Singularidad desnuda

En relatividad general, una singularidad desnuda es una singularidad gravitatoria hipotética sin un horizonte de sucesos. En un agujero negro, la singularidad está completamente rodeada por un límite conocido como horizonte de eventos, 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 eventos, incluida la singularidad misma, no se pueden observar 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 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 eventos.

No se han observado singularidades desnudas en la naturaleza. 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 se acerca más al límite, con un parámetro de giro de 0,82-1,00.

Según la hipótesis de la censura cósmica, las singularidades gravitatorias 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, que gira rápidamente, puede convertirse en un objeto con 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 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 y algunas simulaciones por computadora (Choptuik, 1997).

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. Sin embargo, luego demostró que tales "singularidades desnudas" son inestables

Métricas

Ray trazó la imagen de una hipotética singularidad desnuda frente a un fondo de Vía Láctea. Los parámetros de la singularidad son M=1, a2+Q2=2M2. La singularidad se ve desde su plano ecuatorial en θ=90° (edge on).

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

Los horizontes desaparecidos existen en la métrica Kerr, que es un agujero negro giratorio en un vacío. Específicamente, si el impulso angular es suficientemente alto, los horizontes del evento podrían desaparecer. Transformando la métrica Kerr a las coordenadas Boyer-Lindquist, se puede demostrar que r{displaystyle r} coordenadas (que no es el radio) del horizonte del evento

r± ± =μ μ ± ± ()μ μ 2− − a2)1/2,{displaystyle r_{pm}=mu pm (mu ^{2}-a^{2})^{1/2}

Donde μ μ =GM/c2{displaystyle mu =GM/c^{2}, y a=J/Mc{displaystyle a=J/Mc}. En este caso, "los horizontes de los eventos desaparecen" significa cuando las soluciones son complejas para r± ± {displaystyle r_{pm}, o <math alttext="{displaystyle mu ^{2}μ μ 2.a2{displaystyle mu ^{2}Seguido {2}<img alt="{displaystyle mu ^{2}. Sin embargo, esto corresponde a un caso donde J{displaystyle J} excedentes GM2/c{displaystyle GM^{2}/c} (o en unidades de Planck, M^{2}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">J■M2{displaystyle ¡Jefe!M^{2}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7fa84b98b2276a41bdc3c2f5e0f08165863f0cf9" style="vertical-align: -0.338ex; width:8.123ex; height:2.676ex;"/>), es decir, la columna excede lo que normalmente se ve como 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 que los horizontes ocurren en

r± ± =μ μ ± ± ()μ μ 2− − q2)1/2,{displaystyle r_{pm}=mu pm (mu ^{2}-q^{2})^{1/2}

Donde μ μ =GM/c2{displaystyle mu =GM/c^{2}, y q2=GQ2/()4π π ε ε 0c4){displaystyle q^{2}=GQ^{2}/(4pi varepsilon _{0}c^{4})}. De los tres casos posibles para los valores relativos μ μ {displaystyle mu } y q{displaystyle q}, el caso donde <math alttext="{displaystyle mu ^{2}μ μ 2.q2{displaystyle mu ^{2}cantadoq^{2}<img alt="{displaystyle mu ^{2} causas r± ± {displaystyle r_{pm} ser complejo. Esto significa que la métrica es regular para todos los valores positivos r{displaystyle r}, o en otras palabras, la singularidad no tiene horizonte de eventos. Sin embargo, esto corresponde a un caso donde Q/4π π ε ε 0{displaystyle Q/{sqrt {4pivarepsilon ♪♪ excedentes MG{displaystyle M{sqrt {G}} (o en unidades de Planck, M}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">Q■M{displaystyle Q]M}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/997c4704c453fb4069b8d11e86e24e402f632f0b" style="vertical-align: -0.671ex; width:7.379ex; height:2.509ex;"/>), es decir, la carga excede lo que normalmente se considera como el límite superior de sus valores físicamente posibles.

Consulte la métrica de Kerr-Newman para una singularidad de anillo giratorio y cargado.

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.

Hipótesis de la censura cósmica

La hipótesis de la censura cósmica dice que una singularidad gravitacional permanecería oculta por el horizonte de sucesos. Los eventos LIGO, incluido GW150914, son consistentes con estas predicciones. Aunque las anomalías de datos habrían resultado en el caso de una singularidad, la naturaleza de esas anomalías sigue siendo desconocida.

Algunas investigaciones han sugerido que si la gravedad cuántica de bucles es correcta, entonces podrían existir singularidades desnudas en la naturaleza, lo que implica que la hipótesis de la censura cósmica no se sostiene. Los cálculos numéricos y algunos otros argumentos también han insinuado esta posibilidad.

En la ficción

• M. John Harrison's Kefahuchi Trilogía Tract de novelas de ciencia ficción (Luz, Nova Swing y Espacio vacío) centro sobre la exploración de la humanidad de una singularidad desnuda.
• "Dark Peril" de James C. Glass (publicado en Analog Marzo 2005), es una historia sobre los viajeros espaciales en una misión exploratoria. Mientras investigan un extraño fenómeno cosmológico, sus dos pequeñas naves espaciales comienzan a sacudirse, y son incapaces de abandonar la zona. Un miembro de la tripulación se da cuenta de que están atrapados en la energía 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 incapaz.
• El Xeelee Sequence de Stephen Baxter cuenta con el Xeelee, que crea un anillo masivo que produce una singularidad desnuda. Se utiliza para viajar a otro universo.
• En el episodio titulado "Daybreak", final de la serie de televisión reimaginada de 2004 Battlestar Galactica, la colonia Cylon orbita una singularidad desnuda.
• El Dios Durmiente en Peter Hamilton La trilogía del amanecer de la noche se cree que es una singularidad desnuda.
• En Christopher Nolan Interestellar la noinexistencia de una singularidad desnuda impide a la humanidad completar una teoría de la gravedad cuántica debido a la inaccesibilidad de los datos experimentales desde dentro del horizonte del evento.
• En la novela visual Steins;Gate, una singularidad desnuda se utiliza para comprimir los recuerdos digitalizados del protagonista en un tamaño más pequeño, para luego ser enviado en el tiempo con una improvisada "máquina de salto de tiempo".
• En Vonda McIntyre 1981 Star Trek novela, El Efecto de la Entropía, una singularidad desnuda se encuentra como un efecto secundario de la experimentación de viaje del tiempo, y amenaza con destruir el universo si los experimentos de viaje del tiempo no se detienen antes de que comiencen.