Singularidad desnuda

Fenómeno hipotético

En la relatividad general , una singularidad desnuda es una singularidad gravitacional hipotética sin horizonte de sucesos .

Cuando existe al menos una geodésica causal que, en el futuro, se extiende a un observador en el infinito o a un observador en movimiento con la nube que colapsa, y en el pasado termina en la singularidad gravitacional , entonces esa singularidad se denomina geodésica desnuda. singularidad. ^[1] En un agujero negro , la singularidad está completamente encerrada por un límite conocido como horizonte de sucesos , dentro del cual la curvatura del espacio-tiempo causada por la singularidad es tan fuerte que la luz no puede escapar. Por lo tanto, los objetos dentro del horizonte de sucesos (incluida la singularidad misma) no se pueden observar directamente. Por el contrario, una singularidad desnuda sería observable desde fuera.

La existencia teórica de singularidades desnudas es importante porque su existencia significaría que sería posible observar el colapso de un objeto hasta 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 observador externo no puede observar el espacio-tiempo dentro del horizonte de sucesos.

En la naturaleza no se han observado singularidades desnudas. Las observaciones astronómicas de los agujeros negros indican que su velocidad de rotación cae por debajo del umbral para producir una singularidad desnuda (parámetro de giro 1). GRS 1915+105 es el que más se acerca al límite, con un parámetro de giro de 0,82-1,00. ^[2]

Según la hipótesis de la censura cósmica , las singularidades gravitacionales pueden no ser observables. Si la gravedad cuántica de bucles es correcta, pueden ser posibles singularidades desnudas en la naturaleza.

Formación prevista

Cuando una estrella masiva sufre un colapso gravitacional debido a su inmensa gravedad, el resultado final de este colapso persistente puede manifestarse como un agujero negro o una singularidad desnuda. Esto es válido para una amplia gama de escenarios físicamente plausibles dentro del marco de la teoría general de la relatividad. El modelo Oppenheimer –Snyder–Datt (OSD) ilustra el colapso de una nube esférica compuesta de polvo homogéneo (materia sin presión). ^{[3] [4]} En este escenario, toda la materia converge en la singularidad del espacio-tiempo simultáneamente en términos de tiempo comomóvil. En particular, el horizonte de sucesos emerge antes que la singularidad, cubriéndola efectivamente. Considerando variaciones en el perfil de densidad inicial (considerando densidad no homogénea), se puede demostrar una alteración significativa en el comportamiento del horizonte. Esto conduce a dos resultados potenciales distintos que surgen del colapso del polvo genérico: la formación de un agujero negro, caracterizado por el horizonte que precede a la singularidad, y la aparición de una singularidad desnuda, donde el horizonte se retrasa. En el caso de una singularidad desnuda, este retraso permite que las geodésicas nulas o los rayos de luz escapen de la singularidad central, donde la densidad y las curvaturas divergen y llegan a los observadores distantes. ^{[5] [6] [7]} Al explorar escenarios de colapso más realistas, una vía implica incorporar presiones al modelo. Numerosos investigadores han examinado e investigado minuciosamente a lo largo de los años la consideración del colapso gravitacional con presiones distintas de cero y varios modelos que incluyen una ecuación de estado realista, que delinea la relación específica entre la densidad y la presión dentro de la nube. ^{[8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]} Todos dan como resultado un agujero negro o una singularidad desnuda dependiendo de los datos iniciales.

A partir de conceptos extraídos de agujeros negros en rotación , se demuestra que una singularidad, que gira rápidamente, puede convertirse en un objeto con forma de anillo. Esto da como resultado dos horizontes de sucesos, así como una ergosfera , que se acercan a medida que aumenta el giro de la singularidad. Cuando los horizontes de sucesos exterior e interior 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 ^[20] y algunas simulaciones por ordenador ( Choptuik , 1997). ^[21]

El matemático Demetrios Christodoulou , ganador del premio Shaw , demostró que, contrariamente a lo que se esperaba, también aparecen singularidades que no están ocultas en un agujero negro. ^[22] Sin embargo, luego demostró que tales "singularidades desnudas" son inestables. ^[23]

Métrica

Imagen con trazado de rayos de una hipotética singularidad desnuda frente a un fondo de la Vía Láctea . Los parámetros de la singularidad son M=1, a²+Q²=2M². La singularidad se ve desde su plano ecuatorial en θ=90° (de canto).

Comparación con un agujero negro extremo con M=1, a²+Q²=1M².

Existen horizontes de sucesos que desaparecen en la métrica de Kerr , que es un agujero negro que gira en el vacío. En concreto, si el momento angular es lo suficientemente alto, los horizontes de sucesos podrían desaparecer. Transformando la métrica de Kerr a coordenadas de Boyer-Lindquist , se puede demostrar ^[24] que la coordenada (que no es el radio) del horizonte de eventos es ${\displaystyle r}$

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

dónde y . En este caso, "los horizontes de sucesos desaparecen" significa cuando las soluciones son complejas para , o . Sin embargo, esto corresponde a un caso en el que se excede (o en unidades de Planck , ) , es decir, el espín excede lo que normalmente se considera el límite superior de sus valores físicamente posibles. ${\displaystyle \mu =GM/c^{2}}$ ${\displaystyle a=J/Mc}$ ${\displaystyle r_{\pm }}$ ${\displaystyle \mu ^{2}<a^{2}}$ ${\displaystyle J}$ ${\displaystyle GM^{2}/c}$ ${\displaystyle J>M^{2}}$

Los horizontes de sucesos que desaparecen también se pueden ver con la geometría de Reissner-Nordström de un agujero negro cargado. En esta métrica, se puede demostrar ^[25] que los horizontes ocurren en

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

dónde y . De los tres casos posibles para los valores relativos de y , el caso donde hace que ambos sean complejos. 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 de Planck ) , es decir, la carga excede lo que normalmente se considera el límite superior de sus valores físicamente posibles. ${\displaystyle \mu =GM/c^{2}}$ ${\displaystyle q^{2}=GQ^{2}/(4\pi \varepsilon _{0}c^{4})}$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle \mu ^{2}<q^{2}}$ ${\displaystyle r_{\pm }}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle Q/{\sqrt {4\pi \varepsilon _{0}}}}$ ${\displaystyle M{\sqrt {G}}}$ ${\displaystyle Q>M}$

Consulte la métrica de Kerr-Newman para conocer la singularidad de un 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 sucesos de ningún tipo, algunos especulan que las singularidades desnudas podrían emitir luz. ^[26]

Hipótesis de la censura cósmica

La hipótesis de la censura cósmica dice que una singularidad gravitacional permanecería oculta en el horizonte de sucesos. Los eventos LIGO , incluido GW150914 , son consistentes con estas predicciones. Aunque se habrían producido anomalías en los datos en el caso de una singularidad, la naturaleza de esas anomalías sigue siendo desconocida. ^[27]

Algunas investigaciones han sugerido que si la gravedad cuántica de bucles es correcta, entonces podrían existir singularidades desnudas en la naturaleza, ^{[28] [29] [30],} lo que implica que la hipótesis de la censura cósmica no se cumple. Los cálculos numéricos ^[31] y algunos otros argumentos ^[32] 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 la zona. Un miembro de la tripulación se da cuenta de que está atrapado en la ergosfera de un agujero negro o de una singularidad desnuda. La historia describe un grupo de múltiples agujeros negros o singularidades, y lo que hace la tripulación para intentar sobrevivir a esta situación aparentemente ineludible.
• La secuencia Xeelee de Stephen Baxter presenta a los Xeelee, quienes crean un anillo enorme que produce una singularidad desnuda. Se utiliza para viajar a otro universo.
• En el episodio titulado " Daybreak ", el final de la serie de televisión reinventada de 2004 Battlestar Galactica , la colonia Cylon orbita una singularidad desnuda. ^{[ cita necesaria ]}
• Se cree que el Dios durmiente de la trilogía The Night's Dawn de Peter Hamilton es una singularidad desnuda.
• En Interestelar 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 datos experimentales desde el interior del horizonte de sucesos .
• 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 al pasado con una "máquina de salto en el tiempo" improvisada.
• En la novela Star Trek de 1981 de Vonda McIntyre , The Entropy Effect , se descubre que una singularidad desnuda es un efecto secundario de la experimentación de viajes en el tiempo y amenaza con destruir el universo si los experimentos de viajes en el tiempo no se detienen antes de que comiencen.
• En la octava parte de la serie manga “ JoJo's Bizarre Adventure ”, “ JoJolion ”, el personaje principal es capaz de crear pequeñas singularidades desnudas. No se declara oficialmente como tal, pero la habilidad "Ir más allá" crea vórtices invisibles que giran rápidamente a partir de una 'cuerda' infinitamente pequeña, generando similitudes con la Hipótesis de la censura cósmica y la gravedad cuántica del bucle.

Ver también

• Electrón del agujero negro
• Singularidad gravitacional
• Singularidad del anillo

Referencias

1. Joshi, Pankaj S. (1996). Aspectos globales en gravitación y cosmología . Serie internacional de monografías sobre física (1. edición de bolsillo (con corrección) ed.). Oxford: Prensa de Clarendon. ISBN 978-0-19-850079-7.
2. Jeanna Bryne (20 de noviembre de 2006). "Superando el límite: el agujero negro gira a un ritmo fenomenal". espacio.com . Consultado el 25 de noviembre de 2017 .
3. Oppenheimer, JR; Snyder, H. (1 de septiembre de 1939). "Sobre la contracción gravitacional continua". Revisión física . 56 (5): 455–459. doi : 10.1103/PhysRev.56.455 .
4. Datt, B. (1 de mayo de 1938). "Über eine Klasse von Lösungen der Gravitationsgleichungen der Relativität". Zeitschrift für Physik (en alemán). 108 (5): 314–321. doi :10.1007/BF01374951. ISSN  0044-3328.
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6. Waugh, B.; Lago, Kayll (15 de septiembre de 1989). "Singularidades de enfoque de concha en espacios-tiempos autosemejantes esféricamente simétricos". Revisión física D. 40 (6): 2137–2139. doi : 10.1103/PhysRevD.40.2137.
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Otras lecturas

• Werner, MC; Petters, AO (24 de septiembre de 2007). "Relaciones de magnificación para las lentes de Kerr y probar la censura cósmica". Revisión física 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 que giran rápidamente podrían revelarlo todo" New Scientist , agosto de 2009.