¿Son los agujeros negros realmente singularidades?

Una suposición popular sobre los agujeros negros es que su gravedad crece más allá de cualquier límite, por lo que vence a todas las fuerzas repulsivas y la materia colapsa en una singularidad. [...] ¿Hay alguna evidencia para esta suposición?

No es una suposición, es un cálculo más un teorema, el teorema de singularidad de Penrose.

El cálculo es el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff sobre la masa de una estrella de neutrones, que es de aproximadamente 1,5 a 3 masas solares. Existe un rango bastante grande de incertidumbre debido a las incertidumbres sobre la física nuclear involucrada en estas condiciones extremas, pero en realidad no hay duda de que existe tal límite y que está en este vecindario. Es concebible que haya objetos estables que sean más compactos que una estrella de neutrones pero que no sean agujeros negros. Hay varias ideas especulativas: estrellas negras, gravastars, estrellas de quarks, estrellas de bosones, bolas Q y estrellas electrodébiles. Sin embargo, todas estas formas de materia también tendrían una masa límite antes de colapsar, y la evidencia observacional es que las estrellas con masas de alrededor de 3 a 20 masas solares realmente colapsan hasta el punto en que pueden colapsar.

El teorema de singularidad de Penrose dice que una vez que un objeto colapsa más allá de cierto punto, se tiene que formar una singularidad. Técnicamente, dice que si tienes algo llamado superficie de luz atrapada, tiene que haber una singularidad en algún lugar del espacio-tiempo. Este teorema es importante porque los límites de masa como el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff asumen un equilibrio estático. En un sistema dinámico como un cúmulo globular, la situación genérica en la gravedad newtoniana es que las cosas nocolapso en el centro. Tienden a pasar, de la misma manera que un cometa pasa al lado del sol, y de hecho hay una barrera de momento angular que hace que el colapso en un punto sea imposible. El teorema de singularidad de Penrose nos dice que la relatividad general se comporta cualitativamente diferente de la gravedad newtoniana para campos gravitatorios fuertes, y el colapso a una singularidad es, en cierto sentido, un resultado genérico. El teorema de la singularidad también nos dice que no podemos seguir descubriendo formas cada vez más densas de materia estable; más allá de cierta densidad, se forma una superficie similar a la luz atrapada, y luego se garantiza que formará una singularidad.

¿Por qué algunos agujeros negros no pueden ser simplemente estrellas de neutrones más grandes con mayor gravedad sin ninguna diferencia sustancial excepto para evitar que la luz escape?

Esta pregunta equivale a preguntar por qué no podemos tener un horizonte de eventos de agujero negro sin una singularidad. Esto está descartado por los teoremas sin cabello del agujero negro, suponiendo que el sistema resultante se asiente en algún punto (técnicamente, la suposición es que el espacio-tiempo es estacionario). Básicamente, los teoremas sin cabello dicen que si un objeto tiene cierto tipo de horizonte de eventos, y si se asienta, tiene que ser un agujero negro, y puede diferir de otros agujeros negros en solo tres formas: su masa, angular cantidad de movimiento y carga eléctrica. Todos estos tipos bien clasificados tienen singularidades.

Por supuesto, estos teoremas se prueban dentro de la relatividad general. En una teoría de la gravedad cuántica, probablemente sucede algo más cuando el colapso alcanza la escala de Planck.

Desde el punto de vista de la observación, vemos objetos como Sagitario A* que no emiten su propia luz, tienen grandes masas y son demasiado compactos para ser una forma estable de materia con esa masa. Esto apoya fuertemente la validez de los cálculos y teoremas anteriores. Habrá un apoyo aún más fuerte si podemos obtener una imagen directa de Sagitario A* con suficiente aumento para resolver su horizonte de eventos. Esto puede suceder dentro de 10 años más o menos.

Las etapas finales del colapso estelar incluyen varias etapas, pero tres comunes a considerar son las enanas blancas, las estrellas de neutrones y los agujeros negros.

Las enanas blancas se forman cuando las fuerzas gravitatorias de la masa de los restos de la estrella no pueden superar la repulsión de la presión de degeneración de los electrones. Así que piense en la gravedad compitiendo con la fuerza electromagnética, pero esta última gana, por lo que no se produce un mayor colapso.

Estrellas de neutronesse forman cuando las fuerzas gravitacionales superan la repulsión de la presión de degeneración de electrones, pero ahora son detenidas por la fuerza entre neutrones. Esto se llama presión de degeneración cuántica y es el resultado del principio de exclusión de Pauli. Una vez que esta fuerza es superada por la gravedad suficiente, es posible que haya otra fase, la estrella de quarks, donde los quarks ejercen una presión hacia el exterior. Pero también hay un límite para esta presión. Podemos seguir agregando materia prácticamente para siempre, por lo que no importa a qué tipo de presión externa se enfrente la gravedad, eventualmente siempre puede superarla. De todos los tipos conocidos de fuerzas, siempre hay un caso en el que la gravedad puede vencer a las fuerzas de repulsión más fuertes. Por eso los físicos creen que debe colapsar en un agujero negro. Sin embargo, esto podría resultar falso si nos falta una parte de la física que de alguna manera nos dice que hay una fuerza completamente nueva y que cambia toda la física. Sin embargo, esto es poco probable. Espero que ayude.

Los agujeros negros no tienen singularidades. Dado que toda la materia de un agujero negro se encuentra en su capa esférica, el espacio-tiempo interno es plano .