Naga osobliwość - Naked singularity

W ogólnej teorii względności , o naga osobliwość jest hipotetyczny osobliwość grawitacyjne bez horyzontu zdarzeń . W czarnej dziurze osobliwość jest całkowicie zamknięta przez granicę zwaną horyzontem zdarzeń , wewnątrz której siła grawitacyjna osobliwości jest tak silna, że światło nie może uciec. Stąd obiekty wewnątrz horyzontu zdarzeń — w tym sama osobliwość — nie mogą być bezpośrednio obserwowane. Natomiast naga osobliwość byłaby widoczna z zewnątrz.

Teoretyczne istnienie nagich osobliwości jest ważne, ponieważ ich istnienie oznaczałoby możliwość zaobserwowania zapadania się obiektu do nieskończonej gęstości . Spowodowałoby to również fundamentalne problemy dla ogólnej teorii względności, ponieważ ogólna teoria względności nie może przewidywać ewolucji czasoprzestrzeni w pobliżu osobliwości. W ogólnych czarnych dziurach nie stanowi to problemu, ponieważ obserwator z zewnątrz nie może obserwować czasoprzestrzeni w horyzoncie zdarzeń.

Nagich osobliwości nie zaobserwowano w przyrodzie. Astronomiczne obserwacje czarnych dziur wskazują, że ich prędkość rotacji spada poniżej progu powodującego nagą osobliwość (parametr spinu 1). GRS 1915+105 zbliża się do limitu, z parametrem wirowania wynoszącym 0,82-1,00.

Zgodnie z hipotezą kosmicznej cenzury osobliwości grawitacyjne mogą nie być obserwowalne. Jeśli pętlowa grawitacja kwantowa jest prawidłowa, w naturze możliwe są nagie osobliwości.

Przewidywana formacja

Z koncepcji zaczerpniętych z obracających się czarnych dziur wynika, że osobliwość, szybko obracająca się, może stać się obiektem w kształcie pierścienia. Skutkuje to dwoma horyzontami zdarzeń, a także ergosferą , które zbliżają się do siebie wraz ze wzrostem wirowania osobliwości. Kiedy zewnętrzne i wewnętrzne horyzonty zdarzeń łączą się, kurczą się w kierunku obracającej się osobliwości i ostatecznie odsłaniają ją na resztę wszechświata.

Dostatecznie szybko obracająca się osobliwość może powstać w wyniku zapadnięcia się pyłu lub supernowej szybko wirującej gwiazdy. Przeprowadzono badania pulsarów i niektóre symulacje komputerowe ( Coptuik , 1997).

Matematyk Demetrios Christodoulou , zdobywca nagrody Shawa , wykazał, że wbrew oczekiwaniom zdarzają się również osobliwości, które nie są ukryte w czarnej dziurze. Wykazał jednak, że takie „nagie osobliwości” są niestabilne.

Metryka

Śledzony promieniami obraz hipotetycznej nagiej osobliwości na tle Drogi Mlecznej . Parametry osobliwości to M=1, a²+Q²=2M². Osobliwość jest oglądana z płaszczyzny równikowej przy θ=90° (krawędź włączona).

Porównanie z ekstremalną czarną dziurą z M=1, a²+Q²=1M².

Znikające horyzonty zdarzeń istnieją w metryce Kerra , która jest wirującą czarną dziurą w próżni. W szczególności, jeśli moment pędu jest wystarczająco wysoki, horyzonty zdarzeń mogą zniknąć. Przekształcając metrykę Kerra do współrzędnych Boyera-Lindquista , można wykazać, że współrzędna (która nie jest promieniem) horyzontu zdarzeń jest ${\ Displaystyle r}$

{\ Displaystyle R_ {\ pm} = \ mu \ pm (\ mu ^ {2}-a ^ {2}) ^ {1/2},}

gdzie , i . W tym przypadku „znikają horyzonty zdarzeń” oznacza, że rozwiązania są złożone dla , lub . Odpowiada to jednak przypadkowi, w którym przekracza (lub w jednostkach Plancka , ) , tj. spin przekracza to, co zwykle uważa się za górną granicę jego fizycznie możliwych wartości. ${\ Displaystyle \ mu = GM/c ^ {2}}$ ${\ Displaystyle a = J/Mc}$ $r_{\pm}$ ${\ Displaystyle \ mu ^ {2} <a ^ {2}}$ ${\ Displaystyle J}$ ${\ Displaystyle GM ^ {2}/c}$ ${\ Displaystyle J> M ^ {2}}$

Znikające horyzonty zdarzeń można również zaobserwować w geometrii naładowanej czarnej dziury Reissnera-Nordströma . W tej metryce można wykazać, że horyzonty występują przy

{\ Displaystyle R_ {\ pm} = \ mu \ pm (\ mu ^ {2}-q ^ {2}) ^ {1/2},}

gdzie , i . Spośród trzech możliwych przypadków dla względnych wartości i , przypadek, w którym powoduje, że oba są złożone. Oznacza to, że metryka jest regularna dla wszystkich dodatnich wartości , lub innymi słowy, osobliwość nie ma horyzontu zdarzeń. Odpowiada to jednak przypadkowi, w którym przekracza (lub w jednostkach Plancka ) , tj. ładunek przekracza to, co zwykle uważa się za górną granicę jego fizycznie możliwych wartości. ${\ Displaystyle \ mu = GM/c ^ {2}}$ ${\ Displaystyle q ^ {2} = GQ ^ {2} / (4 \ pi \ varepsilon _ {0}c ^ {4})}$ ${\ Displaystyle \ mu}$ $q$ $\mu ^{2}<q^{2}$ $r_{\pm}$ ${\ Displaystyle r}$ ${\ Displaystyle Q/{\ sqrt {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}}}$ ${\ Displaystyle M {\ sqrt {G}}}$ $Q>M$

Zobacz metrykę Kerra-Newmana dla wirującej, naładowanej osobliwości pierścienia.

Efekty

Naga osobliwość mogłaby pozwolić naukowcom na obserwację nieskończenie gęstego materiału, co w normalnych warunkach byłoby niemożliwe zgodnie z hipotezą kosmicznej cenzury. Niektórzy spekulują, że bez jakiegokolwiek horyzontu zdarzeń nagie osobliwości mogą faktycznie emitować światło.

Hipoteza kosmicznej cenzury

Hipoteza kosmicznej cenzury mówi, że grawitacyjna osobliwość pozostanie ukryta w horyzoncie zdarzeń. Zdarzenia LIGO , w tym GW150914 , są zgodne z tymi przewidywaniami. Chociaż anomalie danych spowodowałyby wystąpienie osobliwości, charakter tych anomalii pozostaje nieznany.

Niektóre badania sugerują, że jeśli pętla grawitacji kwantowej jest prawidłowa, to nagie osobliwości mogą istnieć w przyrodzie, co sugeruje, że hipoteza kosmicznej cenzury nie jest słuszna. Obliczenia numeryczne i niektóre inne argumenty również wskazują na taką możliwość.

W fikcji

M. John Harrison „s Kefahuchi Tract trylogia science fiction, powieści ( światło , Nova Swing i pusta przestrzeń ) Centrum na poszukiwania ludzkości nagiej osobliwości.
„Dark Peril” Jamesa C. Glassa (opublikowany w Analog March 2005) to opowieść o kosmicznych podróżnikach w misji rozpoznawczej. Podczas badania dziwnego zjawiska kosmologicznego ich dwa małe statki kosmiczne zaczynają się trząść i nie są w stanie opuścić obszaru. Jeden z członków załogi zdaje sobie sprawę, że są one uwięzione w ergoobszar z czarnej dziury lub naga osobliwość. Historia opisuje skupisko wielu czarnych dziur lub osobliwości oraz to, co robi załoga, aby przetrwać tę pozornie nieuniknioną sytuację.
Stephen Baxter „s Xeelee Sequence rysy Xeelee, który tworzy masywny pierścień, który wytwarza naga osobliwość. Służy do podróży do innego wszechświata.
W odcinku zatytułowanym „ Świat ”, finale zrewidowanego serialu telewizyjnego z 2004 roku Battlestar Galactica , kolonia Cylonów krąży wokół nagiej osobliwości.
Śpiący Bóg w trylogii „ Nocny świt ” Petera Hamiltona uważany jest za nagą osobliwość.
W Christopher Nolan jest Międzygwiezdnej nieistnienie nagiego utrudnia osobliwości człowieka ukończenie teorię kwantów wagę ze względu na trudny dostęp do danych doświadczalnych z wnętrza horyzontu zdarzeń .
W powieści wizualnej Steins;Gate naga osobliwość jest wykorzystywana do kompresji zdigitalizowanych wspomnień bohatera do mniejszych rozmiarów, a następnie przesłania ich w czasie za pomocą zaimprowizowanej „maszyny do przeskoków w czasie”.
W powieści Vonda McIntyre o Star Trek z 1981 roku, Efekt entropii , naga osobliwość okazuje się być efektem ubocznym eksperymentów z podróżami w czasie i grozi zniszczeniem wszechświata, jeśli eksperymenty z podróżami w czasie nie zostaną przerwane przed ich rozpoczęciem.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Werner, MC; Petters, AO (2007-09-24). „Relacje powiększenia dla soczewkowania Kerra i testowania kosmicznej cenzury”. Przegląd fizyczny D . 76 (6): 064024. arXiv : 0706.0132v2 . Kod bib : 2007PhRvD..76f4024W . doi : 10.1103/physrevd.76.064024 . ISSN 1550-7998 . S2CID 119647924 .
Pankaj S. Joshi, „Czy nagie osobliwości łamią zasady fizyki?” , Scientific American , styczeń 2009.
Marcus Chown, „Szybko wirujące czarne dziury mogą ujawnić wszystko” New Scientist , sierpień 2009.

Languages

In other projects