Голая сингулярность
Гипотетическое явление

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

Когда существует по крайней мере одна причинная геодезическая , которая в будущем простирается до наблюдателя, находящегося либо в бесконечности, либо до наблюдателя, движущегося вместе с коллапсирующим облаком, и в прошлом заканчивается в гравитационной сингулярности, то эта сингулярность называется голой сингулярностью. [1] В черной дыре сингулярность полностью окружена границей, известной как горизонт событий, внутри которой кривизна пространства-времени, вызванная сингулярностью, настолько сильна, что свет не может вырваться. Следовательно, объекты внутри горизонта событий, включая саму сингулярность, не могут наблюдаться напрямую. Напротив, голая сингулярность была бы наблюдаемой.

Теоретическое существование голых сингулярностей важно, поскольку их существование означало бы, что можно было бы наблюдать коллапс объекта до бесконечной плотности . Это также вызвало 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 не наблюдались в природе. Астрономические наблюдения черных дыр показывают, что скорость их вращения падает ниже порога, чтобы создать голую сингулярность (параметр спина 1). GRS 1915+105 находится ближе всего к пределу, с параметром спина 0,82-1,00. [2] Намекают, что GRO J1655−40 может быть голой сингулярностью. [3]

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

Предсказуемое формирование

Когда массивная звезда претерпевает гравитационный коллапс из-за собственной огромной гравитации, конечный результат этого постоянного коллапса может проявиться либо в виде черной дыры, либо в виде голой сингулярности. Это справедливо для разнообразного диапазона физически правдоподобных сценариев в рамках общей теории относительности. Модель Оппенгеймера–Снайдера–Датта (OSD) иллюстрирует коллапс сферического облака, состоящего из однородной пыли (материи без давления). [4] [5] В этом сценарии вся материя сходится в пространственно-временной сингулярности одновременно с точки зрения сопутствующего времени. Примечательно, что горизонт событий возникает до сингулярности, эффективно покрывая ее. Рассматривая изменения в профиле начальной плотности (с учетом неоднородной плотности), можно продемонстрировать существенное изменение в поведении горизонта. Это приводит к двум различным потенциальным результатам, возникающим из 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 покинуть центральную сингулярность, где плотность и кривизны расходятся, достигая удаленных наблюдателей. [6] [7] [8] При исследовании более реалистичных сценариев коллапса один из путей включает включение давлений в модель. Рассмотрение гравитационного коллапса с ненулевым давлением и различными моделями, включая реалистичное уравнение состояния, описывающее конкретную связь между плотностью и давлением внутри облака, было тщательно изучено и исследовано многочисленными исследователями на протяжении многих лет. [9] Все они приводят либо к черной дыре, либо к голой сингулярности в зависимости от начальных данных.

Из концепций, взятых из вращающихся черных дыр , показано, что сингулярность, быстро вращаясь, может стать кольцеобразным объектом. Это приводит к двум горизонтам событий, а также эргосфере , которые сближаются по мере увеличения спина сингулярности. Когда внешний и внутренний горизонты событий сливаются, они сжимаются в сторону вращающейся сингулярности и в конечном итоге выставляют ее напоказ остальной части Вселенной.

Достаточно быстро вращающаяся сингулярность может быть создана коллапсом пыли или сверхновой быстро вращающейся звезды. Были проведены исследования пульсаров [10] и некоторые компьютерные моделирования ( Choptuik , 1997). [11] Интересно, что недавно сообщалось, что некоторые вращающиеся белые карлики могут реалистично трансформироваться во вращающиеся голые сингулярности и черные дыры с широким диапазоном значений массы около и ниже солнечной, захватывая асимметричные частицы темной материи . [12] Аналогично вращающиеся нейтронные звезды также могут трансформироваться в медленно вращающиеся голые сингулярности околосолнечной массы, захватывая асимметричные частицы темной материи, если накопленное облако частиц темной материи в ядре нейтронной звезды можно смоделировать как анизотропную жидкость. [13] В общем, прецессия гироскопа и прецессия орбит материи, падающей во вращающуюся черную дыру или голую сингулярность, могут использоваться для различения этих экзотических объектов. [14] [15]

Математик Деметриос Христодулу , лауреат премии Шоу , показал, что вопреки ожиданиям, сингулярности, которые не скрыты в черной дыре, также встречаются. [16] Однако затем он показал, что такие «голые сингулярности» нестабильны. [17]

Метрики

Изображение гипотетической голой сингулярности на фоне Млечного Пути , полученное методом трассировки лучей . Параметры сингулярности: M=1, a²+Q²=2M². Сингулярность видна из ее экваториальной плоскости под углом θ=90° (с ребра).
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 велик, горизонты событий могут исчезнуть. Преобразуя метрику Керра в координаты Бойера–Линдквиста , можно показать [18], что координата (которая не является радиусом) горизонта событий равна г {\displaystyle r}

г ± = μ ± ( μ 2 − а 2 ) 1 / 2 , {\displaystyle r_{\pm }=\mu \pm (\mu ^{2}-a^{2})^{1/2},}

где , и . В этом случае «исчезновение горизонтов событий» 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. μ = Г М / с 2 {\displaystyle \mu =GM/c^{2}} а = Дж. / М с {\displaystyle a=J/Mc} г ± {\displaystyle r_{\pm }} μ 2 < а 2 {\displaystyle \mu ^{2}<a^{2}} Дж. {\displaystyle J} Г М 2 / с {\displaystyle GM^{2}/c} Дж. > М 2 {\displaystyle J>М^{2}}

Исчезающие горизонты событий также можно увидеть с помощью геометрии Рейсснера–Нордстрема заряженной черной дыры. В этой метрике можно показать [19] , что горизонты возникают при

г ± = μ ± ( μ 2 − д 2 ) 1 / 2 , {\displaystyle r_{\pm }=\mu \pm (\mu ^{2}-q^{2})^{1/2},}

где , и . Из трех возможных случаев для относительных значений и , случай, когда приводит к тому, что 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 планковских единицах, ) , т.е. заряд превышает то, что обычно рассматривается как верхний предел его физически возможных значений. μ = Г М / с 2 {\displaystyle \mu =GM/c^{2}} д 2 = Г В 2 / ( 4 π ε 0 с 4 ) {\displaystyle q^{2}=GQ^{2}/(4\pi \varepsilon _{0}c^{4})} μ {\displaystyle \мю} д {\displaystyle д} μ 2 < д 2 {\displaystyle \mu ^{2}<q^{2}} г ± {\displaystyle r_{\pm }} г {\displaystyle r} В / 4 π ε 0 {\displaystyle Q/{\sqrt {4\pi \varepsilon _{0}}}} М Г {\displaystyle M{\sqrt {G}}} В > М {\displaystyle Q>М}

См. метрику Керра–Ньюмена для вращающейся заряженной кольцевой сингулярности.

Эффекты

Голая сингулярность могла бы позволить ученым наблюдать бесконечно плотный материал, что было бы невозможно в обычных обстоятельствах согласно гипотезе космической цензуры . Некоторые предполагают, что без горизонта событий любого рода голые сингулярности могли бы фактически излучать свет. [20]

Гипотеза космической цензуры

Гипотеза космической цензуры гласит, что гравитационная сингулярность останется скрытой горизонтом событий. События LIGO , включая GW150914 , согласуются с этими предсказаниями. Хотя аномалии данных привели бы к случаю сингулярности, природа этих аномалий остается неизвестной. [21]

Некоторые исследования предположили, что если петлевая квантовая гравитация верна, то голые сингулярности могут существовать в природе, [22] [23] [24] подразумевая, что гипотеза космической цензуры неверна. Численные расчеты [25] и некоторые другие аргументы [26] также намекнули на эту возможность.

В художественной литературе

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Джоши, Панкадж С. (1996). Глобальные аспекты гравитации и космологии . Международная серия монографий по физике (1. мягкая обложка (с корр.) ред.). Оксфорд: Clarendon Press. ISBN 978-0-19-850079-7.
  2. ↑ Джинна Брайн (20 ноября 2006 г.). «Преодолевая предел: черная дыра вращается с феноменальной скоростью». space.com . Получено 25.11.2017 .
  3. ^ Чакраборти, К.; Бхаттачарья, С. (2018-08-28). «Существует ли гравитомагнитный монополь? Подсказка от рентгеновской двойной черной дыры». Physical Review D. 98 ( 4): 043021. arXiv : 1712.01156 . doi : 10.1103/PhysRevD.98.043021.
  4. ^ Оппенгеймер, Дж. Р.; Снайдер, Х. (1939-09-01). «О продолжающемся гравитационном сокращении». Physical Review . 56 (5): 455– 459. doi : 10.1103/PhysRev.56.455 .
  5. ^ Датт, Б. (1 мая 1938). «Über eine Klasse von Lösungen der Gravitationsgleichungen der Relativität». Zeitschrift für Physik (на немецком языке). 108 (5): 314–321 . doi : 10.1007/BF01374951. ISSN  0044-3328.
  6. ^ Waugh, B.; Lake, Kayll (1988-08-15). "Силы сингулярностей, фокусирующих оболочки, в ограниченно связанных коллапсирующих самоподобных пространствах-временах Толмена". Physical Review D. 38 ( 4): 1315– 1316. doi :10.1103/PhysRevD.38.1315.
  7. ^ Waugh, B.; Lake, Kayll (1989-09-15). "Оболочковые фокусирующие сингулярности в сферически симметричных самоподобных пространствах-временах". Physical Review D. 40 ( 6): 2137– 2139. doi :10.1103/PhysRevD.40.2137. PMID  10012048.
  8. ^ Джоши, PS; Двиведи, IH (1993-06-15). "Голые сингулярности в сферически симметричном неоднородном коллапсе пылевого облака Толмена-Бонди". Physical Review D. 47 ( 12): 5357– 5369. arXiv : gr-qc/9303037 . doi :10.1103/PhysRevD.47.5357. PMID  10015558.
  9. ^ Примеры включают:
    • Ори, Амос; Пиран, Цви (1987-11-09). «Голые сингулярности в самоподобном сферическом гравитационном коллапсе». Physical Review Letters . 59 (19): 2137– 2140. doi :10.1103/physrevlett.59.2137. ISSN  0031-9007. PMID  10035434.
    • Ори, Амос; Пиран, Цви (1990-08-15). «Голые сингулярности и другие особенности самоподобного общерелятивистского гравитационного коллапса». Physical Review D. 42 ( 4): 1068– 1090. doi :10.1103/physrevd.42.1068. ISSN  0556-2821.
    • Magli, Giulio (1997-07-01). "Гравитационный коллапс с неисчезающими касательными напряжениями: обобщение модели Толмена-Бонди". Classical and Quantum Gravity . 14 (7): 1937– 1953. doi :10.1088/0264-9381/14/7/026. ISSN  0264-9381.
    • Magli, Giulio (1998-10-01). «Гравитационный коллапс с неисчезающими касательными напряжениями: II. Лаборатория для экспериментов по космической цензуре». Classical and Quantum Gravity . 15 (10): 3215– 3228. arXiv : gr-qc/9711082 . doi :10.1088/0264-9381/15/10/022. ISSN  0264-9381.
    • Харада, Томохиро (1998-10-09). "Окончательная судьба сферически симметричного коллапса идеальной жидкости". Physical Review D. 58 ( 10): 104015. arXiv : gr-qc/9807038 . doi :10.1103/physrevd.58.104015. ISSN  0556-2821.
    • Харада, Томохиро; Накао, Кен-ичи; Игучи, Хидео (1999-07-20). «Обнаженность и прочность кривизны сингулярности, фокусирующей оболочку, в сферически симметричном пространстве-времени с исчезающим радиальным давлением». Классическая и квантовая гравитация . 16 (8): 2785– 2796. arXiv : gr-qc/9904073 . doi :10.1088/0264-9381/16/8/315. ISSN  0264-9381.
    • Джоши, PS; Двиведи, IH (январь 1999). «Начальные данные и конечное состояние сферически симметричного гравитационного коллапса». Классическая и квантовая гравитация . 16 (1): 41. arXiv : gr-qc/9804075 . doi :10.1088/0264-9381/16/1/003. ISSN  0264-9381.
    • Jhingan, S.; Magli, G. (2000-05-09). "Черные дыры против голых сингулярностей, образующихся в коллапсирующих скоплениях Эйнштейна". Physical Review D. 61 ( 12): 124006. arXiv : gr-qc/9902041 . doi :10.1103/physrevd.61.124006. ISSN  0556-2821.
    • Gonçalves, Sérgio MCV; Jhingan, Sanjay (декабрь 2001 г.). «Сингулярности в гравитационном коллапсе с радиальным давлением». Общая теория относительности и гравитация . 33 (12): 2125– 2149. arXiv : gr-qc/0107054 . doi :10.1023/a:1015285531320. ISSN  0001-7701.
    • Харада, Т.; Игучи, Х.; Накао, К.-И. (2002-03-01). «Физические процессы в формировании голой сингулярности». Progress of Theoretical Physics . 107 (3): 449– 524. arXiv : gr-qc/0204008 . doi : 10.1143/ptp.107.449 . ISSN  0033-068X.
    • Джамбо, Роберто; Джаннони, Фабио; Мальи, Джулио; Пиччоне, Паоло (апрель 2003 г.). «Новые решения уравнений Эйнштейна в сферической симметрии: космический цензор в суде». Сообщения по математической физике . 235 (3): 545– 563. arXiv : gr-qc/0204030 . doi :10.1007/s00220-003-0793-9. ISSN  0010-3616.
    • Giambò, Roberto; Giannoni, Fabio; Magli, Giulio; Piccione, Paolo (июнь 2004 г.). «Образование голых сингулярностей 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.
  10. ^ Crew, Bec (23 мая 2017 г.). «Голые сингулярности могут существовать в трехмерной Вселенной, предсказывают физики». ScienceAlert . Получено 2020-09-02 .
  11. ^ Гарфинкл, Дэвид (1997). «Шкала Чоптуика и масштабная инвариантность уравнения Эйнштейна». Phys. Rev. D. 56 ( 6): R3169 – R3173 . arXiv : gr-qc/9612015 . Bibcode : 1997PhRvD..56.3169G. doi : 10.1103/PhysRevD.56.R3169.
  12. ^ Чакраборти, К.; Бхаттачарья, С. (2024-06-05). «Голые сингулярности околосолнечной и субсолнечной массы и черные дыры от трансмутации белых карликов». Журнал космологии и астрочастичной физики . 2024 (6): 007. arXiv : 2401.08462 . doi : 10.1088/1475-7516/2024/06/007.
  13. ^ Чакраборти, К.; Бхаттачарья, С.; Джоши, П.С. (2024-07-22). «Голые сингулярности малой массы из-за коллапса темного ядра». Журнал космологии и астрочастичной физики . 2024 (7): 053. arXiv : 2405.08758 . doi : 10.1088/1475-7516/2024/07/053.
  14. ^ Чакраборти, К.; Кочерлакота, П.; Джоши, П.С. (2017-02-06). «Прецессия спина в черной дыре и голая сингулярность пространства-времени». Physical Review D. 95 ( 4): 044006. arXiv : 1605.00600 . doi : 10.1103/PhysRevD.95.044006.
  15. ^ Чакраборти, К.; Кочерлакота, П.; Патил, М.; Бхаттачарья, С.; Джоши, П. С.; Кролак, А. (2017-04-12). «Различение голых сингулярностей Керра и черных дыр с использованием прецессии спина тестового гироскопа в сильных гравитационных полях». Physical Review D. 95 ( 8): 084024. arXiv : 1611.08808 . doi : 10.1103/PhysRevD.95.084024.
  16. ^ D.Christodoulou (1994). «Примеры образования голой сингулярности при гравитационном коллапсе скалярного поля». Ann. Math . 140 (3): 607– 653. doi :10.2307/2118619. JSTOR  2118619.
  17. ^ D. Christodoulou (1999). «Неустойчивость голых сингулярностей в гравитационном коллапсе скалярного поля». Ann. Math . 149 (1): 183–217 . arXiv : math/9901147 . doi :10.2307/121023. JSTOR  121023. S2CID  8930550.
  18. ^ Хобсон и др., Общая теория относительности: введение для физиков , Cambridge University Press, 2007, стр. 300-305
  19. ^ Хобсон и др., Общая теория относительности: введение для физиков , Cambridge University Press, 2007, стр. 320-325
  20. ^ Баттерсби, Стивен (1 октября 2007 г.). «Скрывается ли в нашей галактике „голая сингулярность“?». New Scientist . Получено 06.03.2008 .
  21. ^ Преториус, Франс (2016-05-31). "Точка зрения: теория относительности проходит тщательную проверку LIGO". Physics . 9 : 52. doi : 10.1103/Physics.9.52 .
  22. ↑ M. Bojowald, Living Rev. Rel. 8, (2005), 11 Архивировано 21 декабря 2015 г. на Wayback Machine
  23. ^ 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.
  24. ^ Госвами, Ритупарно; Джоши, Панкадж С.; Сингх, Парамприт (27.01.2006). «Квантовое испарение голой сингулярности». Physical Review Letters . 96 (3): 031302. arXiv : gr-qc/0506129 . Bibcode : 2006PhRvL..96c1302G. doi : 10.1103/physrevlett.96.031302. ISSN  0031-9007. PMID  16486681. S2CID  19851285.
  25. ^ Эрдли, Дуглас М.; Смарр, Ларри (1979-04-15). «Временные функции в численной теории относительности: коллапс ограниченной пыли». Physical Review D. 19 ( 8). Американское физическое общество (APS): 2239–2259 . Bibcode : 1979PhRvD..19.2239E. doi : 10.1103/physrevd.19.2239. ISSN  0556-2821.
  26. ^ Królak, Andrzej (1999). «Природа сингулярностей в гравитационном коллапсе». Progress of Theoretical Physics Supplement . 136 : 45–56 . arXiv : gr-qc/9910108 . Bibcode : 1999PThPS.136...45K. doi : 10.1143/ptps.136.45 . ISSN  0375-9687.

Дальнейшее чтение

  • Вернер, MC; Петтерс, AO (2007-09-24). "Соотношения увеличения для линзирования Керра и тестирование космической цензуры". Physical Review D. 76 ( 6): 064024. arXiv : 0706.0132v2 . Bibcode : 2007PhRvD..76f4024W. doi : 10.1103/physrevd.76.064024. ISSN  1550-7998. S2CID  119647924.
  • Панкадж С. Джоши, «Нарушают ли голые сингулярности правила физики?», Scientific American , январь 2009 г.
  • Маркус Чоун, «Быстро вращающиеся черные дыры могут раскрыть все», New Scientist , август 2009 г.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Голая_сингулярность&oldid=1271471821"