En la relatividad general , una singularidad desnuda es una hipotética singularidad gravitacional sin un horizonte de eventos . En un agujero negro , la singularidad está completamente encerrada por un límite conocido como horizonte de eventos , dentro del cual la fuerza gravitacional de la singularidad es tan fuerte que la luz no puede escapar. Por lo tanto, los objetos dentro del horizonte de eventos, incluida la singularidad misma, no pueden observarse directamente. Una singularidad desnuda, por el contrario, sería observable desde el exterior.
La existencia teórica de singularidades desnudas es importante porque su existencia significaría que sería posible observar el colapso de un objeto a una densidad infinita . También causaría problemas fundamentales para la relatividad general, porque la relatividad general no puede hacer predicciones sobre la evolución del espacio-tiempo cerca de una singularidad. En los agujeros negros genéricos, esto no es un problema, ya que un espectador externo no puede observar el espacio-tiempo dentro del horizonte de eventos.
No se han observado singularidades desnudas en la naturaleza. Las observaciones astronómicas de los agujeros negros indican que su tasa de rotación cae por debajo del umbral para producir una singularidad desnuda (parámetro de giro 1). GRS 1915 + 105 se acerca más al límite, con un parámetro de giro de 0.82-1.00. [1]
Según la hipótesis de la censura cósmica , las singularidades gravitacionales pueden no ser observables. Si la gravedad cuántica de bucles es correcta, las singularidades desnudas pueden ser posibles en la naturaleza.
Formación prevista
A partir de conceptos extraídos de agujeros negros en rotación , se muestra que una singularidad, girando rápidamente, puede convertirse en un objeto en forma de anillo. Esto da como resultado dos horizontes de eventos, así como una ergosfera , que se acercan a medida que aumenta el giro de la singularidad. Cuando los horizontes de eventos externos e internos se fusionan, se encogen hacia la singularidad giratoria y finalmente la exponen al resto del universo.
Una singularidad que gira lo suficientemente rápido podría ser creada por el colapso del polvo o por una supernova de una estrella que gira rápidamente. Se han realizado estudios de púlsares [2] y algunas simulaciones por ordenador ( Choptuik , 1997). [3]
El matemático Demetrios Christodoulou , ganador del premio Shaw , ha demostrado que, contrariamente a lo esperado, también ocurren singularidades que no están ocultas en un agujero negro. [4] Sin embargo, luego mostró que tales "singularidades desnudas" son inestables. [5]
Métrica
Los horizontes de eventos que desaparecen existen en la métrica de Kerr , que es un agujero negro giratorio en el vacío. Específicamente, si el momento angular es lo suficientemente alto, los horizontes de eventos podrían desaparecer. Transformando la métrica de Kerr en coordenadas de Boyer-Lindquist , se puede mostrar [6] que el La coordenada (que no es el radio) del horizonte de eventos es
dónde , y . En este caso, "los horizontes de eventos desaparecen" significa cuando las soluciones son complejas para, o . Sin embargo, esto corresponde a un caso en el que excede (o en unidades Planck ,) , es decir, el giro excede lo que normalmente se considera el límite superior de sus valores físicamente posibles.
Los horizontes de eventos que desaparecen también se pueden ver con la geometría Reissner-Nordström de un agujero negro cargado. En esta métrica, se puede demostrar [7] que los horizontes ocurren en
dónde , y . De los tres casos posibles para los valores relativos de y , el caso donde causa ambos ser complejo. Esto significa que la métrica es regular para todos los valores positivos de, o en otras palabras, la singularidad no tiene horizonte de eventos. Sin embargo, esto corresponde a un caso en el que excede (o en unidades Planck, ) , es decir, la carga excede lo que normalmente se considera el límite superior de sus valores físicamente posibles.
Consulte la métrica de Kerr-Newman para ver una singularidad de anillo cargado y giratorio.
Efectos
Una singularidad desnuda podría permitir a los científicos observar un material infinitamente denso, lo que en circunstancias normales sería imposible según la hipótesis de la censura cósmica. Sin un horizonte de eventos de ningún tipo, algunos especulan que las singularidades desnudas podrían en realidad emitir luz. [8]
Hipótesis de la censura cósmica
La hipótesis de la censura cósmica dice que una singularidad gravitacional permanecería oculta por el horizonte de eventos. Los eventos LIGO , incluido GW150914 , son consistentes con estas predicciones. Aunque las anomalías en los datos habrían resultado en el caso de una singularidad, la naturaleza de esas anomalías sigue siendo desconocida. [9]
Algunas investigaciones han sugerido que si la gravedad cuántica de bucles es correcta, entonces podrían existir singularidades desnudas en la naturaleza, [10] [11] [12] lo que implica que la hipótesis de la censura cósmica no se sostiene. Los cálculos numéricos [13] y algunos otros argumentos [14] también han insinuado esta posibilidad.
En ficción
- La trilogía de novelas de ciencia ficción Kefahuchi Tract de M. John Harrison ( Light , Nova Swing y Empty Space ) se centra en la exploración de la humanidad de una singularidad desnuda.
- "Dark Peril" de James C. Glass (publicado en Analog en marzo de 2005), es una historia sobre viajeros espaciales en una misión exploratoria. Mientras investigan un extraño fenómeno cosmológico, sus dos pequeñas naves espaciales comienzan a temblar y no pueden abandonar el área. Un miembro de la tripulación se da cuenta de que están atrapados en la ergosfera de un agujero negro o una singularidad desnuda. La historia describe un grupo de múltiples agujeros negros o singularidades, y lo que hace la tripulación para tratar de sobrevivir a esta situación aparentemente ineludible.
- La secuencia Xeelee de Stephen Baxter presenta a los Xeelee, quienes crean un anillo masivo que produce una singularidad desnuda. Se utiliza para viajar a otro universo.
- En el episodio titulado " Daybreak ", el final de la serie de televisión Battlestar Galactica reinventado en 2004 , la colonia Cylon orbita una singularidad desnuda. [ cita requerida ]
- Se cree que el Dios durmiente en la trilogía The Night's Dawn de Peter Hamilton es una singularidad desnuda.
- En Interstellar de Christopher Nolan , la inexistencia de una singularidad desnuda impide a la humanidad completar una teoría de la gravedad cuántica debido a la inaccesibilidad de los datos experimentales del interior del horizonte de eventos .
- En la novela visual Steins; Gate , se utiliza una singularidad desnuda para comprimir los recuerdos digitalizados del protagonista en un tamaño más pequeño, para luego enviarlos atrás en el tiempo con una "máquina de salto en el tiempo" improvisada.
- En la novela de Star Trek de 1981 de Vonda McIntyre , El efecto de la entropía , se descubre que una singularidad desnuda es un efecto secundario de la experimentación del viaje en el tiempo y amenaza con destruir el universo si los experimentos de viaje en el tiempo no se detienen antes de comenzar.
Ver también
- Electrón de agujero negro
- Singularidad gravitacional
- Singularidad del anillo
Referencias
- ^ Jeanna Bryne. "Empujando el límite: agujero negro gira a un ritmo fenomenal" . space.com . Consultado el 25 de noviembre de 2017 .
- ^ Tripulación, Bec. "Las singularidades desnudas pueden existir realmente en un universo tridimensional, predicen los físicos" . ScienceAlert . Consultado el 2 de septiembre de 2020 .
- ^ Garfinkle, David (1997). "Escala de Choptuik y la invariancia de escala de la ecuación de Einstein". Phys. Rev. D . 56 (6): R3169 – R3173. arXiv : gr-qc / 9612015 . Código Bibliográfico : 1997PhRvD..56.3169G . doi : 10.1103 / PhysRevD.56.R3169 .
- ^ D. Christodoulou (1994). "Ejemplos de formación de singularidad desnuda en el colapso gravitacional de un campo escalar". Ana. Matemáticas . 140 (3): 607–653. doi : 10.2307 / 2118619 . JSTOR 2118619 .
- ^ D. Christodoulou (1999). "La inestabilidad de las singularidades desnudas en el colapso gravitacional de un campo escalar". Ana. Matemáticas . 149 (1): 183–217. arXiv : matemáticas / 9901147 . doi : 10.2307 / 121023 . JSTOR 121023 . S2CID 8930550 .
- ^ Hobson, et al., Relatividad general una introducción para físicos , Cambridge University Press 2007, p. 300-305
- ^ Hobson, et al., Relatividad general una introducción para físicos , Cambridge University Press 2007, p. 320-325
- ^ Battersby, Stephen (1 de octubre de 2007). "¿Hay una 'singularidad desnuda' acechando en nuestra galaxia?" . Nuevo científico . Consultado el 6 de marzo de 2008 .
- ^ Pretorius, Frans (31 de mayo de 2016). "Punto de vista: la relatividad obtiene una investigación exhaustiva de LIGO" . Física . 9 . doi : 10.1103 / Física.9.52 .
- ^ M. Bojowald, Rev. Viviente Rel. 8, (2005), 11 Archivado el 21 de diciembre de 2015 en la Wayback Machine.
- ^ Goswami, Rituparno; Joshi, Pankaj S. (22 de octubre de 2007). "Colapso gravitacional esférico en N dimensiones". Physical Review D . 76 (8): 084026. arXiv : gr-qc / 0608136 . Código Bibliográfico : 2007PhRvD..76h4026G . doi : 10.1103 / physrevd.76.084026 . ISSN 1550-7998 . S2CID 119441682 .
- ^ Goswami, Rituparno; Joshi, Pankaj S .; Singh, Parampreet (27 de enero de 2006). "Evaporación cuántica de una singularidad desnuda". Cartas de revisión física . 96 (3): 031302. arXiv : gr-qc / 0506129 . Código Bibliográfico : 2006PhRvL..96c1302G . doi : 10.1103 / physrevlett.96.031302 . ISSN 0031-9007 . PMID 16486681 . S2CID 19851285 .
- ^ Eardley, Douglas M .; Smarr, Larry (15 de abril de 1979). "Funciones de tiempo en relatividad numérica: colapso de polvo marginalmente ligado". Physical Review D . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 19 (8): 2239–2259. Código Bibliográfico : 1979PhRvD..19.2239E . doi : 10.1103 / physrevd.19.2239 . ISSN 0556-2821 .
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Otras lecturas
- Werner, MC; Petters, AO (24 de septiembre de 2007). "Relaciones de ampliación para lentes de Kerr y pruebas de censura cósmica". Physical Review D . 76 (6): 064024. arXiv : 0706.0132v2 . Código Bibliográfico : 2007PhRvD..76f4024W . doi : 10.1103 / physrevd.76.064024 . ISSN 1550-7998 . S2CID 119647924 .
- Pankaj S. Joshi, "¿Las singularidades desnudas rompen las reglas de la física?" , Scientific American , enero de 2009.
- Marcus Chown, "Los agujeros negros de giro rápido podrían revelar todo" New Scientist , agosto de 2009.