Голая сингулярность
Голая сингулярность (англ. Naked singularity) — гипотетическое понятие общей теории относительности (ОТО), обозначающее гравитационную сингулярность без горизонта событий. В классической чёрной дыре в сингулярности сила гравитации настолько велика, что свет не может покинуть горизонт событий и, таким образом, объекты внутри горизонта событий, включая саму чёрную дыру, не могут наблюдаться непосредственно. Голая сингулярность, в случае её существования, наоборот, может наблюдаться извне.
Теоретическое доказательство существования голых сингулярностей имеет большое значение, поскольку оно означает, что в принципе возможно наблюдение сжатия объекта до бесконечной плотности. Это способствовало бы также разрешению основополагающих проблем ОТО, поскольку ОТО не может делать прогнозы о будущей эволюции пространства-времени вблизи сингулярности. В случае «обычных» чёрных дыр, это не является проблемой, так как внешний наблюдатель не может наблюдать пространство-время внутри горизонта событий.
Некоторые исследования (2005) показывают, что если верна теория петлевой квантовой гравитации, то голые сингулярности могут существовать в природе[1][2][3]при допущении, что принцип космической цензуры не выполняется. Численные расчёты[4] и некоторые другие аргументы[5] также указывают на такую возможность.
К настоящему времени голые сингулярности не обнаружены.
Гипотеза возникновения
[править | править код]В концепции вращающихся чёрных дыр показано, что быстро вращающаяся сингулярность может стать кольцеобразным объектом. Это приводит к появлению двух горизонтов событий, а также эргосферы, которые сближаются по мере того, как спин сингулярности возрастает. При слиянии внешнего и внутреннего горизонтов событий, они сжимаются к вращающейся сингулярности и в конце концов отгораживают остальную Вселенную.
Достаточно быстро вращающаяся сингулярность может возникнуть в результате коллапса пыли или сверхновой звезды.
Голая сингулярность является примером математической сложности (сжатие до бесконечной плотности), который демонстрирует более глубокую проблему в понимании этого физического процесса. Приемлемое решение данной проблемы должна помочь найти пока ещё не разработанная функциональная теория квантовой гравитации.
Метрики
[править | править код]Исчезновение горизонта событий существует в метрике Керра, которая описывает вращающуюся чёрную дыру в вакууме. В частности, если её момент импульса достаточно велик, горизонт событий исчезнет. Преобразовав метрику Керра в координаты Бойера-Линдквиста[англ.], можно показать[6], что координата (которая не является радиусом) горизонта событий
,
где , и . В этом случае, «исчезновение горизонта событий» означает, что решения являются комплексными для , или .
Исчезновение горизонта событий также можно увидеть в метрике Райсснера-Нордстрема[англ.] для заряженной чёрной дыры. В этой метрике можно показать[7], что сингулярность возникает при
,
где , и . Из трёх возможных случаев для относительных значений и , в случае где , оба значения являются комплексными. Это означает, что метрика является регулярной для всех положительных значений , или, другими словами, сингулярность не имеет горизонта событий.
Эффекты
[править | править код]Наличие голой сингулярности позволит учёным наблюдать сжатие объекта до бесконечной плотности, которое при нормальных обстоятельствах невозможно. По ряду оценок, отсутствие горизонта событий позволит голым сингулярностям излучать свет[8]. В то же время, принцип космической цензуры, сформулированный в 1970 году Роджером Пенроузом, утверждает, что голая сингулярность не может возникнуть в нашей Вселенной при реальных начальных условиях.
В научной фантастике
[править | править код]- Научно-фантастическая трилогия Майкла Харрисона[англ.] (Свет[англ.], Новый размах[англ.] и Пустое пространство) посвящена исследованиям голой сингулярности.
- «Темная опасность» Джеймса Гласса (опубликовано в журнале Astounding Science Fiction, март 2005 г.) описывает ситуацию, когда экипаж космического корабля попадает в эргосферу чёрной дыры или сингулярности, и каким образом он выбирается из этой, казалось бы, безвыходной ситуации.
- В серии космических опер «Xeelee Sequence» Стивена Бакстера описано массивное кольцо, которое создаёт голую сингулярность. Она используется героями опер для перемещения в другую вселенную.
- В американском фантастическом телесериале Звёздный крейсер «Галактика» в эпизоде под названием «Daybreak» (2004) колония Сайлон вращается по орбите вокруг голой сингулярности.
- В трилогии Питера Гамильтона «Рассвет» (англ. The Night's Dawn) «спящий бог», по-видимому, является голой сингулярностью.
- В компьютерной игре «Космическая станция 13» двигатели станции вырабатывают энергию за счет маленькой голой сингулярности.
См. также
[править | править код]Примечания
[править | править код]- ↑ M. Bojowald, Living Rev. Rel. 8, (2005), 11 Архивировано 21 декабря 2015 года.
- ↑ R. Goswami & P. Joshi, Phys. Rev. D, (2008) Архивная копия от 1 августа 2020 на Wayback Machine
- ↑ R. Goswami, P. Joshi, & P. Singh, Phys. Rev. Letters, (2006), 96 Архивная копия от 1 августа 2020 на Wayback Machine
- ↑ D. Eardley & L. Smarr, Phys. Rev. D., (1979), 19 Архивная копия от 7 июня 2020 на Wayback Machine
- ↑ A. Krolak, Prog. Theor. Phys. Supp., (1999) 136, 45 Архивная копия от 2 октября 2011 на Wayback Machine
- ↑ Hobson, et. al, General Relativity an Introduction for Physicists, Cambridge University Press 2007, p. 300—305
- ↑ Hobson, et. al, General Relativity an Introduction for Physicists, Cambridge University Press 2007, p. 320—325
- ↑ Stephen Battersby (2007-10-01). "Is a 'naked singularity' lurking in our galaxy?". New Scientist. Архивировано 30 августа 2008. Дата обращения: 6 марта 2008.
Литература
[править | править код]- M. C. Werner and A. O. Peters, «Magnification relations for Kerr lensing and testing cosmic censorship», Physical Review D, Vol. 76, Issue 6 (2007).
- Pankaj S. Joshi, «Do Naked Singularities Break the Rules of Physics?» Архивировано 25 мая 2012 года., Scientific American, January 2009.
- Marcus Chown, «Fast-spinning black holes might reveal all» New Scientist, August 2009.
Ссылки
[править | править код]- Существование голых сингулярностей в черных дырах ставит под сомнение сильный принцип космической цензуры // Science Alert на Лента. Ру, март 2018