Обнаженная сингулярность

редактировать

В общей теории относительности голая сингулярность - это гипотетическая гравитационная сингулярность без горизонта событий. В черной дыре сингулярность полностью окружена границей, известной как горизонт событий, внутри которой гравитационная сила сингулярности настолько сильна, что свет не может уйти. Следовательно, объекты внутри горизонта событий, включая саму сингулярность, нельзя наблюдать напрямую. Напротив, обнаженную сингулярность 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 вызвало бы фундаментальные проблемы для общей теории относительности, потому что общая теория относительности не может делать предсказания относительно будущей эволюции пространства-времени вблизи сингулярности. В обычных черных дырах это не проблема, поскольку сторонний наблюдатель не может наблюдать пространство-время в пределах горизонта событий.

Обнаженные особенности не наблюдались в природе. Астрономические наблюдения черных дыр показывают, что их скорость вращения падает ниже порогового значения для образования голой сингулярности (параметр спина 1). GRS 1915 + 105 наиболее близко подходит к пределу с параметром спина 0,82–1,00.

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

Содержание

1 Прогнозируемое образование
2 Показатели
3 Эффекты
4 Гипотеза космической цензуры
5 В художественной литературе
6 См. Также
7 Ссылки
8 Дополнительная литература

Прогнозируемое образование

На основе концепций, взятых из вращающихся черных дыр, показано, что сингулярность, быстро вращаясь, может стать кольцевым объектом. 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 сверхновой быстро вращающейся звезды. Были проведены исследования пульсаров и компьютерное моделирование (Choptuik, 1997).

Математик Деметриос Христодулу, победитель конкурса Премия Шоу, показала, что вопреки ожиданиям, также встречаются сингулярности, которые не скрыты в черной дыре. Однако затем он показал, что такие «голые сингулярности» нестабильны.

Метрики

Луч проследил изображение гипотетической голой сингулярности на фоне Млечного Пути. Параметры особенности: M = 1, a² + Q² = 2M². Сингулярность видна из ее экваториальной плоскости под углом θ = 90 ° (край включен).

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

Исчезающие горизонты событий существуют в Метрика 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 координата $r {\ displaystyle r}$ $r$ (которая не является радиусом) горизонта событий равна

$r ± = μ ± (μ 2 - a 2) 1/2 {\ displaystyle r _ {\ pm} = \ mu \ pm (\ mu ^ {2} -a ^ {2}) ^ {1/2 }}$ $r _ {\ pm} = \ mu \ pm (\ mu ^ {2} -a ^ {2}) ^ {1/2}$ ,

где $μ = GM / c 2 {\ displaystyle \ mu = GM / c ^ {2}}$ $\ mu = GM / c ^ {2}$ и $a = J / M c {\ displaystyle a = Дж / Мак}$ $a = J / Mc$ . В этом случае «горизонты событий исчезают» означает, что решения являются сложными для $r ± {\ displaystyle r _ {\ pm}}$ $r _ {\ pm}$ или $μ 2 < a 2 {\displaystyle \mu ^{2}$ $\ mu ^ {2} <a ^ {2}$ . Однако это соответствует случаю, когда $J {\ displaystyle J}$ $J$ превышает $GM 2 / c {\ displaystyle GM ^ {2} / c}$ ${\ displaystyle GM ^ {2} / c}$ (или в единицах Планка, $J>M 2 {\ displaystyle J>M ^ {2}}$ $J>M ^ {2}$ ), то есть скорость вращения превышает то, что обычно рассматривается как верхний предел его физически возможных значений.

Исчезающие горизонты событий также можно увидеть с помощью геометрии Рейсснера – Нордстрема заряженной черной дыры. В этой метрике можно показать, что горизонты расположены на

$r ± знак равно μ ± (μ 2 - q 2) 1/2 {\ displaystyle r _ {\ pm} = \ mu \ pm (\ mu ^ {2} -q ^ {2}) ^ {1/2}}$ $r _ {\ pm} = \ mu \ pm (\ mu ^ {2} -q ^ {2}) ^ {1/2}$ ,

где $μ = GM / c 2 {\ displaystyle \ mu = GM / c ^ {2}}$ $\ mu = GM / c ^ {2}$ и $q 2 = GQ 2 / (4 π ϵ 0 c 4) { \ displaystyle q ^ {2} = GQ ^ {2} / (4 \ pi \ epsilon _ {0} c ^ {4})}$ ${\ displaystyle q ^ {2} = GQ ^ {2} / (4 \ pi \ epsilon _ {0} c ^ {4})}$ . Из трех возможных случаев для относительных значений $μ {\ displaystyle \ mu}$ $\ mu$ и $q {\ displaystyle q}$ $q$ , случай, когда $μ 2 < q 2 {\displaystyle \mu ^{2}$ $\ mu ^ {2} <q ^ {2}$ приводит к тому, что оба элемента $r ± {\ displaystyle r _ {\ pm}}$ $r _ {\ pm}$ являются сложными. Это означает, что метрика регулярна для всех положительных значений $r {\ displaystyle r}$ $r$ , или, другими словами, сингулярность не имеет горизонта событий. Однако это соответствует случаю, когда $Q / 4 π ϵ 0 {\ displaystyle Q / {\ sqrt {4 \ pi \ epsilon _ {0}}}}$ ${\ displaystyle Q / {\ sqrt {4 \ pi \ epsilon _ {0} }}}$ превышает $MG { \ displaystyle M {\ sqrt {G}}}$ ${\ displaystyle M {\ sqrt {G}}}$ (или в единицах Планка, $Q>M {\ displaystyle Q>M}$ $Q>M$ ), т. е. плата превышает обычно считающийся верхним пределом его физически возможные значения.

См. метрику Керра – Ньюмана для вращающейся, заряженной кольцевой сингулярности.

Эффекты

Обнаженная сингулярность может позволить ученым наблюдать бесконечно плотный материал, что при нормальных обстоятельствах было бы невозможно в соответствии с гипотезой космической цензуры. Некоторые предполагают, что без горизонта событий любого рода голые сингулярности действительно могут излучать свет.

Гипотеза космической цензуры

Гипотеза космической цензуры гласит, что гравитационная сингулярность останется скрытой. y горизонт событий. События LIGO, включая GW150914, согласуются с этими прогнозами. Хотя аномалии данных могли бы привести к сингулярности, 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 некоторые другие аргументы также указали на эту возможность.

В художественной литературе

М. Трилогия научно-фантастических романов Джона Харрисона (Лайт, Nova Swing и) сосредоточена на исследовании человечеством обнаженной сингулярности.
"Dark Peril" (опубликовано в Analog март 2005 г.) - это рассказ о космических путешественниках, выполняющих исследовательскую миссию. Пока они исследуют странное космологическое явление, их два небольших космических корабля начинают дрожать, и они не могут покинуть этот район. Один из членов экипажа понимает, что они заперты в эргосфере черной дыры или голой сингулярности. История описывает скопление множества черных дыр или сингулярностей и то, что делает команда, чтобы попытаться выжить в этой, казалось бы, неизбежной ситуации.
Последовательность Ксили Стивена Бакстера показывает Ксили, которые создают массивное кольцо, создающее голую сингулярность. Он используется для путешествия в другую вселенную.
В эпизоде под названием «Рассвет », финале переосмысленного телесериала 2004 года Звездный крейсер Галактика, орбиты колонии Сайлонов голая сингулярность.
Спящий Бог в Питере Гамильтоне Трилогия Ночного рассвета считается обнаженной сингулярностью.
В Интерстеллар Кристофера Нолана Отсутствие голой сингулярности мешает человечеству завершить теорию квантовой гравитации из-за недоступности экспериментальных данных изнутри горизонт событий.
В японской анимации Steins; Gate голая сингулярность используется для сжатия оцифрованных воспоминаний главного героя до меньшего размера, чтобы затем отправить их назад во времени. с импровизированной «машиной скачка во времени».
В Вонда Макинтайр 1981 года Звездный путь роман Эффект энтропии, голая сингулярность оказывается побочным эффектом путешествия во времени эксперта и угрожает разрушить Вселенную, если эксперименты с путешествиями во времени не будут прекращены до их начала.

См. также

Ссылки

Дополнительная литература

Werner, MC; Петтерс, А. О. (24 сентября 2007 г.). «Отношения увеличения для линзирования Керра и проверки космической цензуры». Physical Review D. Американское физическое общество (APS). 76 (6): 064024. arXiv : 0706.0132v2. DOI : 10.1103 / Physrevd.76.064024. ISSN 1550-7998.
Панкадж С. Джоши, «Разве обнаженные сингулярности нарушают правила физики?», Scientific American, январь 2009 г.
Маркус Чоун, «Быстро вращающиеся черные дыры могут раскрыть все» New Scientist, август 2009 г.