Обнаженная особенность - Naked singularity

Для романа см. Обнаженная сингулярность.

В общая теория относительности, а голая особенность это гипотетический гравитационная сингулярность без горизонт событий. В черная дыра, особенность полностью ограничена границей, известной как горизонт событий, внутри которого 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 на бесконечная плотность. Это также вызовет фундаментальные проблемы для общей теории относительности, потому что общая теория относительности не может делать прогнозов относительно будущей эволюции пространство-время возле особенности. В обычных черных дырах это не проблема, поскольку сторонний наблюдатель не может наблюдать пространство-время в пределах горизонта событий.

Голые особенности в природе не наблюдались. Астрономические наблюдения черные дыры указывают на то, что их скорость вращения падает ниже порога, чтобы создать голую сингулярность (параметр спина 1). GRS 1915 + 105 подходит ближе всего к пределу, с параметром вращения 0,82–1,00.^[1]

Согласно гипотеза космической цензуры, гравитационные сингулярности могут не наблюдаться. Если петля квантовой гравитации правильно, в природе возможны голые особенности.

Прогнозируемое образование

Из концепций, взятых из вращающиеся черные дыры, показано, что быстро вращающаяся особенность может превратиться в объект кольцевой формы. Это приводит к двум горизонтам событий, а также эргосфера, которые сближаются по мере увеличения спина 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. Исследования пульсары^[2] и некоторые компьютерные симуляции (Choptuik, 1997).^[3]

Математик Деметриос Христодулу, победитель Приз Шоу, показал, что вопреки тому, что ожидалось, также имеют место особенности, которые не скрыты в черной дыре.^[4] Однако затем он показал, что такие «голые особенности» нестабильны.^[5]

Метрики

Трассировка лучей изображение гипотетической обнаженной сингулярности перед Млечный Путь фон. Параметры особенности: M = 1, a² + Q² = 2M². Сингулярность видна из ее экваториальной плоскости под углом θ = 90 ° (кромка включена).

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 высока, горизонты событий могут исчезнуть. Преобразование метрики Керра в Координаты Бойера – Линдквиста, это можно показать^[6] что ${displaystyle r}$ координата (которая не является радиусом) горизонта событий равна

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

куда ${displaystyle mu =GM/c^{2}}$, и ${displaystyle a=J/Mc}$. В этом случае «горизонты событий исчезают» означает, что решения сложны для ${displaystyle r_{pm }}$, или же ${displaystyle mu ^{2}<a^{2}}$. Однако это соответствует случаю, когда ${displaystyle J}$ превышает ${displaystyle GM^{2}/c}$ (или в Планковские единицы, ${displaystyle J>M^{2}}$), то есть спин превышает то, что обычно рассматривается как верхний предел его физически возможных значений.

Исчезающие горизонты событий также можно увидеть с помощью Рейсснер-Нордстрём геометрия заряженной черной дыры. В этой метрике можно показать^[7] что горизонты встречаются на

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

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

Видеть Метрика Керра – Ньюмана для вращающейся заряженной кольцевой особенности.

Последствия

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 какого-либо горизонта событий голые сингулярности действительно могут излучать свет.^[8]

Гипотеза космической цензуры

Гипотеза космической цензуры гласит, что гравитационная сингулярность останется скрытой горизонтом событий. LIGO события, в том числе GW150914, согласуются с этими прогнозами. Хотя аномалии данных могли бы привести к сингулярности, природа этих аномалий остается неизвестной.^[9]

Некоторые исследования показали, что если петлевая квантовая гравитация верна, то в природе могут существовать голые сингулярности.^[10][11][12] подразумевая, что гипотеза космической цензуры не верна. Численные расчеты^[13] и некоторые другие аргументы^[14] также намекнули на эту возможность.

В художественной литературе

• М. Джон Харрисон с Урочище Кефахучи трилогия научная фантастика романы (Свет, Нова Свинг и Пустое место ) сосредоточены на исследовании человечеством обнаженной сингулярности.
• "Dark Peril" автор: Джеймс С. Гласс (опубликовано в Аналоговый Март 2005 г.) - это рассказ о космических путешественниках в исследовательской миссии. 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 в ловушке эргосфера из черная дыра или голая особенность. История описывает скопление из множества черных дыр или сингулярностей и то, что делает команда, чтобы выжить в этой, казалось бы, неизбежной ситуации.
• Стивен Бакстер с Xeelee последовательность особенности Xeelee, которые создают массивное кольцо, создающее голую сингулярность. Он используется для путешествия в другую вселенную.
• В серии под названием "Рассвет ", финал переосмысленного телесериала 2004 года. Battlestar Galactica, колония Сайлонов вращается вокруг голой сингулярности.
• Спящий Бог в Питер Гамильтон с Трилогия ночного рассвета считается голой сингулярностью.
• В Кристофер Нолан с Межзвездный несуществование голой сингулярности мешает человечеству завершить теорию квантовая гравитация из-за недоступности экспериментальных данных изнутри горизонт событий.
• в Японская анимация Кружек ворота, голая сингулярность используется для сжатия оцифрованных воспоминаний главного героя до меньшего размера, чтобы затем отправить их назад во времени с помощью импровизированной «машины скачка во времени».
• В Вонда Макинтайр 1981 год Звездный путь Роман, Эффект энтропии, обнаженная сингулярность оказывается побочным эффектом путешествие во времени экспериментирование и угрожает разрушить Вселенную, если эксперименты с путешествиями во времени не будут остановлены до их начала.

Смотрите также

• Электрон черной дыры
• Гравитационная сингулярность
• Кольцевая особенность

Рекомендации

1. Жанна Брюн. «Нажимая границы: черные дыры вращаются с феноменальной скоростью». space.com. Получено 2017-11-25.
2. Экипаж, Бек. «Голые сингулярности действительно могут существовать в трехмерной Вселенной, предсказывают физики». ScienceAlert. Получено 2020-09-02.
3. Гарфинкль, Дэвид (1997). «Масштаб Чоптуика и масштабная инвариантность уравнения Эйнштейна». Phys. Ред. D. 56 (6): R3169 – R3173. arXiv:gr-qc / 9612015. Bibcode:1997ПхРвД..56.3169Г. Дои:10.1103 / PhysRevD.56.R3169.
4. Д. Кристодулу (1994). «Примеры образования голой сингулярности при гравитационном коллапсе скалярного поля». Анна. Математика. 140 (3): 607–653. Дои:10.2307/2118619. JSTOR  2118619.
5. Д. Христодулу (1999). «Неустойчивость голых особенностей при гравитационном коллапсе скалярного поля». Анна. Математика. 149 (1): 183–217. arXiv:математика / 9901147. Дои:10.2307/121023. JSTOR  121023. S2CID  8930550.
6. Хобсон и др., Общая теория относительности - введение для физиков, Cambridge University Press 2007, стр. 300-305
7. Хобсон и др., Общая теория относительности - введение для физиков, Cambridge University Press 2007, стр. 320-325
8. Баттерсби, Стивен (1 октября 2007 г.). «Неужели в нашей галактике скрывается« голая сингулярность »?». Новый ученый. Получено 2008-03-06.
9. Преториус, Франс (31 мая 2016 г.). "Точка зрения: теория относительности подвергается тщательной проверке со стороны LIGO". Физика. 9. Дои:10.1103 / Физика.9.52.
10. М. Бойовальд, Living Rev. Rel. 8, (2005), 11 В архиве 2015-12-21 в Wayback Machine
11. 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. Bibcode:2007ПхРвД..76х4026Г. Дои:10.1103 / Physrevd.76.084026. ISSN  1550-7998. S2CID  119441682.
12. Госвами, Ритупарно; Joshi, Pankaj S .; Сингх, Парамприт (27 января 2006 г.). «Квантовое испарение голой сингулярности». Письма с физическими проверками. 96 (3): 031302. arXiv:gr-qc / 0506129. Bibcode:2006PhRvL..96c1302G. Дои:10.1103 / Physrevlett.96.031302. ISSN  0031-9007. PMID  16486681. S2CID  19851285.
13. Eardley, Douglas M .; Смарр, Ларри (1979-04-15). «Функции времени в численной теории относительности: коллапс маргинально связанной пыли». Физический обзор D. Американское физическое общество (APS). 19 (8): 2239–2259. Bibcode:1979ПхРвД..19.2239Э. Дои:10.1103 / Physrevd.19.2239. ISSN  0556-2821.
14. Кролак, Анджей (1999). «Природа особенностей в гравитационном коллапсе». Приложение "Прогресс теоретической физики". 136: 45–56. arXiv:gr-qc / 9910108. Bibcode:1999PThPS.136 ... 45K. Дои:10.1143 / птпс.136.45. ISSN  0375-9687.

дальнейшее чтение

• Werner, M. C .; Петтерс, А. О. (24 сентября 2007 г.). «Отношения увеличения для линзирования Керра и проверки космической цензуры». Физический обзор D. 76 (6): 064024. arXiv:0706.0132v2. Bibcode:2007PhRvD..76f4024W. Дои: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» Новый ученый, Август 2009 г.