Голая сингулярность

Гипотетическое явление

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

Когда существует хотя бы одна причинная геодезическая , которая в будущем простирается до наблюдателя либо на бесконечности, либо до наблюдателя, движущегося вместе с коллапсирующим облаком, а в прошлом заканчивается в гравитационной сингулярности , то эта сингулярность называется голой. сингулярность. ^[1] 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. Голую сингулярность, напротив, можно было бы наблюдать снаружи.

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 внутри 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. ^[2]

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). ^{[3] [4]} 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. ^{[5] [6] [7]} При изучении более реалистичных сценариев коллапса одним из способов является включение давления в модель. 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. ^{[8] [9] [10] [11] [12] [13] [ 14] [15] [16] [17] [18] [19]} Все они приводят либо к черной дыре, либо к голой сингулярности в зависимости от исходные данные.

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. Были проведены исследования пульсаров ^[20] и некоторые компьютерные модели ( Choptuik , 1997). ^[21]

Математик Деметриос Христодулу , лауреат премии Шоу , показал, что вопреки ожиданиям, случаются и сингулярности, которые не скрыты в черной дыре. ^[22] Однако затем он показал, что такие «голые особенности» неустойчивы. ^[23]

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 ^[24] , что координата (которая не является радиусом) горизонта событий равна ${\displaystyle r}$

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

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

Исчезающие горизонты событий также можно увидеть с помощью геометрии Рейсснера – Нордстрема заряженной черной дыры. В этой метрике можно показать ^[25] , что горизонты встречаются при

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

где и . Из трех возможных случаев относительных значений и случай, когда оба являются комплексными. Это означает, что метрика регулярна для всех положительных значений , или, другими словами, сингулярность не имеет горизонта событий. Однако это соответствует случаю, когда превышает (или в единицах Планка, ) , т.е. заряд превышает то, что обычно рассматривается как верхний предел его физически возможных значений. ${\displaystyle \mu =GM/c^{2}}$ ${\displaystyle q^{2}=GQ^{2}/(4\pi \varepsilon _{0}c^{4})}$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle \mu ^{2}<q^{2}}$ ${\displaystyle r_{\pm }}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle Q/{\sqrt {4\pi \varepsilon _{0}}}}$ ${\displaystyle M{\sqrt {G}}}$ ${\displaystyle Q>M}$

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

Последствия

Обнаженная сингулярность могла бы 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. ^[26]

Гипотеза космической цензуры

Гипотеза космической цензуры гласит, что гравитационная сингулярность останется скрытой за горизонтом событий. События LIGO , включая GW150914 , согласуются с этими предсказаниями. Хотя в случае сингулярности могли бы возникнуть аномалии данных, природа этих аномалий остается неизвестной. ^[27]

Некоторые исследования показали, что если петлевая квантовая гравитация верна, то в природе могут существовать голые сингулярности, ^{[28] [29] [30]} подразумевая, что гипотеза космической цензуры не верна. На такую ​​возможность намекают и численные расчеты ^[31] и некоторые другие аргументы ^{[32] .}

В фантастике

• Трилогия научно-фантастических романов М. Джона Харрисона « Тракт Кефаучи » ( «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 экипаж, чтобы выжить в этой, казалось бы, неизбежной ситуации.
• В «Последовательности Xeelee » Стивена Бакстера представлены 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 голой сингулярности. ^{[ нужна цитата ]}
• Спящий Бог в трилогии Питера Гамильтона « Рассвет ночи» считается голой сингулярностью.
• В « Интерстелларе » Кристофера Нолана отсутствие 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 романе Вонды Макинтайр « Звездный путь» 1981 года «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 манги « Невероятные приключения ДжоДжо » « 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.

Смотрите также

• Электрон черной дыры
• Гравитационная сингулярность
• Кольцевая особенность

Рекомендации

1. Джоши, Панкадж С. (1996). Глобальные аспекты гравитации и космологии . Международная серия монографий по физике (1. Мягкая обложка (с корр.) изд.). Оксфорд: Кларендон Пресс. ISBN 978-0-19-850079-7.
2. Жанна Брин (20 ноября 2006 г.). «Преодолевая предел: черная дыра вращается с феноменальной скоростью». space.com . Проверено 25 ноября 2017 г.
3. Оппенгеймер-младший; Снайдер, Х. (1 сентября 1939 г.). «О продолжающемся гравитационном сжатии». Физический обзор . 56 (5): 455–459. дои : 10.1103/PhysRev.56.455 .
4. Датт, Б. (1 мая 1938). «Über eine Klasse von Lösungen der Gravitationsgleichungen der Relativität». Zeitschrift für Physik (на немецком языке). 108 (5): 314–321. дои : 10.1007/BF01374951. ISSN  0044-3328.
5. Во, Б.; Лейк, Кейл (15 августа 1988 г.). «Сильные стороны особенностей, фокусирующих оболочки, в маргинально связанном коллапсирующем самоподобном пространстве-времени Толмена». Физический обзор D . 38 (4): 1315–1316. doi :10.1103/PhysRevD.38.1315.
6. Во, Б.; Лейк, Кейл (15 сентября 1989 г.). «Фокусирующие оболочки особенности в сферически симметричных самоподобных пространствах-временях». Физический обзор D . 40 (6): 2137–2139. doi :10.1103/PhysRevD.40.2137.
7. Джоши, PS; Двиведи, Айдахо (15 июня 1993 г.). «Обнаженные особенности в сферически-симметричном неоднородном коллапсе пылевого облака Толмена-Бонди». Физический обзор D . 47 (12): 5357–5369. arXiv : gr-qc/9303037 . doi :10.1103/PhysRevD.47.5357.
8. Ори, Амос; Пиран, Цви (9 ноября 1987 г.). «Обнаженные особенности в самоподобном сферическом гравитационном коллапсе». Письма о физических отзывах . 59 (19): 2137–2140. doi : 10.1103/physrevlett.59.2137. ISSN  0031-9007.
9. Ори, Амос; Пиран, Цви (15 августа 1990 г.). «Обнаженные особенности и другие особенности самоподобного общерелятивистского гравитационного коллапса». Физический обзор D . 42 (4): 1068–1090. doi :10.1103/physrevd.42.1068. ISSN  0556-2821.
10. Магли, Джулио (1 июля 1997 г.). «Гравитационный коллапс с неисчезающими касательными напряжениями: обобщение модели Толмана-Бонди». Классическая и квантовая гравитация . 14 (7): 1937–1953. дои : 10.1088/0264-9381/14/7/026. ISSN  0264-9381.
11. Магли, Джулио (1 октября 1998 г.). «Гравитационный коллапс с неисчезающими касательными напряжениями: II. Лаборатория экспериментов по космической цензуре». Классическая и квантовая гравитация . 15 (10): 3215–3228. arXiv : gr-qc/9711082 . дои : 10.1088/0264-9381/15/10/022. ISSN  0264-9381.
12. Харада, Томохиро (9 октября 1998 г.). «Окончательная судьба сферически-симметричного коллапса идеальной жидкости». Физический обзор D . 58 (10). arXiv : gr-qc/9807038 . doi :10.1103/physrevd.58.104015. ISSN  0556-2821.
13. Харада, Томохиро; Накао, Кен-ичи; Игучи, Хидео (20 июля 1999 г.). «Обнаженность и сила кривизны фокусирующей оболочки особенности в сферически-симметричном пространстве-времени с исчезающим радиальным давлением». Классическая и квантовая гравитация . 16 (8): 2785–2796. arXiv : gr-qc/9904073 . дои : 10.1088/0264-9381/16/8/315. ISSN  0264-9381.
14. Джоши, PS; Двиведи, И.Х. (январь 1999 г.). «Начальные данные и конечное состояние сферически-симметричного гравитационного коллапса». Классическая и квантовая гравитация . 16 (1): 41. arXiv : gr-qc/9804075 . дои : 10.1088/0264-9381/16/1/003. ISSN  0264-9381.
15. Джинган, С.; Магли, Г. (9 мая 2000 г.). «Черные дыры и образование голых сингулярностей в коллапсирующих скоплениях Эйнштейна». Физический обзор D . 61 (12). arXiv : gr-qc/9902041 . doi : 10.1103/physrevd.61.124006. ISSN  0556-2821.
16. Гонсалвес, Сержио MCV; Джинган, Санджай (декабрь 2001 г.). «Особенности гравитационного коллапса с радиальным давлением». Общая теория относительности и гравитация . 33 (12): 2125–2149. arXiv : gr-qc/0107054 . дои : 10.1023/а: 1015285531320. ISSN  0001-7701.
17. Харада, Т.; Игучи, Х.; Накао, К.-И. (01.03.2002). «Физические процессы при формировании голой сингулярности». Успехи теоретической физики . 107 (3): 449–524. arXiv : gr-qc/0204008 . дои : 10.1143/ptp.107.449 . ISSN  0033-068X.
18. Джамбо, Роберто; Джаннони, Фабио; Магли, Джулио; Пиччоне, Паоло (апрель 2003 г.). «Новые решения уравнений Эйнштейна в сферической симметрии: космический цензор в суде». Связь в математической физике . 235 (3): 545–563. arXiv : gr-qc/0204030 . дои : 10.1007/s00220-003-0793-9. ISSN  0010-3616.
19. Джамбо, Роберто; Джаннони, Фабио; Магли, Джулио; Пиччоне, Паоло (июнь 2004 г.). «Формирование обнаженных особенностей при гравитационном коллапсе баротропных сферических жидкостей». Общая теория относительности и гравитация . 36 (6): 1279–1298. arXiv : gr-qc/0303043 . doi :10.1023/b:gerg.0000022388.11306.e1. ISSN  0001-7701.
20. Экипаж, Бек (23 мая 2017 г.). «Обнаженные сингулярности действительно могут существовать в трехмерной Вселенной, предсказывают физики». НаукаАлерт . Проверено 2 сентября 2020 г.
21. Гарфинкл, Дэвид (1997). «Масштабирование Чоптуйка и масштабная инвариантность уравнения Эйнштейна». Физ. Преподобный Д. 56 (6): Р3169–Р3173. arXiv : gr-qc/9612015 . Бибкод : 1997PhRvD..56.3169G. doi :10.1103/PhysRevD.56.R3169.
22. Д. Христодулу (1994). «Примеры образования голой сингулярности при гравитационном коллапсе скалярного поля». Анна. Математика . 140 (3): 607–653. дои : 10.2307/2118619. JSTOR  2118619.
23. Д. Христодулу (1999). «Неустойчивость обнаженных сингулярностей при гравитационном коллапсе скалярного поля». Анна. Математика . 149 (1): 183–217. arXiv : math/9901147 . дои : 10.2307/121023. JSTOR  121023. S2CID  8930550.
24. Хобсон и др., Общая теория относительности: введение для физиков , Cambridge University Press, 2007, стр. 300-305
25. Хобсон и др., Общая теория относительности: введение для физиков , Cambridge University Press, 2007, стр. 320-325
26. Баттерсби, Стивен (1 октября 2007 г.). «Скрывается ли в нашей галактике «голая сингулярность»?». Новый учёный . Проверено 6 марта 2008 г.
27. Преториус, Франс (31 мая 2016 г.). «Точка зрения: теория относительности проходит тщательную проверку LIGO». Физика . 9:52 . doi : 10.1103/Physics.9.52 .
28. М. Бойовальд, Живой преподобный Rel. 8, (2005), 11. Архивировано 21 декабря 2015 г. в Wayback Machine.
29. Госвами, Ритупарно; Джоши, Панкадж С. (22 октября 2007 г.). «Сферический гравитационный коллапс в N измерениях». Физический обзор D . 76 (8): 084026. arXiv : gr-qc/0608136 . Бибкод : 2007PhRvD..76h4026G. doi : 10.1103/physrevd.76.084026. ISSN  1550-7998. S2CID  119441682.
30. Госвами, Ритупарно; Джоши, Панкадж С.; Сингх, Парамприт (27 января 2006 г.). «Квантовое испарение голой особенности». Письма о физических отзывах . 96 (3): 031302. arXiv : gr-qc/0506129 . Бибкод : 2006PhRvL..96c1302G. doi : 10.1103/physrevlett.96.031302. ISSN  0031-9007. PMID  16486681. S2CID  19851285.
31. Эрдли, Дуглас М.; Смарр, Ларри (15 апреля 1979 г.). «Временные функции в числовой теории относительности: маргинально связанный коллапс пыли». Физический обзор D . Американское физическое общество (APS). 19 (8): 2239–2259. Бибкод : 1979PhRvD..19.2239E. doi : 10.1103/physrevd.19.2239. ISSN  0556-2821.
32. Крулак, Анджей (1999). «Природа особенностей гравитационного коллапса». Приложение «Прогресс теоретической физики» . 136 : 45–56. arXiv : gr-qc/9910108 . Бибкод : 1999ПТПС.136...45К. дои : 10.1143/ptps.136.45 . ISSN  0375-9687.

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. doi : 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.