, mais aussi au-dessus de vous. Tout cela est facile à calculer, quoique extrêmement illogique. Et c'est juste pour un cas simplifié: un trou noir non rotatif.
Passons maintenant au cas physiquement intéressant: lorsque le trou noir tourne. Les trous noirs doivent leur origine à des systèmes de matière - comme des étoiles - qui tournent toujours à un certain niveau. Dans notre univers (et en relativité générale), le moment cinétique est la quantité fermée absolue pour tout système fermé; il n'y a aucun moyen de s'en débarrasser. Lorsque l'agrégat de matière s'effondre à un rayon inférieur au rayon de l'horizon des événements, le moment cinétique est piégé à l'intérieur, tout comme la masse.
La solution que nous avons ici sera beaucoup plus compliquée. Einstein a présenté la relativité générale en 1915 et Karl Schwarzschild a obtenu une solution pour un trou noir non rotatif quelques mois plus tard, au début de 1916. Mais l'étape suivante dans la modélisation de ce problème d'une manière plus réaliste - où le trou noir a un moment cinétique, pas seulement une masse - n'a été franchie qu'en 1963, lorsque Roy Kerr a trouvé la solution exacte en 1963.
Il existe plusieurs différences fondamentales et importantes entre la solution plus naïve et plus simple de Schwarzschild et la solution plus réaliste et complexe de Kerr. Parmi eux:
- Au lieu d'une seule décision quant à l'emplacement de l'horizon des événements, un trou noir rotatif a deux solutions mathématiques: un horizon des événements interne et externe.
- Au-delà même de l'horizon des événements extérieurs, il existe un endroit connu sous le nom d'ergosphère, dans lequel l'espace lui-même se déplace à une vitesse de rotation égale à la vitesse de la lumière, et les particules qu'il contient subissent d'énormes accélérations.
- Il existe un rapport maximal admissible du moment cinétique à la masse; si l'élan est trop fort, le trou noir rayonnera cette énergie (par rayonnement gravitationnel) jusqu'à ce qu'elle tombe à la limite.
- Et le plus intéressant: la singularité au centre du trou noir n'est plus un point, mais un anneau unidimensionnel dont le rayon est déterminé par la masse et le moment cinétique du trou noir.
Avec tout cela à l'esprit, que se passe-t-il lorsque vous frappez un trou noir? Oui, c'est la même chose que ce qui se passe si vous tombez dans un trou noir non rotatif, sauf que tout l'espace ne se comporte pas comme s'il tombait vers la singularité centrale. Au lieu de cela, l'espace se comporte également comme s'il se déplaçait dans le sens de la rotation, comme un entonnoir tourbillonnant. Plus le rapport entre le moment cinétique et la masse est élevé, plus la rotation est rapide.
Cela signifie que si vous voyez quelque chose tomber dans un trou noir, vous verrez qu'il devient plus sombre et plus rouge, mais également maculé dans un anneau ou un disque dans le sens de la rotation. Si vous tombez dans un trou noir, vous serez filé comme un carrousel qui vous tire vers le centre. Et quand vous atteindrez la singularité, ce sera un anneau; différentes parties de votre corps rencontreront une singularité - sur l'ergosurface interne du trou noir de Kerr - dans différentes coordonnées spatiales. Vous cesserez progressivement de voir d'autres parties de votre propre corps.
La chose la plus importante que vous devez comprendre de tout cela est que le tissu de l'espace lui-même est en mouvement et que l'horizon des événements est défini comme un endroit dans lequel même si vous vous déplacez à la vitesse de la lumière, quelle que soit la direction que vous choisissez, vous allez inévitablement entrer en collision. avec une singularité.
Les visualisations d'Andrew Hamilton sont les modèles les meilleurs et les plus précis de ce qui se passe lorsque vous tombez dans un trou noir, et si illogiques qu'ils doivent être revus encore et encore jusqu'à ce que vous commenciez à comprendre quelque chose (vous ne commencez pas vraiment). C'est effrayant et beau, et si vous êtes assez aventureux pour voler dans un trou noir et traverser l'horizon des événements, ce sera la dernière chose que vous ayez jamais vue.
Ilya Khel
