гравитационная сингулярность

История

В 1916 году Карл Шварцшильд получил решение уравнений Эйнштейна, описывающее сферическое тело, где проявлялась сингулярность. Позже Джон Уилер дал название «чёрная дыра», а Стивен Хокинг доказал, что сингулярности обязательно образуются при гибели больших звёзд.

Как работает

Когда очень массивная звезда исчерпывает топливо, её ядро обрушивается внутрь. Гравитация сдавливает вещество настолько, что разрушаются даже атомные ядра, и всё схлопывается в бесконечно малую точку — сингулярность. Искривление пространства-времени становится настолько крутым, что любой путь ведёт только внутрь, подобно тому как вода, попавшая в воронку, неизбежно уходит в слив. Поэтому ни свет, ни вещество не могут выбраться обратно.

История

В 1916 году Карл Шварцшильд получил решение уравнений Эйнштейна, описывающее сферическое тело, где проявлялась сингулярность. Позже Джон Уилер дал название «чёрная дыра», а Стивен Хокинг доказал, что сингулярности обязательно образуются при гибели больших звёзд.

Как работает

Когда очень массивная звезда исчерпывает топливо, её ядро обрушивается внутрь. Гравитация сдавливает вещество настолько, что разрушаются даже атомные ядра, и всё схлопывается в бесконечно малую точку — сингулярность. Искривление пространства-времени становится настолько крутым, что любой путь ведёт только внутрь, подобно тому как вода, попавшая в воронку, неизбежно уходит в слив. Поэтому ни свет, ни вещество не могут выбраться обратно.

История

В 1916 году Карл Шварцшильд нашёл точное решение уравнений Эйнштейна для сферически-симметричного распределения массы, которое содержало сингулярность в центре (при r=0). Долгое время это считали математическим курьёзом. В 1960-х годах Джон Уилер и его коллеги разработали концепцию чёрной дыры как реального астрофизического объекта. Теоремы о сингулярностях, доказанные Роджером Пенроузом (1965) и Стивеном Хокингом, показали, что при гравитационном коллапсе сингулярность возникает неизбежно. Позже Хокинг применил квантовую теорию к чёрным дырам и предсказал излучение, которое должно приводить к их испарению; при этом сингулярность, возможно, размывается квантовыми флуктуациями.

Как работает

Когда звезда с массой выше предела Оппенгеймера-Волкова (примерно 3 массы Солнца) исчерпывает ядерное топливо, давление вырожденных нейтронов оказывается неспособным противостоять гравитации. Ядро коллапсирует, вещество сдавливается, и пространство-время искривляется так сильно, что метрика уравнения Шварцшильда становится сингулярной. Внутри горизонта событий радиальная координата становится времениподобной, так что любое движение направлено к сингулярности. Квантовые поправки меняют сценарий: излучение Хокинга может уносить массу и, возможно, информацию; в полной теории квантовой гравитации сингулярность, вероятно, сглаживается или исчезает.

Открытые проблемы и интересные факты

Являются ли сингулярности реальными физическими объектами или лишь указывают на неполноту классической теории? Сглаживаются ли они квантовой гравитацией?; Почему сингулярность Большого взрыва имела ничтожно малую энтропию, тогда как чёрные дыры обладают огромной энтропией?; Как преодолеть проблему потери информации в чёрных дырах (информационный парадокс)?; Какая из теорий квантовой гравитации (теория струн, петлевая квантовая гравитация) описывает сингулярности и даёт проверяемые предсказания?

💡 В решениях для заряженных (Рейсснера-Нордстрёма) или вращающихся (Керра) чёрных дыр при экстремальных параметрах горизонт событий может исчезнуть, обнажив сингулярность. Такая открытая сингулярность была бы видна далёкому наблюдателю, что запрещено гипотетическим принципом «космической цензуры», сформулированным Роджером Пенроузом.