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 расчеты^[4] и некоторые другие аргументы^[5] также указывают на такую возможность.

К настоящему времени голые сингулярности не обнаружены.

Гипотеза возникновения

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. Работоспособная теория квантовой гравитации должна найти приемлемое решение данной проблемы.

Метрики

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^[en], можно показать^[6], что координата ${\displaystyle r}$ (которая не является радиусом) горизонта событий

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

где ${\displaystyle \mu =GM/c^{2}}$, и ${\displaystyle a=J/Mc}$. В этом случае, «исчезновение горизонта событий» означает, что решения являются комплексными для ${\displaystyle r_{\pm }}$, или ${\displaystyle \mu ^{2}<a^{2}}$.

Исчезновение горизонта событий также можно увидеть в метрике Райсснера-Нордстрема^[en] для заряженной чёрной дыры. В этой метрике можно показать^[7], что сингулярность возникает при

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

где ${\displaystyle \mu =GM/c^{2}}$, и ${\displaystyle q=GQ^{2}/(4\pi \epsilon _{0}c^{4})}$. Из трёх возможных случаев для относительных значений ${\displaystyle \mu }$ и ${\displaystyle q}$, в случае где ${\displaystyle \mu ^{2}<q^{2}}$, оба значения ${\displaystyle r_{\pm }}$ являются комплексными. Это означает, что метрика является регулярной для всех положительных значений ${\displaystyle r}$, или, другими словами, сингулярность не имеет горизонта событий.

Эффекты

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 1969 году Роджером Пенроузом, утверждает, что голая сингулярность не может возникнуть в нашей Вселенной при реальных начальных условиях.

В научной фантастике

• Научно-фантастическая трилогия Майкла Харрисона^[en] (Свет^[en], Новый размах^[en] 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.
• В фильме «Интерстеллар» (2014) Купер и ТАРС ищут внутри Гаргантюа (сверхмассивная вращающаяся чёрная дыра с голой сингулярностью) квантовые данные.

См. также

• Кольцеобразная сингулярность

Примечания

Литература

• 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?», Scientific American, January 2009.
• Marcus Chown, «Fast-spinning black holes might reveal all» New Scientist, August 2009.

Ссылки

• Существование голых сингулярностей в черных дырах ставит под сомнение сильный принцип космической цензуры // Science Alert на Лента. Ру, март 2018