Crne rupe se obično opisuju koristeći Njutnovu sliku gravitacije kao sile koja pomera tela po prostoru koji postoji sam po sebi, nezavisno od tela koje su u njemu i njihovih kretanja. To je blisko našoj svakodnevnoj intuiciji, ali nikada ne daje potpunu sliku. Korektan opis gravitacije je Ajnštajnova opšta teorija relativnosti u kojoj nema sile gravitacije a geometrija prostora kao i tok vremena se menjaju od tačke do tačke i od događaja do događaja, zavisno od prisutnih masa i njihovih kretanja! Fizička slika je da svaka masa krivi prostor i rasteže vreme a svaka druga masa se onda kreće po inerciji po tako zakrivljenom prostoru u rastegnutom vremenu.

Relativistički opis prostora i vremena je najlakše videti u blizini velikih masa i na sreću, SXS grupa je uradila izvanrednu vizualizaciju i tog opisa! Dok su u svom prvom filmu (animacija desno) prikazali kako bi spajanje dve crne rupe izgledalo gledano iz obližnjeg svemirskog broda, u ovom filmu su dodali vizualizaciju proračuna onih procesa koji su jednako realni ali i nevidljivi: krivljenje prostora i vremena oko crnih rupa i emisija gravitacionih talasa.

Pogledajmo film:

https://www.youtube.com/watch?v=c-2XIuNFgD0

Opet vidimo par crnih rupa u orbiti oko centra mase, ali je sada ispod njih prikazana i deformacija prostora prouzrokovana njihovim masama. Krivina u obliku jame nam govori da svaka masa u blizini, recimo zvezda, oblak gasa, ili svemirski brod, mora po inerciji da sledi putanju ka centru jame tj. ka centru crne rupe.

Prostor bliže crnoj rupi je rastegnut više, a sa njim i svaki materijalni objekat na toj poziciji:

U Njutnovoj slici mi merimo rastezanje materijalnih objekata i to opisujemo plimskim silama: lokacije pojedinih delova astronautovog tela su protegnute na veće rastojanje u “apsolutnom” prostoru. Nasuprot tome, u Ajnštajnovoj slici telo astronauta je rastegnuto jer su pozicioni markeri u prostoru više razmaknuti što su bliže masi – rastegnut je sam prostor pa time i objekti u njemu.

Dužina strelica u filmu ukazuje na veličinu tog rastezanja. Pošto ono vrtoglavo raste što smo bliže crnoj rupi, teško je sve staviti u jednu sliku, pa umesto toga fizičari prikazuju rastezanje crtajući ga nadole, kao jamu. Plus, oblik jame sugeriše pad bez povratka. Treba međutim imati na umu da je ta jama samo zgodna vizualizacija, i da opisuje kretanje duž radijusa, a ne nadole, duž z-ose, kako izgleda na prvi pogled.

Mi možemo misaono da zarotiramo animaciju tako da strelice opisuju padanje u crnu rupu iz bilo kog pravca. Kakva god da je orijentacija jame ona uvek opisuje padanje duž radijusa iz tog pravca ka centru crne rupe. Animacija dve crne rupe iznad njih prikazuje sve tri dimenzije ali tu ne vidimo rastezanje prostora. Dve slike se dopunjuju i zato su ovde i prikazane zajedno. 

Rastezanje vremena je ilustrovano bojom koja se menja od plave (svetlosni talasi kraćeg perioda), preko zelene i žute do crvene (svetlosni talasi dužeg perioda). To znači da svetlost emitovana sve bliže crnoj rupi stiže do nas sve crvenija, slabijeg intenziteta, i rastegnutija u vremenu. Ako astronaut blizu crne rupe nama koji smo bezbedno daleko pošalje TV sliku u kojoj maše i kaže “Halo!”, mi moramo da namestimo naš prijemnik na nižu frekvencu od one na kojoj je emitovan i videćemo astronauta kako usporeno maše: “Hhaalloo!”. Ako priđe bliže crnoj rupi mi na sve nižoj frekvenci primamo sve slabiju sliku sve usporenijeg pozdrava: “HHHHHHaaaaalllllooooo!” I tako dalje. Tako masa rasteže vreme.

Teorija relativnosti nam kaže da to rastezanje vremena postaje beskonačno veliko na nekom konačnom radijusu oko tačkaste mase, tako da je potrebno beskonačno vreme da nam sav signal stigne sa te lokacije: mi nikada ne vidimo kraj pozdrava, slika astronauta kao da je zamrznuta. Ne možemo da vidimo ništa unutar tog radijusa, pa nama spolja ta granična površina izgleda “crna”. Takav objekat zato dobija ime “crna rupa” a granična površina je naš horizont, ali se obično naziva “horizontom crne rupe” jer je ona njegov uzrok.

U animaciji se lepo vidi kako se crne rupe i njihove jame deformišu usled međusobnog približavanja. Horizonti crnih rupa dobijaju oblik bundeva okrenutih jedna drugoj svojim kraćim stranama, kao i u prvoj animaciji projekta SXS (animacija desno). Vidimo da njihovo približavanje spušta “greben” u zakrivljenom prostoru između njih, tako da svemirski brod koji je u blizini jedne crne rupe sada može da je izbegne krećući se ka onoj drugoj, i obrnuto. Sjajna vizualizacija kako mase i njihovo kretanje oblikuju prostor i vreme.

Na kraju dolazi do spajanja crnih rupa. Novo formirana jama sasvim jasno nije ispočetka okrugla po obimu pa spojena crna rupa ispočetka nije sferna. Novi ekvator dobija kružni oblik skidajući asimetriju kroz talase u krivini prostora i dilataciji vremena koji se, kako se lepo vidi u animaciji, udaljavaju od crne rupe.

To su gravitacioni talasi koji su u slučaju događaja koji je ovde simuliran posle skoro milijardu i po godina zapljusnuli i Zemlju. Njihova ukupna emisija određuje koji deo ukupne mase i ugaonog momenta dve početne crne rupe ostaje kao masa novonastale crne rupe i ugaoni moment njene rotacije.

Živimo u sretno doba kada nam napredak računarske tehnologije omogućava da vidimo nevidljivu realnost prisutnu u formulama fizičara.

Prethodni tekst:  Oblik crnih rupa