Nackte Singularität: Wie würde sie sich verhalten?

Wir wissen, dass die Theorie der kosmischen Zensur verhindert, dass Singularitäten ohne einen Ereignishorizont existieren, der sie vor dem Universum verbirgt. Nehmen wir nun an, dass diese Theorie irgendwie falsch ist und eine nackte Singularität im Sonnensystem erscheint. Wie würden wir es zum ersten Mal bemerken, wie würde es aussehen, wie würde es sich verhalten und könnten wir es für etwas Nützliches verwenden?

Eine nackte Singularität würde sich unvorhersehbar verhalten, worum es schließlich geht!

Antworten (3)

Wir wissen, dass die Theorie der kosmischen Zensur verhindert, dass Singularitäten ohne einen Ereignishorizont existieren, der sie vor dem Universum verbirgt.

Wir wissen nicht wirklich, ob die kosmische Zensur wahr oder falsch ist. Es ist nicht einmal klar, wie man es rigoros als Hypothese formulieren soll. Einige Informationen zum aktuellen Stand von CC finden Sie in dieser Frage. Es gibt ernsthafte Hinweise darauf, dass der Gravitationskollaps in einigen Fällen zur Bildung einer nackten Singularität führen kann.

Nehmen wir nun an, dass diese Theorie irgendwie falsch ist und eine nackte Singularität im Sonnensystem erscheint. Wie würden wir es zum ersten Mal bemerken, wie würde es aussehen, wie würde es sich verhalten und könnten wir es für etwas Nützliches verwenden?

Allein die Definition einer nackten Singularität macht es GR unmöglich, zu sagen, wie sie aussehen oder ihr Verhalten vorhersagen würde. Eine Singularität ist per Definition eine Situation, die entsteht, wenn Geodäten unvollständig sind. Wenn also beispielsweise ein Lichtstrahl auf eine Singularität trifft, können wir GR per Definition nicht verwenden, um den Strahl durch die Singularität zu verfolgen und zu sehen, wohin er geht, wenn er austritt. Allgemeiner können nackte Singularitäten im Allgemeinen willkürliche Informationen und unbegrenzte Energie (in GR) aussenden. Das bedeutet, dass wir GR nicht verwenden können, um vorherzusagen, was aus ihnen herauskommt (ohne uns überhaupt Gedanken darüber zu machen, Strahlen durch sie zu verfolgen). Dies wird durch John Earmans denkwürdige Abbildung und Bildunterschrift unten gezeigt:

Earmans Diagramm von bösen Dingen, die aus einer nackten Singularität kommen

Die Besorgnis wird in Abb. 3.1 veranschaulicht, wo alle möglichen hässlichen Dinge – Fernsehgeräte, die Nixons „Checkers“-Rede zeigen, grüner Schleim, Monster aus japanischen Horrorfilmen usw. – blitzschnell aus der Singularität auftauchen.

Dass GR nicht vorhersagen kann, was aus der nackten Singularität herauskommt, liegt einfach daran, dass wir nicht einmal die Anfangsbedingungen passend formulieren können, weil es keine Cauchy-Fläche gibt. Weitere Informationen hierzu finden Sie in dieser Frage .

Wenn eine nackte (zeitähnliche) Singularität existierte, dann könnte GR uns etwas über Lichtstrahlen sagen, die in ihrer Nähe, aber nicht zu nahe vorbeigegangen sind. Das heißt, wir könnten vielleicht eine partielle Cauchy-Oberfläche konstruieren, die gut genug wäre, um uns zum Beispiel zu sagen, welche Verzerrungen wir im Hintergrund von Sternen sehen würden. Wir würden wahrscheinlich erwarten, dass das Verhalten einer solchen Raumzeit über große Entfernungen nur durch ihre Masse und ihren Drehimpuls charakterisierbar ist (vorausgesetzt, sie hat keine seltsamen Eigenschaften wie das topologische Verhalten, das Sie in Dingen wie Taub-NUT-Raumzeiten erhalten). In diesem Fall würde der Teil des Himmels, der weit genug von der Singularität entfernt ist, wahrscheinlich ungefähr so ​​​​aussehen, wie Sie es mit einem Kerr-Schwarzen Loch erhalten würden. Ich würde nicht erwarten, dies auf Regionen sehr nahe an der Singularität ausdehnen zu können, wo Sie geschlossene, zeitähnliche Kurven hätten,

Wie würde es aussehen?

Unter der Annahme, dass keine Akkretionsscheibe vorhanden ist, würde der Gravitationslinseneffekt einer überextremen Kerr-Singularität mit a/M=2 vor dem Hintergrund der Milchstraße so aussehen, wenn Sie sie von der Äquatorialebene aus betrachten (die linke Seite der Singularität dreht sich zum Beobachter hin). ):

Kerr nackte Singularität, Äquatorebene

Bei 45° sehen Sie einen dunklen Fleck, wo die Geodäten in den negativen Raum hinter dem Ring führen:

Kerr nackte Singularität, 45 Grad

Und noch mehr, wenn man es von oben betrachtet (Drehung gegen den Uhrzeigersinn):

Kerr nackte Singularität, Polarebene

Zum Vergleich das gleiche Hintergrundbild von ESO/Brunier ohne Verzerrung:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ein weiteres Beispiel für eine rotierende und geladene nackte Singularität mit einer Akkretionsscheibe:

Kerr Newman nackte Singularität mit Akkretionsscheibe

Zum Vergleich ein Schwarzes Loch mit ähnlichen, aber subextremen Eigenschaften:

Kerr Newman Schwarzes Loch mit Akkretionsscheibe

Der dunkle Fleck im 2. und 3. Bild kann auch hell sein, je nachdem, ob der negative Raum hinter dem Ring leer oder ein eigenes Universum ist.

wie würde es sich verhalten?

Unter der Annahme, dass der Durchmesser des Rings groß genug ist, sollten Alice und Bob, wenn sie gleichzeitig von gegenüberliegenden Seiten durch den Ring fallen würden, auch gleichzeitig auf der anderen Seite des Raums mit den beiden Blättern auftauchen :

Alice und Bob, Kerr-Ring-Singularität

Zumindest ist das die relativistische Lösung, obwohl die Natur solche nackten Ringe aufgrund des kosmischen Zensursatzes verhindern könnte. Für weitere Details und eine analytische Lösung der Silhouetten in den oberen Bildern siehe jedoch Maeda, Seite 14 (Phys. Rev. D80, 024042, 09) und DeVries, Seite 20 (DOI:10.1088/0264-9381/17/1/ 309).

Ihr letzter Link ist defekt. Beachten Sie bei der Behebung, dass Links zu Artikeln auf (i) Zielseiten (keine PDFs), (ii) stabile Links, die robust gegen Linkfäule sind (d. h. den DOI, falls überhaupt verfügbar), und (iii) verweisen sollten. zu Rechtsmitteln. Wenn Benutzer dann zu Piraterie-Websites gehen möchten, um nach ihrem Papier zu suchen, ist das in Ordnung, aber im Interesse, diese Website als professionelle Anlaufstelle zu erhalten, verlinken wir nur auf legale Ressourcen.
Du meinst die Referenz von De Vriess? Dieser Link war tot, weil sci-hub seine Domain von .hk auf .tw geändert hat. Ich verlinke stattdessen auf die Quelle iopscience, danke für den Hinweis
Auch für Jornal-URLs gibt es keine Stabilitätsgarantie – daher ist der DOI-Link (in diesem Fall doi.org/10.1088/0264-9381/17/1/309 ) in allen Fällen vorzuziehen, wo er verfügbar ist.
Eine nackte Singularität hat keinen Ereignishorizont, daher heißt sie nackt. Nur das letzte Bild zeigt zum Vergleich ein Schwarzes Loch. Die nackten Singulaties beugen auch das Licht der Hintergrundsterne, dafür braucht man kein schwarzes Loch. Alles mit Energie beugt Licht.
Entschuldigung, ich habe in meinem vorherigen Kommentar die Waffe übersprungen. Es scheint mir jedoch, dass es bei dieser Antwort noch einige Probleme gibt. (1) Sie haben einige Verstümmelungen in Ihren Referenzen. Waseda ist der Name der Universität, nicht der Autor, und der Link führt zu einer Powerpoint-Datei, nicht zu der Arbeit in Phys Rev D. (2) Es war mir nicht klar, bis ich die Unterschriften in den Ecken der Bilder bemerkte dass sie selbst gebaut wurden. Das ist cool, aber es lässt uns keine Möglichkeit zu wissen, was Sie tatsächlich getan haben oder ob es richtig ist. (3) Das de Vries-Papier sieht für mich einfach falsch aus. Er spricht über optische [...]
[...] Raytracing für Strahlen, die durch die Singularität gehen, aber das macht keinen Sinn. Per Definition beinhaltet eine Singularität geodätische Unvollständigkeit, sodass Sie keine Strahlen durch sie hindurch verfolgen können. Das schien mir so offensichtlich falsch, dass ich an mir selbst zweifelte, also versuchte ich zu überprüfen, ob die Zeitung veröffentlichte Kritik auf sich gezogen hatte oder ob de Vries ein bekannter Relativist war. Google Scholar zeigt nur ein Zitat, auf das ich nicht zugreifen konnte. De Vries promovierte 1994 und bekam danach sofort eine Stelle in der Industrie. [...]
[...] (4) Nackte Singularitäten können im Allgemeinen beliebige Informationen und unbegrenzte Energie (in GR) aussenden. Das bedeutet, dass wir GR nicht verwenden können, um vorherzusagen, was aus ihnen herauskommt (ohne uns überhaupt Gedanken darüber zu machen, Strahlen durch sie zu verfolgen). (5) Die superextreme Kerr-Newman-Lösung hat CTCs. Das bedeutet, dass wir nicht eine anfängliche Cauchy-Oberfläche nehmen und in der Zeit vorwärts propagieren können, um die Lösungen von Wellengleichungen oder die Bewegung von Testteilchen zu finden.
Die Singularität liegt bei r=0, θ=±90° (in Boyer-Lindquist-Koordinaten, dh in kartesischen Koordinaten ist es ein Ring mit einem Radius proportional zum Spinparameter). Der Bereich zwischen dem Ring (-90°<θ<+90°) ist nicht Teil der Singularität selbst, wenn Sie durchfliegen, treffen Sie den Ring nicht, Sie fliegen nur durch, ohne ihn zu berühren
Ich denke, dass diese Antwort unter anderem das Problem geschlossener zeitartiger Kurven ansprechen muss. Ohne darauf zu achten, ist es wirklich unmöglich zu sagen, was passiert, wenn man sich vorstellt, durch die Ringsingularität zu gehen. Außerdem habe ich eine vage Erinnerung daran, etwas über Instabilität gelesen zu haben, was ein weiterer Grund dafür ist, die Kerr-Metrik unter solchen Bedingungen als zweifelhaft anzusehen.
Für die geschlossenen zeitähnlichen Kurven müssen Sie einige spezielle Manöver ausführen, wie in dieser Referenz: roma1.infn.it/teongrav/leonardo/bh/bhcap3.pdf#page=26 - das ist etwas, das auch angesprochen werden könnte, aber ich denke es könnte den Rahmen der Frage sprengen. Außerdem ist die Metrik natürlich zweifelhaft in Bezug auf Singularitäten, aber da die Frage hypothetisch gestellt wurde, ist die Antwort auch hypothetisch.
@Ben Crowell, zu Ihrer Frage (2): Der Raytracer verwendet Geodäten von Kerr Newman. Ich habe seine Funktionalität überprüft, indem ich seine Ergebnisse mit Geovis verglichen habe (siehe tinyurl.com/y3v2b5lg für das Original und tinyurl.com/yyludmq8 für die Reproduktion), Project 599 (siehe tinyurl.com/yybe8ect für das Original und tinyurl.com/y3smsk2z für die Reproduktion) und Andreas Müller (siehe tinyurl.com/y52j4qyw für das Original und tinyurl.com/y5mwtzd2 für die Reproduktion), so sollten die Bilder sein OK. Die Silhouetten des NS sind auch wie in den zitierten Referenzen.
@Yukterez: Deine Arbeit sieht wirklich gut aus. Ist es Open-Source? Ich habe einige ähnliche Simulationen durchgeführt: github.com/bcrowell/karl Vielen Dank für die weiteren Informationen darüber, was Sie getan haben. Aber ich bin immer noch nicht überzeugt von den physikalischen Problemen, die sich speziell auf nackte Singularitäten und diese Frage beziehen. Was Sie bei dieser Art von Simulation tun können, ist, die Strahlen zu verfolgen, die das Gravitationsfeld in der Nähe der Singularität passieren, und selbst dann haben Sie Probleme damit, dass aufgrund der Existenz von CTCs keine Cauchy-Oberfläche erzeugt werden kann. Sie können keine Strahlen simulieren, die von oder durch die Singularität kommen.
1) Es hängt vom Winkel ab, wie gesagt, wenn Sie sich r = 0 von θ ≠ 90 ° nähern, verpassen Sie die Singularität und setzen den Weg ins negative r fort. Wenn Sie in kartesische Koordinaten transformieren oder Kerr Schild verwenden, sehen Sie, dass r = 0, θ = 90 ° ein unendlich dünner Ring mit dem Radius R = a ist, den die Geodäten glatt durchqueren, wenn θ ≠ 90 °. Auch der Ring selbst ist bei θ=90° abstoßend. 2) Die Bilder sind Creative Commons und können wiederverwendet werden, und der Code ist auch frei verfügbar unter raytracing.yukterez.net und pastebin.com/u/Yukterez , aber die Syntax ist reference.wolfram.com/language/guide/Syntax.html

Wir wissen, dass die Theorie der kosmischen Zensur verhindert, dass Singularitäten ohne einen Ereignishorizont existieren, der sie vor dem Universum verbirgt.

Eigentlich nicht. Vergessen Sie nicht, dass die kosmische Zensur nur eine Hypothese ist. Es ist keine rigorose, gut getestete Theorie wie die Allgemeine Relativitätstheorie. Siehe dies im Wikipedia- Artikel zur kosmischen Zensur : "Die Hypothese wurde erstmals 1969 von Roger Penrose formuliert und nicht vollständig formal formuliert . " Ich persönlich denke, dass die allgemeine Relativitätstheorie verhindert, dass Singularitäten existieren. Oder sollte ich Punktsingularitäten sagen, denn der Ereignishorizont ist eine Form der Singularität, siehe den Wikipedia- Artikel zum Schwarzschild-Radius .

Nehmen wir nun an, dass diese Theorie irgendwie falsch ist und eine nackte Singularität im Sonnensystem erscheint. Wie würden wir es zum ersten Mal bemerken, wie würde es aussehen?

IMHO würden Sie nichts Spektakuläres sehen, weil es immer noch etwas Kleines und Massives ist. Sein Gravitationsfeld verschwindet nicht. Licht kann da nicht raus. IMHO würde es also so aussehen wie die Darstellung des Schwarzen Lochs "Einschussloch in einem Auto" rechts vom Wikipedia- Artikel zum Schwarzen Loch . Nur mit kleinerem Einschussloch. Wenn Sie jedoch etwas darauf werfen würden, würden Sie ein Feuerwerk sehen, das einem Gammastrahlen-Burster ähnelt . Es würde so etwas wie ein Lichtbogenschweißgerät aussehen. Starren Sie nicht darauf, sonst verletzen Sie Ihre Augen.

Wie würde es sich verhalten?

Schlecht. Sehr sehr schlecht.

Und könnten wir es für etwas Nützliches verwenden?

Angenommen, wir sind uns alle einig, dass die Zerstörung des Planeten Erde nichts Nützliches ist, dann nein .

Oder sollte ich Punktsingularitäten sagen, denn der Ereignishorizont ist eine Form der Singularität. Die relevante Unterscheidung ist nicht zwischen einer punktförmigen Singularität und einer Singularität auf einer Fläche, sondern zwischen Koordinatensingularitäten und Singularitäten mit geodätischer Unvollständigkeit. Wir können nicht einmal definieren, ob beispielsweise die Singularität der Schwarzschild-Raumzeit bei R = 0 ist ein Punkt oder eine Fläche.
@Ben Crowell: Der strittige Punkt ergibt sich aus dem, was Einstein 1920 sagte : „Wie eine einfache geometrische Betrachtung zeigt, tritt die Krümmung von Lichtstrahlen nur in Räumen auf, in denen die Lichtgeschwindigkeit räumlich variabel ist . “ Licht kann nicht langsamer als gestoppt werden, also die Singularität bei r = r S ist nicht nur eine Koordinatensingularität. Hier enden Ihre Geodäten. KS-Koordinaten mit "Schildkröten"-Sekunden, die ewig dauern, helfen nicht. Penrose-Hawking-Singularitätstheoreme stimmen nicht mit Einsteins GR überein.
Die Eigenzeit τ des einfallenden Teilchens endet nicht bei r=rs, sondern bei der wahren Singularität bei r=0. Nur die Koordinatenzeit t eines stationären externen Beobachters divergiert gegen unendlich, während die Position des einfallenden Testteilchens gegen r=rs konvergiert.
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Nackte Singularität: Wie würde sie sich verhalten?
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