Csupasz szingularitások a tudomány számára
A fekete lyukak problémás kishúgokkal, meztelen szingularitásokkal rendelkeznek. Régóta lehetetlennek tartják létezésüket, de lehet, hogy léteznek ezek a különös tárgyak.
A legtöbb asztrofizikus úgy véli, hogy az eredmény egy fekete lyuk, egy olyan intenzív gravitációjú tárgy, hogy semmi sem kerülhet el a közvetlen közeléből. A fekete lyuknak két része van. A középpontban a szingularitás áll, vagyis a végtelenül kis pont, ahol a csillag összes anyaga összpontosul. A szingularitás körül a tér olyan területe van, ahol semmi sem kerülheti el a gravitációt, még a fény sem. Ennek a régiónak a határát nevezzük eseményhorizontnak. Az eseményhorizonton áthaladó tárgy soha nem kerül elő. A megfogott test által kibocsátott minden fény csapdába esik, így a tárgy örökre eltűnik a külső szemlélő szeméből. Végül az objektum a szingularitásra esik.
De valóban ez a festmény ábrázolja a valóságot? A fizika jelenlegi törvényei egyértelműen egy szingularitás kialakulását jelentik, de az eseményhorizont tekintetében homályosabbak. A legtöbb fizikus úgy gondolja, hogy horizontot kell kialakítani, már csak azért is, mert ez időben elfedi az elméleti hiányosságainkat. Mivel a fizikusok manapság nem értik pontosan ezt a nagyon szimmetrikus utat, és ahhoz, hogy kellően kompaktak legyenek egy horizont számára, és ezért fekete lyuk keletkezzen.
Az igazi sztárok természetesen bonyolultabbak. Sűrűségük nem homogén, a gáz jelentős nyomást fejt ki, és soha nem vannak tökéletesen gömb alakúak. Ilyen körülmények között kellően masszív csillag, amely összeesik, szükségszerűen fekete lyukká válik? ?
Elméleti érvek alapján Roger Penrose brit fizikus 1969-ben sejtette, hogy általában a szingularitás kialakulása a gravitációs összeomlásban egy eseményhorizont kialakulásával jár. A természet tehát megakadályozna bennünket abban, hogy egy „meztelen” szingularitást lássunk, mivel mindig jelen van egy horizont, amely elrejti azt megfigyeléseink elől. Ezt a sejtést tehát "a kozmikus cenzúra elvének" minősítették.
A fizikusok úgy gondolták, hogy gyorsan be tudják mutatni ezt a sejtést, de nem tették meg. Mivel a kozmikus cenzúra elvének közvetlen bizonyítékát nem sikerült megtalálni, az elméletalkotóknak a gravitációs összeomlások esetenkénti elemzését kellett megkezdeniük, modelljeik fokozatos bővítésével.
A kérdés az, hogy bármely csillag összeomlása során mindig megjelenik-e olyan régió, amelynek tömörsége meghaladja a kritikus értéket, vagyis ahol a gravitációs tér kellően intenzívvé válik a térbeli kiterjedéshez képest, így horizont jön létre.
1973-ban Hans Jürgen Seifert német fizikus és munkatársai modellezték egy inhomogén csillag összeomlását. Meglepő módon azt tapasztalták, hogy az anyag különálló rétegei összeomolhatnak, amikor pillanatnyi szingularitásokat képeznek, amelyeket nem vesz körül horizont. De az ilyen típusú szingularitások meglehetősen ártalmatlanok: a sűrűség ott nagyon végtelen lesz, de ez nem a gravitáció intenzitására vonatkozik, így az általános relativitáselmélet soha nem hibás. Az ezekre a szingularitásokra hulló anyag nem lesz tömörítve tűfejűvé, és inkább áthalad rajtuk, mint eltűnik.
1979-ben az amerikaiak, Douglas Earley és Larry Smarr megtették a következő lépést egy reális sűrűségű profilú csillag maximális összeomlásának szimulációjával (maximális sűrűség a középpontban és csökken a felszínig). Ugyanennek a helyzetnek az elméleti elemzését végezte el Demetrios Christodoulou, a Zürichi Szövetségi Technológiai Intézet 1984-ben. Mindkét tanulmány arra a következtetésre jutott, hogy a csillag nullára csökken, és ez meztelen szingularitást eredményez. De a modell mindig elhanyagolta a nyomást, és Richard Newman, az angliai York-i Egyetemen megmutatta, hogy a szingularitás gravitációs szempontból túl gyenge.
Ezen eredmények inspirálásával sok kutató, köztük én is, megpróbálta bebizonyítani, hogy a meztelen szingularitások mindig gravitációs szempontból gyengék. Nem sikerült: gyorsan kiderült, hogy a meztelen szingularitások nem mindig gyengék. Találtunk inhomogén összeomlási forgatókönyveket, amelyek meztelen szingularitásokhoz vezetnek, ahol a gravitáció erős, vagyis valódi szingularitásokhoz vezetnek. A gáznyomás hiányában végzett általános összeomlási elemzés, amelyet Indresh Dwivedi, a Bombayi Tata Intézet és jómagam végeztem 1993-ban, tisztázta és rendezte ezeket a pontokat.
Az 1990-es évek elején a fizikusok kezdték figyelembe venni a gáznyomást. Az izraeliek, Amos Ori és Tsvi Piran numerikus szimulációkat hajtottak végre, és csoportom megtalálta a vonatkozó egyenletek pontos megoldásait. Ítélet: A reális sűrűséggel és nyomással modellezett csillagok meztelen szingularitásokká omolhatnak össze. Ugyanakkor Giulio Magli, a milánói Műszaki Egyetem és az Osaka Egyetem Kenichi Nakao csapata tanulmányozta az összeomlást, figyelembe véve azt a nyomást, amelyet a részecskék forgása a csillag mellében összehúzódva okoz. Ők is kimutatták, hogy nagyon különböző helyzetekben az összeomlás meztelen szingularitást eredményez.
Általános vagy kivételes ?
Ezek a tanulmányok tökéletesen gömb alakú csillagokkal foglalkoztak, de ez nem olyan kemény leegyszerűsítés, mint amilyennek hangzik, mivel a legtöbb csillag nagyjából gömb alakú. Ráadásul a gömbölység eleve elősegíti az eseményhorizont kialakulását, mint a kevésbé szimmetrikus formák, és ha a kozmikus cenzúra elve nem is érvényes rájuk, akkor érvényessége megkérdőjelezhető.
Ennek ellenére a fizikusok feltárták a nem gömb alakú csillagok gravitációs összeomlásait. 1991-ben Stuart Shapiro, az Illinoisi Egyetem és Saul Teukolsky, a Cornell Egyetem számszerű szimulációkat mutatott be, amelyek során a hosszúkás csillagok mezítelen szingularitásokká omolhattak össze. Néhány évvel később Andrzej Królak, a Lengyel Tudományos Akadémiától tanulmányoztam a gömbös összeomlást, és meztelen szingularitásokat is felfedeztünk. Ez a két tanulmány azonban elhanyagolta a gáznyomást.
Kérdéses, hogy ezek a helyzetek nem túl specifikusak-e általános következtetések levonásához. A csillag kezdeti konfigurációjának kis változása eredményezné-e az eseményhorizont kialakulását? Ha igen, akkor a puszta szingularitások a modellezés során alkalmazott közelítések műtermékei lehetnek, és soha nem fordulnak elő a természetben. Bizonyos szokatlan anyagformákat tartalmazó forgatókönyvek valóban nagyon érzékenyek; de egyelőre eredményeink azt mutatják, hogy a csupasz szingularitásképződési forgatókönyvek többsége stabil a kezdeti feltételek kis eltéréseit illetően. Úgy tűnik tehát, hogy ez a helyzet a norma, és nem kivétel.