Голая сингулярность

О романе см. «Обнаженная сингулярность» . Чтобы узнать о фильме, см. «Обнаженная сингулярность» (фильм) .

В общей теории относительности голая сингулярность — это гипотетическая гравитационная сингулярность без горизонта событий .

Когда существует хотя бы одна причинная геодезическая , которая в будущем простирается либо до наблюдателя, находящегося на бесконечности, либо до наблюдателя, движущегося вместе с коллапсирующим облаком, а в прошлом заканчивается в гравитационной сингулярности , тогда эту сингулярность называют голой. сингулярность. В черной дыре сингулярность полностью окружена границей, известной как горизонт событий , внутри которой искривление пространства-времени , вызванное сингулярностью, настолько сильное, что свет не может выйти наружу. Следовательно, объекты внутри горизонта событий, включая саму сингулярность, невозможно наблюдать напрямую. Напротив, можно было бы наблюдать голую сингулярность.

Теоретическое существование голых сингулярностей важно, потому что их существование означало бы, что можно было бы наблюдать коллапс объекта до бесконечной плотности . Это также создало бы фундаментальные проблемы для общей теории относительности, поскольку общая теория относительности не может делать предсказания об эволюции пространства-времени вблизи сингулярности. В обычных черных дырах это не проблема, поскольку внешний наблюдатель не может наблюдать пространство-время в пределах горизонта событий.

Голые сингулярности в природе не наблюдались. Астрономические наблюдения за черными дырами показывают, что скорость их вращения падает ниже порога, образуя голую сингулярность (параметр вращения 1). Ближе всего к пределу подходит GRS 1915+105 с параметром отжима 0,82-1,00. Намекнули, что GRO J1655−40 может быть голой сингулярностью.

Согласно гипотезе космической цензуры , гравитационные сингулярности могут быть ненаблюдаемы. Если петлевая квантовая гравитация верна, в природе могут быть возможны голые сингулярности.

Прогнозируемое формирование

Когда массивная звезда подвергается гравитационному коллапсу из-за своей огромной гравитации, конечный результат этого постоянного коллапса может проявиться либо в виде черной дыры , либо в виде голой сингулярности. Это справедливо для широкого спектра физически правдоподобных сценариев в рамках общей теории относительности. Модель Оппенгеймера-Снайдера-Датта (OSD) иллюстрирует коллапс сферического облака, состоящего из однородной пыли (вещества без давления). В этом сценарии вся материя сходится в сингулярности пространства-времени одновременно с точки зрения сопутствующего времени. Примечательно, что горизонт событий появляется перед сингулярностью, эффективно закрывая ее. Учитывая изменение исходного профиля плотности (с учетом неоднородности плотности), можно продемонстрировать существенное изменение поведения горизонта. Это приводит к двум различным потенциальным результатам, возникающим в результате коллапса общей пыли: образованию черной дыры, характеризующейся горизонтом, предшествующим сингулярности, и появлению голой сингулярности, где горизонт задерживается. В случае голой сингулярности эта задержка позволяет нулевым геодезическим или световым лучам выйти за пределы центральной сингулярности, где плотность и кривизна расходятся, достигая удаленных наблюдателей. При изучении более реалистичных сценариев коллапса одним из способов является включение в модель факторов давления. Рассмотрение гравитационного коллапса с ненулевым давлением и различными моделями, включая реалистичное уравнение состояния, описывающее конкретную взаимосвязь между плотностью и давлением внутри облака, на протяжении многих лет тщательно изучалось и исследовалось многочисленными исследователями. Все они приводят либо к черной дыре, либо к голой сингулярности в зависимости от исходных данных.

На основе концепций, извлеченных из вращающихся черных дыр , показано, что сингулярность, быстро вращающаяся, может стать объектом в форме кольца. В результате образуются два горизонта событий, а также эргосфера , которые сближаются по мере увеличения вращения сингулярности. Когда внешний и внутренний горизонты событий сливаются, они сжимаются к вращающейся сингулярности и в конечном итоге открывают ее для остальной Вселенной.

Достаточно быстро вращающаяся сингулярность может быть создана коллапсом пыли или взрывом сверхновой быстро вращающейся звезды. Исследования пульсаров некоторое компьютерное моделирование ( Choptuik , 1997). и было выполнено Интересно, что недавно сообщалось, что некоторые вращающиеся белые карлики могут реально превращаться во вращающиеся голые сингулярности и черные дыры с широким диапазоном значений масс, близких и субсолнечных, путем захвата асимметричных частиц темной материи . Точно так же вращающиеся нейтронные звезды также могут быть преобразованы в медленно вращающиеся голые сингулярности околосолнечной массы путем захвата асимметричных частиц темной материи , если накопленное облако частиц темной материи в ядре нейтронной звезды можно смоделировать как анизотропное. жидкость. В общем, прецессию гироскопа черную и прецессию орбит материи, попадающей во вращающуюся дыру или голую сингулярность . для различения этих экзотических объектов можно использовать

Математик Деметриос Христодулу , лауреат премии Шоу , показал, что вопреки ожиданиям, случаются и сингулярности, которые не скрыты в черной дыре. Однако затем он показал, что такие «голые особенности» неустойчивы.

Метрики

Рэй проследил изображение гипотетической голой сингулярности на фоне Млечного Пути . Параметры особенности: M=1, a²+Q²=2M². Особенность видна со стороны ее экваториальной плоскости под углом θ=90° (ребром).

Сравнение с экстремальной черной дырой с M=1, a²+Q²=1M².

Исчезающие горизонты событий существуют в метрике Керра , которая представляет собой вращающуюся черную дыру в вакууме. В частности, если угловой момент достаточно высок, горизонты событий могут исчезнуть. Преобразуя метрику Керра в координаты Бойера – Линдквиста , можно показать что $r$ координата (которая не является радиусом) горизонта событий равна

$r_{\pm }=\mu \pm (\mu ^{2}-a^{2})^{1/2},$

где $\mu =GM/c^{2}$, и $a=J/Mc$. В данном случае «горизонты событий исчезают» означает, что решения сложны для $r_{\pm }$, или $\mu ^{2}<a^{2}$. Однако это соответствует случаю, когда $J$ превышает $GM^{2}/c$ (или в планковских единицах , $J>M^{2}$) , т.е. спин превышает то, что обычно считается верхним пределом его физически возможных значений.

Исчезающие горизонты событий также можно увидеть с помощью геометрии Рейсснера – Нордстрема заряженной черной дыры. В этом показателе можно показать что горизонты встречаются в

$r_{\pm }=\mu \pm (\mu ^{2}-q^{2})^{1/2},$

где $\mu =GM/c^{2}$, и $q^{2}=GQ^{2}/(4\pi \varepsilon _{0}c^{4})$. Из трех возможных случаев относительных значений $\mu$ и $q$, случай, когда $\mu ^{2}<q^{2}$ вызывает оба $r_{\pm }$ быть сложным. Это означает, что метрика регулярна для всех положительных значений $r$или, другими словами, сингулярность не имеет горизонта событий. Однако это соответствует случаю, когда $Q/{\sqrt {4\pi \varepsilon _{0}}}$ превышает $M{\sqrt {G}}$ (или в планковских единицах, $Q>M$) , то есть заряд превышает то, что обычно считается верхним пределом его физически возможных значений.

См. метрику Керра – Ньюмана для особенности вращающегося заряженного кольца.

Эффекты

Обнаженная сингулярность может позволить ученым наблюдать бесконечно плотный материал, что при обычных обстоятельствах было бы невозможно согласно гипотезе космической цензуры . Некоторые предполагают, что без какого-либо горизонта событий голые сингулярности действительно могут излучать свет.

Гипотеза космической цензуры

Гипотеза космической цензуры гласит, что гравитационная сингулярность останется скрытой за горизонтом событий. LIGO События , включая GW150914 , согласуются с этими предсказаниями. Хотя в случае сингулярности могли бы возникнуть аномалии данных, природа этих аномалий остается неизвестной.

Некоторые исследования показали, что если петлевая квантовая гравитация верна, то в природе могут существовать голые сингулярности. подразумевая, что гипотеза космической цензуры не верна. Численные расчеты и еще некоторые аргументы также намекнули на такую ​​возможность.

В художественной литературе

• романов М. Джона Харрисона « Тракт Кефаучи» Трилогия научно-фантастических ( «Свет », «Новые качели» и «Пустое пространство» ) сосредоточена на исследовании человечеством обнаженной сингулярности.
• «Темная опасность» Джеймса К. Гласса (опубликована в журнале Analog, март 2005 г.) - это история о космических путешественниках, выполняющих исследовательскую миссию. Пока они исследуют странное космологическое явление, два их небольших космических корабля начинают трястись, и они не могут покинуть этот район. Один из членов экипажа понимает, что оказался в ловушке эргосферы черной дыры или голой сингулярности. История описывает скопление множества черных дыр или сингулярностей, а также то, что делает команда, чтобы попытаться выжить в этой, казалось бы, неизбежной ситуации.
• Стивена Бакстера представлены В «Последовательности Xeelee» Xeelee, которые создают массивное кольцо, создающее обнаженную сингулярность. Он используется для путешествия в другую вселенную.
• В эпизоде ​​под названием « Рассвет », финале переосмысленного телесериала 2004 года «Звездный крейсер Галактика» , колония Сайлонов вращается вокруг обнаженной сингулярности.
• Спящий Бог в трилогии Питера Гамильтона « Рассвет ночи» считается голой сингулярностью.
• В » Кристофера Нолана отсутствие «Интерстелларе голой сингулярности мешает человечеству завершить теорию квантовой гравитации из-за недоступности экспериментальных данных изнутри горизонта событий .
• В визуальном романе Steins;Gate голая сингулярность используется для сжатия оцифрованных воспоминаний главного героя до меньшего размера, чтобы затем отправить их назад во времени с помощью импровизированной «машины прыжка во времени».
• В Вонды Макинтайр » 1981 года «Звездный путь романе «Эффект энтропии » обнаженная сингулярность оказывается побочным эффектом экспериментов с путешествиями во времени и угрожает уничтожить Вселенную, если эксперименты с путешествиями во времени не остановятся до того, как они начались.
• В восьмой части « Невероятные приключения ДжоДжо манги » « ДжоДжолион » главный герой умеет создавать маленькие обнаженные сингулярности. Официально об этом не говорится, но способность «Выйти за пределы» создает невидимые, быстро вращающиеся вихри из бесконечно маленькой «струны», что напоминает гипотезу космической цензуры и петлевую квантовую гравитацию.

См. также

• Электрон черной дыры
• Гравитационная сингулярность
• Кольцевая особенность

Дальнейшее чтение

• Вернер, MC; Петтерс, АО (24 сентября 2007 г.). «Отношения увеличения для линзирования Керра и проверки космической цензуры». Физический обзор D . 76 (6): 064024.arXiv : 0706.0132v2 . Бибкод : 2007PhRvD..76f4024W . дои : 10.1103/physrevd.76.064024 . ISSN   1550-7998 . S2CID   119647924 .
• Панкадж С. Джоши, «Нарушают ли голые особенности правила физики?» , Scientific American , январь 2009 г.
• Маркус Чоун, «Быстро вращающиеся черные дыры могут раскрыть все», New Scientist , август 2009 г.