Singularități goale pentru știință
Găurile negre au surori mici problematice, singularități goale. Existența lor a fost considerată imposibilă de mult timp, dar s-ar putea ca aceste obiecte ciudate să existe.
Majoritatea astrofizicienilor cred că rezultatul este o gaură neagră, un obiect cu o gravitație atât de intensă încât nimic nu poate scăpa din imediata sa vecinătate. O gaură neagră are două părți. În centru se află singularitatea, adică punctul infinitesimal în care este concentrată toată materia stelei. În jurul singularității este o regiune a spațiului în care nimic nu-i poate scăpa gravitației, nici măcar lumina. Granița acestei regiuni este ceea ce se numește orizontul evenimentelor. Un obiect care traversează orizontul evenimentelor nu iese niciodată. Orice lumină emisă de corpul prins este, de asemenea, prinsă, astfel încât obiectul dispare pentru totdeauna din ochii unui observator exterior. În cele din urmă, obiectul cade pe singularitate.
Dar pictura aceasta descrie într-adevăr realitatea? Legile actuale ale fizicii implică în mod clar formarea unei singularități, dar sunt mai vagi în ceea ce privește orizontul evenimentelor. Majoritatea fizicienilor consideră că trebuie să se formeze un orizont, chiar și numai pentru că acționează ca o acoperire în timp util a neajunsurilor noastre teoretice. Deoarece fizicienii de astăzi nu înțeleg exact acest mod foarte simetric și să devină suficient de compact pentru a se forma un orizont și, prin urmare, o gaură neagră.
Stelele reale, desigur, sunt mai complicate. Densitatea lor nu este omogenă, gazul exercită o presiune semnificativă și nu sunt niciodată perfect sferici. În aceste condiții, o stea suficient de masivă care se prăbușește se transformă neapărat într-o gaură neagră? ?
Pe baza argumentelor teoretice, fizicianul britanic Roger Penrose a conjecturat în 1969 că, în general, formarea unei singularități într-un colaps gravitațional implică formarea unui orizont de evenimente. Natura ne-ar împiedica astfel să vedem o singularitate „goală”, un orizont fiind întotdeauna prezent pentru ao ascunde de observațiile noastre. Această presupunere a fost astfel calificată drept „principiu al cenzurii cosmice”.
Fizicienii au crezut că pot demonstra rapid această presupunere, dar nu au făcut-o. Eșuând în a găsi o dovadă directă a principiului cenzurii cosmice, teoreticienii au trebuit să înceapă o analiză de la caz la caz a colapselor gravitaționale, prin extinderea treptată a modelelor lor.
Întrebarea este dacă, în timpul prăbușirii oricărei stele, apare întotdeauna o regiune a cărei compactitate depășește o valoare critică, adică în care câmpul gravitațional devine suficient de intens în raport cu extensia spațială, astfel încât să se formeze un orizont.
În 1973, fizicianul german Hans Jürgen Seifert și colegii săi au modelat prăbușirea unei stele neomogene. În mod surprinzător, au descoperit că straturi distincte de materie se pot intersecta pe măsură ce se prăbușesc, pentru a forma singularități de moment care nu sunt înconjurate de un orizont. Dar singularitățile de acest tip sunt destul de inofensive: densitatea devine foarte infinită acolo, dar nu este cazul intensității gravitației, astfel încât relativitatea generală nu este niciodată greșită. Materialul care cade pe aceste singularități nu ar fi comprimat într-un cap de ac și ar trece prin ele, mai degrabă decât să dispară.
În 1979, americanii Douglas Earley și Larry Smarr au făcut următorul pas simulând digital prăbușirea unei stele cu un profil de densitate realist (densitate maximă la centru și descrescătoare la suprafață). O analiză teoretică a aceleiași situații a fost efectuată de Demetrios Christodoulou de la Institutul Federal de Tehnologie din Zurich în 1984. Ambele studii au concluzionat că steaua se contractă la dimensiunea zero, dând naștere unei singularități goale. Dar modelul a neglijat încă presiunea, iar Richard Newman de la Universitatea York, Anglia, a arătat că singularitatea era și gravitațional slabă și aici.
Inspirați de aceste rezultate, mulți cercetători, inclusiv eu, am încercat să demonstreze că singularitățile goale sunt întotdeauna slabe gravitațional. Nu am reușit: a devenit rapid clar că singularitățile goale nu sunt întotdeauna slabe. Am găsit scenarii neomogene de colaps care duc la singularități goale unde gravitația este puternică, adică la adevărate singularități. Analiza generală a prăbușirii în absența presiunii gazelor, efectuată de Indresh Dwivedi de la Institutul Tata din Bombay și de mine în 1993, a clarificat și a rezolvat aceste puncte.
La începutul anilor 1990, fizicienii au început să ia în considerare presiunea gazelor. Israelienii Amos Ori și Tsvi Piran au efectuat simulări numerice, iar grupul meu a găsit soluțiile exacte ale ecuațiilor relevante. Verdict: Stelele modelate cu densitate și presiune realiste se pot prăbuși în singularități goale. În același timp, echipele Giulio Magli, Universitatea Politehnică din Milano și Kenichi Nakao, Universitatea Osaka, au studiat prăbușirea ținând cont de presiunea generată de rotația particulelor din sânul stelei în contracție. Și ei au arătat că, în situații foarte diverse, prăbușirea are ca rezultat o singularitate goală.
Generic sau excepțional ?
Aceste studii au tratat stele perfect sferice, dar aceasta nu este o simplificare atât de severă pe cât pare, deoarece majoritatea stelelor sunt aproximativ sferice. În plus, sfericitatea este a priori mai propice formării unui orizont de evenimente decât formele mai puțin simetrice și, dacă principiul cenzurii cosmice nici măcar nu se aplică pentru ele, atunci validitatea sa este discutabilă.
Acestea fiind spuse, fizicienii au explorat prăbușirile gravitaționale ale stelelor non-sferice. În 1991, Stuart Shapiro de la Universitatea din Illinois și Saul Teukolsky de la Universitatea Cornell au prezentat simulări numerice în care stelele alungite se pot prăbuși în singularități goale. Câțiva ani mai târziu, Andrzej Królak de la Academia de Științe din Polonia și eu am studiat colapsul sferic și am găsit și singularități goale. Aceste două studii au neglijat însă presiunea gazului.
Este îndoielnic dacă aceste situații nu sunt prea specifice pentru a trage concluzii generale. O mică variație în configurația inițială a stelei ar duce la formarea unui orizont de evenimente? Dacă da, singularitățile goale pot fi un artefact al aproximărilor utilizate în modelare și atunci nu ar avea loc niciodată în natură. Anumite scenarii care implică forme neobișnuite ale materiei sunt într-adevăr foarte sensibile; dar deocamdată, rezultatele noastre arată că majoritatea scenariilor de formare a singularității sunt stabile în ceea ce privește mici variații în condițiile inițiale. Deci această situație pare să fie norma, nu excepția.