Голі особливості для науки
Чорні діри мають проблемних сестричок, оголених особливостей. Їх існування довгий час вважалося неможливим, але могло бути, що ці дивні предмети справді існують.
Більшість астрофізиків вважають, що в результаті з’являється чорна діра, об’єкт з такою інтенсивною гравітацією, що ніщо не може втекти з її безпосереднього оточення. Чорна діра має дві частини. У центрі особливість, тобто нескінченно мала точка, де зосереджена вся речовина зірки. Навколо сингулярності знаходиться область простору, де нічого не може уникнути його гравітації, навіть світло. Кордон цього регіону - це те, що називається горизонтом подій. Предмет, який перетинає горизонт подій, ніколи не виходить. Будь-яке світло, випромінюване упійманим тілом, також потрапляє в пастку, так що предмет назавжди зникає з очей стороннього спостерігача. Зрештою, об’єкт потрапляє на сингулярність.
Але чи справді ця картина зображує реальність? Сучасні закони фізики однозначно передбачають формування особливості, але вони більш розмиті щодо горизонту подій. Більшість фізиків вважає, що горизонт повинен бути сформований хоча б тому, що він діє як своєчасне прикриття наших теоретичних прогалин. Тому що фізики сьогодні не розуміють точно цього дуже симетричного шляху, і щоб стати достатньо компактним для утворення горизонту, а отже і чорної діри.
Справжні зірки, звичайно, складніші. Їх щільність не однорідна, газ чинить значний тиск, і вони ніколи не бувають ідеально сферичними. За цих умов будь-яка досить масивна зірка, яка руйнується, обов’язково перетворюється на чорну діру? ?
На основі теоретичних аргументів британський фізик Роджер Пенроуз здогадався в 1969 р., Що загалом формування сингулярності при гравітаційному колапсі передбачає формування горизонту подій. Таким чином, природа завадила б нам побачити «оголену» особливість, завжди присутній горизонт, який приховує його від наших спостережень. Таким чином, ця здогадка була кваліфікована як "принцип космічної цензури".
Фізики думали, що зможуть швидко продемонструвати цю здогадку, але вони цього не зробили. Не вдавшись знайти прямих доказів принципу космічної цензури, теоретикам доводилося проводити окремий аналіз гравітаційних колапсів, поступово розширюючи свої моделі.
Питання полягає в тому, чи завжди під час колапсу будь-якої зірки з’являється область, компактність якої перевищує критичне значення, тобто там, де гравітаційне поле стає досить напруженим щодо просторового розширення, так що формується горизонт.
У 1973 році німецький фізик Ганс Юрген Зайферт та його колеги змоделювали крах неоднорідної зірки. Дивно, але вони виявили, що різні шари речовини можуть перетинатися при руйнуванні, утворюючи миттєві сингулярності, які не оточені горизонтом. Але особливості цього типу досить нешкідливі: там щільність стає нескінченною, але це не так з інтенсивністю гравітації, так що загальна теорія відносності ніколи не порушується. Матеріал, що потрапляє на ці особливості, не буде стискатися в шпильку, а буде проходити крізь них, а не зникати в них.
У 1979 році американці Дуглас Ерлі та Ларрі Смарр зробили наступний крок, цифрово змоделювавши колапс зірки з реалістичним профілем щільності (максимальна щільність у центрі та зменшення до поверхні). Теоретичний аналіз тієї ж ситуації був проведений Деметріосом Христодулу з Федерального технологічного інституту в Цюріху в 1984 році. Обидва дослідження дійшли висновку, що зірка стискається до нульового розміру, породжуючи оголену особливість. Але модель все ще нехтувала тиском, і Річард Ньюман з університету Йорка, Англія, показав, що особливість була занадто слабкою з точки зору гравітації.
Натхненні цими результатами, багато дослідників, зокрема я, намагалися довести, що оголені особливості завжди гравітаційно слабкі. Нам це не вдалося: швидко стало зрозуміло, що оголені особливості не завжди слабкі. Ми знайшли неоднорідні сценарії колапсу, які ведуть до оголених сингулярностей, де сила тяжіння сильна, тобто до справжніх сингулярностей. Загальний аналіз колапсу за відсутності тиску газу, проведений Індрешем Двіведі з Інституту Тата в Бомбеї та мною в 1993 році, пояснив і врегулював ці питання.
На початку 1990-х років фізики почали враховувати тиск газу. Ізраїльтяни Амос Орі та Цві Піран виконували чисельне моделювання, і моя група знайшла точні рішення відповідних рівнянь. Вирок: Зірки, змодельовані з реалістичною щільністю та тиском, можуть зруйнуватися до оголених особливостей. Одночасно команди Джуліо Маглі з Міланського політехнічного університету та Кенічі Накао з університету в Осаці вивчали колапс, беручи до уваги тиск, що створюється обертанням частинок у грудях зірки, що стискаються. Вони також показали, що в дуже різноманітних ситуаціях крах призводить до оголеної особливості.
Загальний або винятковий ?
Ці дослідження стосувались абсолютно сферичних зірок, але це не таке суттєве спрощення, як здається, оскільки більшість зірок мають приблизно сферичну форму. Крім того, сферичність апріорі більш сприятлива для формування горизонту подій, ніж менш симетричні форми, і якщо принцип космічної цензури для них навіть не застосовується, то її обґрунтованість викликає сумніви.
Тим не менш, фізики досліджували гравітаційні колапси несферичних зірок. У 1991 р. Стюарт Шапіро з Університету Іллінойсу та Саул Теукольскі з Університету Корнелла представили чисельне моделювання, в якому довгасті зірки можуть зруйнуватися в оголені особливості. Кілька років по тому ми з Анджеєм Крулаком з Польської академії наук вивчали сферичний колапс, і ми також виявили оголені особливості. Однак ці два дослідження нехтували тиском газу.
Сумнівно, чи ці ситуації не надто специфічні, щоб робити загальні висновки. Чи мала незначна зміна початкової конфігурації зірки призведе до формування горизонту подій? Якщо так, то оголені особливості можуть бути артефактом наближень, що використовуються при моделюванні, і тоді ніколи не траплятимуться в природі. Деякі сценарії, що стосуються незвичних форм речовини, справді дуже чутливі; але на сьогодні наші результати показують, що більшість сценаріїв формування голої сингулярності стабільні щодо невеликих варіацій початкових умов. Тож така ситуація здається нормою, а не винятком.
Ці контраприклади свідчать про те, що космічна цензура, запропонована Пенроузом, не є правилом. Не кожен фізично реалістичний гравітаційний колапс, здається, закінчується чорною дірою. Деякі сценарії ведуть до чорної діри, інші - до оголеної особливості. У деяких моделях особливість залишається оголеною лише тимчасово, і горизонт подій в кінцевому підсумку створюється і закриває її від зовнішнього світу. В інших сценаріях особливість залишається постійно помітною. Гола сингулярність найчастіше розвивається в геометричному центрі колапсу, але не завжди.
Ми з колегами намагалися охарактеризувати сценарії колапсу, які призводять або не призводять до формування горизонту подій. Зокрема, ми дослідили роль неоднорідностей та тиску газу. У загальній теорії відносності Ейнштейна гравітація описується складним математичним об'єктом, тензором кривизни, з якого можуть виникати континуїтивні ефекти. Таким чином, навіть якщо щільність, досягнута під час колапсу неоднорідної зірки, є достатньою для того, щоб світло потрапило в пастку, ці ефекти можуть порушити формування горизонту подій.
Що запобігти формуванню горизонту
В однорідній зірці ціла зірка конденсується в одному русі в одній точці. У центрі сила тяжіння швидко стає такою, що світло потрапляє в пастку задовго до формування сингулярності. Тому він залишається прихованим горизонтом.
Розглянемо тепер зірку, де щільність зменшується від центру до поверхні, з цибулевою структурою, утвореною з концентричних шарів речовини різної щільності (ми нехтуємо тиском). Інтенсивність сили тяжіння, що діє на кожен шар, залежить від маси його. Оскільки внутрішні, щільніші шари піддаються сильнішому гравітаційному тягу, вони руйнуються швидше, ніж зовнішні шари. Вся зірка не руйнується одночасно в особливість. Затримка, яка, таким чином, з'являється між обваленням різних шарів, може затримати формування горизонту подій. Якщо горизонт може сформуватися де завгодно, він буде знаходитися у внутрішніх, найбільш щільних шарах. Але якщо щільність зменшується занадто швидко з відстанню, внутрішні шари не представляють достатньої маси для досягнення критичної компактності та захоплення світла. Отже, особливість, яка утворюється, є голою. Таким чином, якщо неоднорідність низька, утворюється чорна діра, але вище критичного значення, то виявляється гола особливість.
В інших сценаріях критичним параметром є швидкість обвалення. Це з’являється, наприклад, у моделях - суто теоретичних - де весь матеріал зірки повністю перетворюється на випромінювання (ця модель, звана моделлю вогненної кулі, була вперше розглянута індійським фізиком П. К. Вайдією в 1940-х роках). Знову є поріг: зірка, яка перетворюється на вогненну кулю і повільно руйнується, стає чорною дірою, але в зірці, яка перетворюється на вогненну кулю і руйнується досить швидко, світло не потрапляє в пастку, а особливість гола.
Однією з причин, чому фізики не хочуть розглядати існування оголених особливостей, є те, що вони порушують ряд концептуальних проблем. Оскільки загальна теорія відносності не може описати середовище, близьке до особливості, їх поведінка непередбачувана. Це місця, де поточна фізика застаріла.
Сховати цю особливість, яку я не бачу
Поки особливості залишаються прихованими за горизонтом подій, ця непередбачуваність залишається стриманою і загальна теорія відносності ідеально враховує події, принаймні поза межами горизонту. Але якщо особливості можуть бути оголеними, їх непередбачуваність може заразити решту Всесвіту. Немає гарантії, що особливість не порушує навколишнє середовище, наприклад, випромінюючи гравітаційні хвилі.
Рішення цих проблем можна знайти в квантовій теорії гравітації, яка вийде за рамки загальної теорії відносності і запропонує повне пояснення особливостей. У такій теорії особливості мали б високу щільність, але скінченні. Вони були б лише щільними зірками, що регулюються законами квантової гравітації.
Інша можливість полягає в тому, що особливості насправді мають нескінченну щільність. Їх можна було б пояснити не квантовою гравітацією, аніж загальною теорією відносності, але ми повинні були б прийняти їх такими, які вони є. Особливість позначила б місце, де закінчується фізичний світ. Ми повинні сприймати це як подію, а не як об’єкт, момент, коли матерія, що руйнується, досягає «краю» і перестає бути, як перевернутий Великий Вибух.
У цьому випадку виникають запитання типу "Що може вийти з оголеної особливості?" Насправді не має сенсу: нікуди не вийти, бо особливість - це лише момент у часі. Ми спостерігаємо не саму сингулярність, а процеси, що відбуваються в екстремальних умовах поблизу цієї події, такі як ударні хвилі, спричинені неоднорідностями в ультрагустому середовищі, або ефекти квантової гравітації.
На додаток до цієї непередбачуваності, друга проблема стосується фізиків. Припустивши, що горизонт подій завжди супроводжує утворення сингулярності, вони сформулювали різні закони, яким повинні підкорятися чорні діри. Але ці закони не позбавлені парадоксів. Наприклад, чорна діра поглинає інформацію без повернення і руйнує її, що суперечить основним принципам квантової механіки. Якщо горизонт зникне, може зникнути ця проблема та інші. У цьому випадку не було б необхідності в квантовій теорії гравітації для пояснення особливостей; загальної теорії відносності було б достатньо.
Лабораторія квантової гравітації
Далеко не розглядаючи оголені особливості як проблему, фізики повинні розглядати їх як надбання. Якби спостерігалися особливості, що утворюються під час гравітаційного колапсу масивної зірки, вони могли б служити лабораторією для вивчення квантової гравітації. Розроблені теорії квантової гравітації, такі як теорія струн і гравітація квантової петлі, дуже потребують спостережної підтримки, без якої неможливо обмежити можливості. Фізики шукають цього внеску з раннього Всесвіту, коли щільність і температура були настільки екстремальними, що квантові ефекти домінували. Однак Великий Вибух - унікальна подія. Існування оголених сингулярностей дало б астрономам можливість спостерігати еквівалент Великого вибуху, коли масивна зірка вмирає.
Для вивчення потенційного внеску спостережень в особливості, нещодавно ми змоделювали колапс зірки в оголену сингулярність, беручи до уваги ефекти, передбачені гравітацією квантової петлі. Згідно з цією теорією, простір складається з крихітних квантів, які стають відчутними, коли речовина досить щільна; результатом є сила відштовхування, яка запобігає нескінченності щільності. У нашій моделі така відштовхувальна сила розсіює зірку і розчиняє особливість. Таким чином, протягом останньої частки секунди викидається майже чверть маси зірки. Перед тим, як віддалений спостерігач міг би побачити раптове зменшення інтенсивності випромінювання зірки, що руйнується, прямий результат впливу квантової гравітації.
Вибух випустить високоенергетичні гамма-промені, космічні промені та інші частинки, такі як нейтрино. Майбутні експерименти, такі як Обсерваторія екстремального Всесвіту (euso), запропонована Європейським космічним агентством для встановлення на борту Міжнародної космічної станції, можуть виявити таке випромінювання. Оскільки характеристики випромінювання залежать від конкретних деталей теорії квантової гравітації, ці спостереження дадуть змогу розібрати теорії.
Доведення або спростування принципу космічної цензури само по собі викликало б сплеск серед фізиків, оскільки оголені особливості торкаються багатьох фундаментальних аспектів сучасних теорій. Теоретична робота, яка проводиться дотепер, полягає в тому, що принцип космічної цензури не діє беззастережно. Голі сингулярності формуються в більш загальних умовах, ніж уявляється. Якщо ці умови є достатньо загальними для опису реальності, фізики неодмінно обожнять те, чого колись боялися.