Голи особености за науката
Черните дупки имат проблемни малки сестри, голи сингулярности. Тяхното съществуване отдавна се счита за невъзможно, но може да се окаже, че тези странни обекти наистина съществуват.
Повечето астрофизици смятат, че резултатът е черна дупка, обект с такава силна гравитация, че нищо не може да избяга от непосредствената му близост. Черната дупка има две части. В центъра е сингулярността, тоест безкрайно малката точка, в която е концентрирана цялата материя на звездата. Около сингулярността е област от пространството, където нищо не може да избяга от гравитацията, дори светлината. Границата на този регион е това, което се нарича хоризонт на събитията. Обект, който пресича хоризонта на събитията, никога не излиза. Всяка светлина, излъчвана от уловеното тяло, също се улавя, така че обектът изчезва завинаги от очите на външен наблюдател. В крайна сметка обектът пада върху сингулярността.
Но тази картина наистина ли изобразява реалността? Настоящите закони на физиката ясно предполагат формирането на сингулярност, но те са по-неясни по отношение на хоризонта на събитията. Повечето физици смятат, че трябва да се формира хоризонт, макар и само защото той действа като своевременно прикритие за нашите теоретични недостатъци. Защото физиците днес не разбират точно този много симетричен начин и за да станат достатъчно компактни, за да се образува хоризонт и следователно черна дупка.
Истинските звезди, разбира се, са по-сложни. Тяхната плътност не е хомогенна, газът оказва значително налягане и те никога не са идеално сферични. При тези условия всяка достатъчно масивна звезда, която се срине, непременно ли се превръща в черна дупка? ?
Въз основа на теоретичните аргументи британският физик Роджър Пенроуз предположи през 1969 г., че като цяло формирането на сингулярност при гравитационен колапс включва формирането на хоризонт на събитията. По този начин природата би ни попречила да видим „гола“ особеност, като хоризонтът винаги присъства, за да го скрие от нашите наблюдения. По този начин тази догадка беше квалифицирана като "принцип на космическата цензура".
Физиците мислеха, че могат бързо да докажат това предположение, но не го направиха. Не успявайки да намерят пряко доказателство за принципа на космическата цензура, теоретиците трябваше да започнат анализ на всеки отделен случай на гравитационните колапси, като постепенно разширяват своите модели.
Въпросът е дали по време на колапса на която и да е звезда винаги се появява област, чиято компактност надвишава критична стойност, т.е. където гравитационното поле става достатъчно интензивно по отношение на пространственото продължение, така че да се образува хоризонт.
През 1973 г. немският физик Ханс Юрген Зайферт и колегите му моделират колапса на нехомогенна звезда. Изненадващо те откриха, че отделни слоеве материя могат да се пресичат, когато се срутят, за да образуват моментни сингулярности, които не са заобиколени от хоризонт. Но особеностите от този тип са съвсем безобидни: плътността там става много безкрайна, но това не важи за интензивността на гравитацията, така че общата теория на относителността никога не се нарушава. Материалът, попадащ върху тези особености, няма да се компресира в щифт и по-скоро ще премине през тях, отколкото да изчезне.
През 1979 г. американците Дъглас Ърли и Лари Смар предприеха следващата стъпка, като симулираха цифрово колапса на звезда с реалистичен профил на плътност (максимална плътност в центъра и намаляваща на повърхността). Теоретичен анализ на същата ситуация беше извършен от Demetrios Christodoulou от Федералния технологичен институт в Цюрих през 1984 г. И двете проучвания стигнаха до заключението, че звездата се свива до нулев размер, което поражда гола сингулярност. Но моделът винаги пренебрегва натиска и Ричард Нюман от университета в Йорк, Англия, показва, че сингулярността е твърде слаба от гравитационна гледна точка.
Вдъхновени от тези резултати, много изследователи, включително аз, са се опитали да докажат, че голите сингулярности винаги са гравитационно слаби. Не успяхме: бързо стана ясно, че голите особености не винаги са слаби. Открихме нехомогенни сценарии на колапс, които водят до голи сингулярности, където гравитацията е силна, тоест до истински сингулярности. Общият анализ на колапса при липса на налягане на газ, проведен от Индреш Двиведи от Института Тата в Бомбай и аз през 1993 г., изясни и уреди тези точки.
В началото на 90-те години физиците започнаха да отчитат налягането на газа. Израелците Амос Ори и Цви Пиран извършиха числени симулации и моята група намери точните решения на съответните уравнения. Присъда: Звездите, моделирани с реалистична плътност и налягане, могат да се сринат до голи сингулярности. В същото време екипите на Джулио Магли от Политехническия университет в Милано и Кеничи Накао от Университета в Осака са изследвали колапса, като са взели предвид налягането, генерирано от въртенето на частиците в гърдите на звездата при свиване. Те също показаха, че в много различни ситуации колапсът води до гола особеност.
Общи или изключителни ?
Тези изследвания се занимават с идеално сферични звезди, но това не е толкова грубо опростяване, колкото звучи, тъй като повечето звезди са грубо сферични. Освен това сферичността е априори по-благоприятна за формирането на хоризонт на събитията, отколкото по-малко симетричните форми и ако принципът на космическата цензура дори не се прилага за тях, тогава нейната валидност е под въпрос.
Въпреки това физиците са изследвали гравитационните колапси на несферични звезди. През 1991 г. Стюарт Шапиро от Университета на Илинойс и Саул Теуколски от университета Корнел представиха числени симулации, при които продълговатите звезди могат да се срутят в голи сингулярности. Няколко години по-късно с Анджей Крулак от Полската академия на науките изучавахме сферичен колапс и откривахме голи сингулярности. Тези две проучвания обаче пренебрегват налягането на газа.
Под въпрос е дали тези ситуации не са твърде специфични, за да се направят общи заключения. Дали малка вариация в първоначалната конфигурация на звездата би довела до образуването на хоризонт на събитията? Ако е така, голите сингулярности може да са артефакт на приближенията, използвани при моделирането, и тогава никога няма да се появят в природата. Някои сценарии, включващи необичайни форми на материя, наистина са много чувствителни; но засега нашите резултати показват, че повечето сценарии за формиране на гола сингулярност са стабилни по отношение на малки вариации в началните условия. Така че тази ситуация изглежда е норма, а не изключение.