¿Son los agujeros negros realmente singularidades?

¿Qué es una singularidad?

Una singularidad es un punto en el universo donde la materia es infinitamente densa. La singularidad está en el centro del agujero negro y, a menudo, se esconde detrás de un horizonte de eventos. Entonces, básicamente, una singularidad es un punto en el espacio donde se concentra mucha materia en un espacio muy pequeño. Cuando tienes una singularidad la materia no va al infinito. La densidad es lo que va al infinito. La densidad y la materia son cosas diferentes.

A menudo se crea una singularidad en una explosión de supernova. Una supernova es donde se forma una estrella cuando hay tanta materia en el centro de una estrella (al final de su vida) que la estrella no puede soportar su propia fuerza gravitatoria, y colapsa sobre sí misma y explota.

La segunda forma en que puede ocurrir una supernova es en un sistema estelar binario, donde si hay una enana blanca , le roba materia a la otra estrella y finalmente acumula tanta materia que explota.

Una singularidad es causada por las estrellas grandes, no por las pequeñas. Las estrellas pequeñas que explotan en una supernova crean algo llamado estrellas de neutrones.

Entonces, ¿qué es un agujero negro?

Un agujero negro es un área en el espacio con un campo gravitatorio tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. Los agujeros negros no tienen el color negro, no tienen color porque no podemos ver la luz que regresa de ellos. Así que no, la luz no se absorbe. Los agujeros negros también pueden eventualmente disiparse, debido a un mecanismo llamado Radiación de Hawking.

Hay múltiples tipos de agujeros negros, incluyendo:

• Agujeros negros supermasivos (a menudo se encuentran en el centro de las galaxias)

• Agujeros negros estelares

• Agujeros negros primordiales

• Agujero negro giratorio (Kerr)

Finalmente, hay 3 áreas principales dentro de un agujero negro.

Este diagrama puede mostrarnos muchas cosas, por ejemplo, cómo los agujeros negros no tienen una atracción gravitacional que atraviese todo el universo.

En una nota final, podemos calcular el área donde incluso la luz no puede escapar usando el radio de Schwarzschild . Como dijiste, esta respuesta no debería incluir la relatividad, tampoco incluiré matemáticas. El radio de Schwarzschild, en resumen, es donde se encuentra el horizonte de sucesos en un agujero negro.

Resumen

Perdón por proporcionar una respuesta incómodamente larga, estaba teniendo problemas para entender lo que no entendías, y pensé que si explicaba una singularidad, seguramente te ayudaría, lo siento si solo dije cosas que ya sabes. He proporcionado algunos enlaces de Wikipedia si desea echar un vistazo a algunos de los términos que dejé en cursiva. También es posible que desee ver la termodinámica del agujero negro.

• Radio de Schwarzschild
• Ergosfera
• Radiación de Hawking
• enano blanco
• Termodinámica del agujero negro

Esta respuesta está, hasta cierto punto, basada en opiniones. Comparto tu escepticismo sobre la existencia de singularidades matemáticas estrictas como prediría la Relatividad General. Esto se debe principalmente a que la suposición de una singuaridad estricta ignora la teoría cuántica. Un enfoque para superar la singularidad es un Gravastar . Relacionado es una estrella de Planck . Ambos enfoques intentan superar las paradojas cercanas a la singularidad. Una respuesta completa podría eventualmente ser proporcionada por una gravedad cuántica aún por definir .

Otra dificultad para los agujeros negros "reales" es la rotación. No se espera que la solución de Schwarzschild ocurra en los agujeros negros del mundo real.

En cambio, una solución de Kerr (o podría ser una métrica de Kerr-Newman ) se acercará más a los objetos astronómicos reales, por lo tanto, incluirá al menos la rotación, y podría ser una carga eléctrica residual.

Una partícula sin masa que viaja a la velocidad de la luz da como resultado una energía indefinida según la Relatividad Especial. La naturaleza abre una física dedicada a las partículas sin masa al permitirles tomar cualquier energía para resolver este rango indefinido. De manera similar, la naturaleza puede abrir un nuevo tipo de física dentro de los agujeros negros para resolver la paradoja entre la Relatividad General y la teoría cuántica.

Creo que parte de la premisa de que hay alguna forma de estabilizar un objeto extremadamente denso dentro del horizonte de eventos de un agujero negro. En la teoría clásica de la Relatividad General la singularidad es inevitable. Una vez dentro de un horizonte de sucesos, un objeto se ve obligado a moverse hacia la singularidad y alcanzarla en un tiempo finito, de la misma manera que usted está obligado a avanzar en el tiempo, le guste o no.

Por lo tanto, es imposible tener algo en GR clásico que parezca un agujero negro y tenga un horizonte de eventos, pero que no forme algún tipo de singularidad. Sin embargo, sabemos que la GR clásica debe descomponerse en escalas (cuánticas) extremadamente pequeñas, por lo que es muy posible que suceda algo que impida las singularidades en una teoría cuántica de la gravedad.

Entonces, uno es perfectamente libre de inventar una versión de la Relatividad General que permita algún tipo de evitación de una singularidad. Pero hay (al menos) dos requisitos. (1) Debería explicar todas las demás cosas que el GR clásico explica perfectamente bien. (2) Debería tener consecuencias observables fuera del horizonte de eventos, porque de lo contrario es mirarse el ombligo sin sentido (OMI).

NB: los agujeros de gusano y similares pueden ser posibles en los agujeros negros giratorios (GR clásico), pero mi entendimiento limitado es que estos se forman a pesar de la singularidad (que ya no es un punto). En otras palabras, la singularidad sigue ahí, pero la materia no termina inevitablemente en ella (¡sino que se va a otra parte!)

Lo que has escrito sobre masa infinita, fuerza infinita, etc. es simplemente incorrecto. La masa de un agujero negro está bien definida, al igual que sus efectos gravitatorios. Una masa finita todavía surge de tomar la integral de una densidad infinita sobre el volumen cero.

Es común describir una singularidad como un punto de densidad infinita, pero en realidad son más generales que eso: son una especie de comportamiento patológico en la métrica del espacio-tiempo. Si las singularidades son fenómenos físicos reales o simplemente demuestran el punto en el que una teoría (en este caso, la relatividad general) ya no puede describir la naturaleza es un tema de debate.

El teorema de singularidad de Penrose demuestra que, bajo cierto conjunto de suposiciones muy razonables, el colapso gravitacional de un objeto como una estrella conduce inevitablemente a una singularidad. Tenga en cuenta que la prueba es de incompletitud geodésica (es decir, las líneas de tiempo de algún objeto en caída libre terminan abruptamente). Esto no es (necesariamente) lo mismo que las aparentes singularidades de curvatura de 'densidad infinita' que ocurren en soluciones idealizadas de agujeros negros como la métrica de Schwarzschild.

Hay muchas buenas respuestas a esto a nivel físico, pero no veo que se aborde esta, así que daré una respuesta breve.

Me cuesta aceptar que cualquier cosa puede existir con una propiedad infinitamente grande, ya que conduciría a una masa infinitamente grande que conduciría a fuerzas infinitamente grandes... eso destruiría el universo infinitamente rápido, ¿no es así?

Si los agujeros negros tienen infinitos, lo que solo es posible si tienen una singularidad, entonces esos infinitos son, por definición, infinitos pequeños y no infinitos desde cualquier distancia, incluso una fracción de la distancia de un átomo. Así que "destruir el universo por fuerzas infinitas", claro, si el universo fuera más pequeño que un átomo, o tal vez, dentro del horizonte de sucesos donde no podía hacer otra cosa que caer hacia la singularidad, pero a cualquier distancia segura y razonable, negro los agujeros no son peligrosos y no son una amenaza para el universo.

Así que creo que un objeto supermasivo también puede ser rudo sin tener que ser una singularidad.

y

¡Gravastars al rescate! Justo lo que necesitaba. ¡Finalmente, algunos teóricos que no se sienten cómodos con objetos infinitamente desagradables que pueblan nuestro universo!

Bien, para empezar, las leyes de la física son las que son, y no les importa lo que pensemos. En cuanto a que las cosas sean "desagradables", eso está en el ojo del espectador.

Hace 2000 años, el "fuego del infierno" era magma que salía de un volcán ocasional y el infierno estaba dentro de la tierra. Hoy, el interior de la Tierra genera un campo magnético que nos protege y nos da la tectónica de placas, que es realmente útil para los planetas que albergan vida. El interior de la Tierra no ha cambiado, pero nuestra percepción de ella ha cambiado enormemente. Ahora amamos el interior de la Tierra, pero hace 2000 años la gente lo temía.

Hace 100 años, todos pensaban que el Universo era la Vía Láctea y hace 80 años, pensaban que el Universo era eterno, hasta que ese pésimo Hubble sugirió que el Universo tuvo un comienzo y, bueno, tanto para ser eterno. Si Hubble hubiera dicho eso 300 años antes, habría sido quemado en la hoguera, sin duda, con una placa que decía "blasfemo".

Ese es el problema con el punto de vista. No es una imagen completa. Los agujeros negros son un gran "hombre del saco", como algo que se come todo y no se puede escapar, pero eso es solo una parte del panorama general.

El propio Einstein encontró que los agujeros negros eran una idea desagradable (no estaba demasiado interesado en la mecánica cuántica), por lo que Einstein imaginó que el Universo tenía alguna ley física que impedía que los agujeros negros se formaran y ese podría ser el caso, pero honestamente, qué diferente. ¿Es para ser aplastado lentamente alrededor del horizonte de eventos durante una eternidad versus aplastado rápidamente en la singularidad o lo que sea que suceda en el centro? Desde cierto punto de vista, es más o menos lo mismo.

Algunas teorías han ido tan lejos como para sugerir que los agujeros negros son lugares mágicos con universos bebés enteros dentro de ellos . Encuentro ese pensamiento más creativo que científico, pero la verdad es que lo que sucede dentro del horizonte de eventos permanece dentro del horizonte de eventos y nadie lo sabe.

Sobre los agujeros negros en general :

Son muy útiles. La formación de agujeros negros y el colapso gravitacional y el rebote del colapso crean y distribuyen elementos pesados ​​por toda la galaxia y en el colapso que crea un agujero negro o una estrella de neutrones, algo así como el 90 % de la materia de la estrella es expulsada. , reciclado, por así decirlo, de regreso a la galaxia y solo el 10% aproximadamente forma el núcleo colapsado.

Puedes pensar en el agujero negro como un pequeño remanente desagradable de la muerte de una estrella, pero encuentro que el hecho de que las estrellas grandes reciclen y distribuyan gran parte de su materia a través de la galaxia es muy interesante. Los agujeros negros supermasivos también ayudan en la formación de galaxias, por lo que la simple verdad es que los agujeros negros son muy útiles, incluso si no quieres cruzarte con uno.

Ahora, sobre lo que sucede dentro de un agujero negro, ya hay algunas buenas respuestas y no quiero hacer esto demasiado largo, especialmente porque soy un profano, pero encuentro la especulación de esa región exótica dentro del horizonte de eventos para ser muy divertido pensar en ello.

Yo personalmente no creo en las singularidades. YO (PIENSO), que la naturaleza de onda y campo de la mecánica cuántica y el hecho de que el espacio vacío tiene propiedades que, por ejemplo, los pares de partículas y partículas pueden formar esencialmente de la nada (lo que hace posible la radiación de halcón), creo que probablemente hay una especie de espacio exótico de una singularidad nunca plena.

No creo que haya lo que podría llamarse un material físico dentro de un agujero negro. Creo que las cosas se comportarían de manera diferente a eso, más como la naturaleza exótica de un protón o un electrón que la naturaleza física de una superficie, pero esos son solo mis pensamientos sobre el tema. Sin una teoría cuántica de la gravedad, es un poco como un ciego mirando un mapa. Nadie lo sabe. (¿demasiado largo?)

Creo que los agujeros negros son singularidades en el sentido de que la materia en ellos no está definida para tener una ubicación significativa o velocidades conocidas. No creo que signifique singularidad en el sentido de tener radio cero.