¿Puedes tener agujeros negros en tus agujeros negros?

Respuesta técnica/matemáticamente correcta

Aquí hay un ejemplo de un agujero negro que está técnicamente dentro de otro agujero negro: la solución Reissner-Nordstrom extendida al máximo. En este caso, lo que queremos decir con estar "dentro" del agujero negro es que el horizonte de eventos de un agujero negro está completamente hacia el futuro del otro (vea a continuación por qué esto no es intuitivamente lo que pensaría como un agujero negro). agujero dentro de otro). Esta solución corresponde a un espacio-tiempo esféricamente simétrico con carga eléctrica en el centro de simetría esférica. El diagrama de Penrose para esta solución se muestra aquí:

Comenzando en la línea discontinua horizontal y moviéndose hacia arriba, encontramos el primer horizonte de eventos del agujero negro en la línea diagonal etiquetada$r=r_+$. Pasando esto, entramos en el primer agujero negro y, a diferencia de la solución de Schwarzschild, ahora hay dos singularidades temporales separadas en$r=0$. Debido a que son similares al tiempo, se pueden evitar, por lo que una línea de tiempo similar al tiempo puede comenzar a moverse radialmente hacia afuera una vez que pasa la primera superficie etiquetada$r=r_-$. Eventualmente, esta línea emergerá del horizonte de un agujero blanco (en el siguiente conjunto de líneas etiquetadas como$r=r_+$, y luego verá que hay otro agujero negro en el horizonte hacia el futuro. De hecho, la solución extendida al máximo consiste en una cadena infinita de agujeros negros y agujeros blancos, y cada uno está dentro del siguiente en el sentido de que cada agujero negro sucesivo está al futuro del anterior. Tal cadena de agujeros negros también surge en el agujero negro de Kerr de máxima extensión, describiendo un agujero negro giratorio cilíndricamente simétrico en el vacío.

Por supuesto, este espacio-tiempo es algo exótico. Posee horizontes de Cauchy, por ejemplo en los primeros$r=r_-$superficie, por lo que los datos iniciales en el primer segmento no determinan completamente cómo evolucionarán los campos a lo largo del espacio-tiempo (se necesitan condiciones de contorno adicionales en la singularidad). Se piensa genéricamente que los horizontes de Cauchy son inestables, por lo que es poco probable que surja una cadena de agujeros negros de este tipo en un agujero negro astrofísico. Las perturbaciones de este espacio-tiempo tienden a hacer que la cadena se rompa, lo que conduce a singularidades nulas o similares al espacio.

Probablemente podría inventar otros ejemplos de agujeros negros con múltiples regiones infinitas nulas asintóticas que tienen un agujero negro dentro del otro. Es probable que para una situación tan exótica termines violando una condición energética para el espacio-tiempo, o teniendo otras patologías como no ser globalmente hiperbólico. De hecho, podría ser posible probar varios teoremas sobre la hiperbolicidad global u otros aspectos de la estructura causal en estos casos, aunque no conozco ningún trabajo que examine esto en detalle.

Explicación más intuitiva

Después de escribir la respuesta anterior, me di cuenta de que realmente no se corresponde con la noción intuitiva de un agujero negro dentro de otro.

La razón por la que es un poco complicado describir un agujero negro dentro de otro es que los agujeros negros se definen de una manera global y "teleológica", lo que significa que su definición depende de toda la historia del espacio-tiempo y no como a menudo los imaginamos. como objetos que existen en cualquier momento dado en el tiempo. Cuando uno piensa que un agujero negro está dentro de otro, uno se imagina un pequeño horizonte de eventos dentro del más grande que eventualmente se topa con la singularidad. Sin embargo, esto no es posible porque el pequeño horizonte de eventos en el interior en realidad no es el límite del pasado causal del infinito futuro nulo. Lo que esto significa es que no hay una buena manera de definir el horizonte de eventos de este agujero negro interior, ya que el verdadero horizonte de eventos en realidad solo consiste en el agujero negro exterior.

Si el agujero negro más pequeño originalmente comenzó fuera del más grande, entonces el horizonte de eventos consta inicialmente de dos piezas diferentes, pero una vez que se fusionan, los horizontes de eventos se combinan en uno solo conectado, y ahora solo hay un agujero negro.

Entonces preguntaste qué sucede cuando las singularidades chocan. Creo que esta es en general una pregunta bastante complicada, ya que las ecuaciones de la relatividad general se comportan caóticamente cerca de las singularidades. En realidad, es bastante probable que no se sepa mucho sobre la estructura de estas singularidades de agujeros negros que se fusionan, ya que la relatividad numérica es computacionalmente costosa y se vuelve mucho más difícil cuando se encuentra en regiones de alta curvatura cerca de la singularidad. Creo que es razonable suponer que la singularidad completa es una sola superficie que consta de regiones nulas y similares al espacio, pero los detalles son complicados debido al comportamiento caótico. Cuando las singularidades están muy cerca, probablemente esperaría una contracción y expansión del espacio muy rápida y violenta que es característica de estas singularidades.