计算机模拟表明:旋转黑洞可作为超空间旅行的入口

计算机模拟表明:旋转黑洞可作为超空间旅行的入口

最珍贵的科幻小说场景之一就是利用黑洞作为通往另一个维度、时间或宇宙的入口。这种幻想可能比以前想象的更接近现实。

黑洞可能是宇宙中最神秘的物体。它们是引力无限制地压碎一颗垂死的恒星,导致形成真正的奇点,当整个恒星被压缩到一个点,产生了一个无限密度的物体时,就会发生这种情况。这种密集而炽热的奇点在时空本身的结构上打出了一个洞,可能为超空间旅行打开了一个机会。也就是说,一条穿越时空的捷径,允许在短时间内穿越宇宙尺度的距离。

研究人员先前认为,任何试图利用黑洞作为这类入口的航天器都必须考虑到自然界最糟糕的情况。热而密集的奇点会使航天器在完全蒸发之前经受一系列越来越不舒服的潮汐拉伸和挤压。

在黑洞中飞行。

马萨诸塞大学达特茅斯分校的团队和乔治亚·格温尼特学院的一位研究人员已经证明,并非所有的黑洞生来都是平等的。如果像位于我们星系的中心的人马座A*这样的黑洞,是巨大且旋转的,那么宇宙飞船的前景就会发生巨大的变化。这是因为太空船必须要面对一个非常温和的奇点,并且可以允许一个非常和平的航程。

这可能是因为旋转黑洞内的相关奇点在技术上是“弱”的,因此不会损坏与之交互的物体。起初,这一事实似乎有违常理。但是你可以把它想象成一个普通的经历,一个人的手指在蜡烛近2000度的火焰中快速穿过,而不会被烧伤。

把你的手指靠近火焰,它就会灼烧感。如果快速的穿过去,你就不会有什么感觉了。类似地,通过一个巨大的旋转黑洞,你更有可能安然无恙地从另一边出来。

加拉夫·卡纳(Gaurav Khanna)研究黑洞的物理已经超过20年了。2016年,加拉夫·卡纳(Gaurav Khanna)的博士生卡罗琳·马拉里(Caroline Mallary)在克里斯托弗·诺兰(Christopher Nolan)的大片“星际穿越”(Interstar)的启发下,开始测试马修·麦康纳(Matthew McConaughey)饰演的库珀(Cooper)是否能深深坠入卡冈都亚(Gargantua)—一个虚构的、超大质量且快速旋转的黑洞,其质量约为我们太阳的1亿倍。“星际穿越”改编自诺贝尔奖得主、天体物理学家基普·索恩(KipThorne)和所著的一本书,而卡冈都亚(Gargantua)的物理属性是这部好莱坞电影情节的核心。

基于物理学家阿莫斯·奥里(Amos Ori)20年前所做工作,并凭借其强大的计算能力,马拉里建立了一个计算机模型,可以捕捉到航天器或任何大型物体掉入一个像人马座A*那样旋转的大黑洞的大部分基本物理效应。

在电影“星际穿越”中,虚构的行星围绕着黑洞卡冈都亚(Gargantua)运行

她发现,在任何情况下,落入旋转黑洞的物体在通过所谓的内视界奇点时,都不会受到无限大的影响。这是进入旋转黑洞的物体无法绕过或避免的奇点。不仅如此,在适当的情况下,这些影响可能是微不足道的,允许相当舒适的通过奇点。事实上,这可能根本不会对坠落的物体产生明显的影响。这增加了利用大型旋转黑洞作为超空间旅行入口的可行性。

马拉里还发现了一个以前没有被充分认识到的特征:在黑洞旋转的情况下,奇点的影响将导致航天器上拉伸和挤压的周期迅速增加。但是对于像卡冈都亚(Gargantua)这样的非常大的黑洞来说,这种效应的强度是非常小的。所以,航天器上的任何人都不会探测到它。

该图描绘了航天器钢架坠落到旋转黑洞时的物理应变。需要注意的重要一点是,在接近黑洞的地方,应变会急剧增加,但不会无限期地增长。因此,航天器和它的居民可能在这次旅行中幸存下来。

关键的一点是,这些效应不会毫无限制地增加;事实上,它们是有限的,即使航天器上的应力在接近黑洞时往往会无限增长。

在马拉里模型的背景下,有一些重要的简化假设和结果警告。主要的假设是,考虑中的黑洞是完全孤立的,因此不会受到源的持续干扰,例如附近的另一颗恒星,甚至任何下落的辐射的干扰。虽然这一假设允许重要的简化,但值得注意的是,大多数黑洞都被宇宙物质--尘埃、气体、辐射所包围。

因此,马拉里的工作的一个自然延伸将是在一个更现实的天体物理黑洞的背景下进行类似的研究。

马拉里用计算机模拟来检验黑洞对物体的影响的方法在黑洞物理学领域是很常见的。不用说,我们还没有能力在黑洞或黑洞附近进行真正的实验,所以科学家们借助理论和模拟来作出预测和新的发现。