Problema singularităților gravitaționale

Singularitatea gravitațională este, cel puțin teoretic, un punct al spațiu-timpului, în care forțele gravitaționale determina materia sa aiba o densitate infinită (si deci o masa infinita) și un volum ce tinde spre zero. Altfel spus, este un punct de concentrație infinită și cu o forță gravitațională imensă.

Se presupune că găurile negre ar avea în centrul lor o singularitate gravitațională, atrăgând prin gravitație absolut tot ce se află împrejur, inclusiv lumina. Conform relativității generale, Big Bang-ul a inceput cu o singularitate, existand o astfel de singularitate in centrul unei găuri negre.

Singularitatea gravitațională este un punct unidimensional, ce conține o masă infinita într-un spațiu infinit de mic, unde gravitatia devine infinita, densitatea materiei sau curbura spațiu-timpului (valoarea acestei curburi depinde de densitatea medie a materiei) devine infinita, iar conceptele de spațiu și de timp încetează să mai aibă vreo semnificație. In acest punct, întreaga textura a spațiu-timpului se intrerupe, iar preceptele lui Einstein din Teoria generală a relativității (si ale fizicii, în general) nu mai functioneaza și nu se mai aplică. Asa cum descria eminentul fizician american Kip Thorne, este “punctul în care toate legile fizicii nu mai functioneaza”.

In astfel de puncte legile fizicii newtoniene nu mai au aplicație. In relativitatea generală, o singularitate gravitațională (sau singularitate spațiu-timp) este o zona (un punct special) a spațiu-timpului în vecinatatea careia anumite marimi ce descriu câmpul gravitațional (utilizate pentru a masura câmpul gravitațional) devin infinite, într-un mod care nu depinde de sistemul de coordonate.

Teoria actuală sugerează faptul că, atunci cand un obiect cade într-o gaură neagră (Ce este o gaura neagra?) și se apropie de singularitatea din centru, el se va intinde asemenea unei spaghete datorita cresterii diferențiale în atracția gravitationala a diferitelor părți ale acestuia, înaintea presupusei pierderi dimensionale complete și a disparitiei irevocabile în singularitate. Cu toate acestea, un observator care ar viziona din afara, de la o distanță sigură, ar ar avea un punct de vedere diferit despre eveniment. Conform teoriei relativității, el ar vedea obiectul mișcandu-se din ce in ce mai lent pe masura ce se apropie de gaura neagra până la oprirea completă la orizontul evenimentului, necazand, de fapt, niciodată în gaura neagră.

O singularitate gravitațională este ascunsa într-o gaură neagră

Simularea unei găuri negre cu masa de zece ori mai mare decât a soarelui, văzută de la o distanță de 600 km, în fața Marelui Nor al lui Magellan. Efectul de „lentila gravitaționala” produce doua imagini marite, dar extrem de distorsionate ale Norului, deoarece astronomul vede mai multe imagini distorsionate ale obiectului din depărtare. In partea de sus, discul Caii Lactee apare distorsionat într-un arc.

Existența unui singularitati este adesea luată ca o dovadă a faptului că teoria relativității generale se infirma, ceea ce nu este, probabil, ceva neașteptat în condițiile în care efectele cuantice ar trebui să devină importante. Nu este exclus ca în viitor unele teorii combinate ale gravitației cuantice (cum ar fi cercetarea actuală în domeniul supercorzilor) sa poata sa descrie găurile negre, fără a fi nevoie de singularitati, dar o astfel de teorie este încă la mulți ani distanță.

Descrierea unor astfel de zone nu este posibilă în cadrul relativității generale, ceea ce nu o împiedică pe aceasta din urma sa fie capabila să prezică faptul că astfel de configurații se pot forma în univers. De exemplu, formarea unei gauri negre este însoțită de apariția unui singularitati gravitaționale în interiorul sau. Universul observabil a aparut dintr-o fază densă și fierbinte, Big Bang-ul. Această fază densă și fierbinte ar fi putut sa apara, de asemenea, dintr-o singularitate gravitațională.

Comportamentul unei singularitati gravitaționale neputand fi descris cu ajutorul cunoștințelor din fizica actuala, unii cercetatori au emis ipoteza ca singularitățile gravitaționale nu sunt niciodată în măsură să afecteze spațiul inconjurator. Acest lucru este posibil în cazul în care ele sunt înconjurate de un orizont al evenimentelor, așa cum se întâmplă într-o gaură neagră.

Ipoteza cenzurii cosmice presupune că singularitățile gravitaționale (eventual cu excepția celei a Big Bang-ului) sunt întotdeauna ascunse exteriorului de către un orizont. Această ipoteză, promovată, printre altii, de Stephen Hawking în cursul anilor 1970, a fost infirmata cu ajutorul simulărilor numerice în cursul anilor 1990 de către Saul Teukolsky și Matthew Choptuik.

Conform ipotezei “cenzurii cosmice” o singularitate a unei gauri negre ramane ascunsa in spatele orizontului evenimentului sau, adica este întotdeauna înconjurată de o zonă care nu permite luminii să evadeze și, prin urmare, nu poate fi observată în mod direct. Singura excepție pe care ipoteza o accepta  (cunoscuta ca o singularitatea „goala”) este insusi Big Bang-ul initial.

In astrofizică, termenul de cenzura cosmică se referă la o conjectura (presupunere) referitoare la natura singularităților în spațiu-timp. Aceasta stipuleaza că nu există nici un proces fizic care sa dea naștere unei singularitati goale, adică, unei zone a spațiului al cărei camp gravitațional ia valori infinite și, din aceasta cauza, nu poate fi descrisa cu ajutorul relativitatii generale. Termenul de “cenzura cosmică” este, printre altele, rodul activitatii matematicianului britanic Roger Penrose. El are o conotație umoristica “cenzura” vizand sa “ascunda” de restul universului obiectele numite singularități, asa-zis “goale”.

Simularea unei cuburi a spațiu-timpului (reprezentată aici bidimensional), în apropierea unei găuri negre. Centrul acestei gauri negre, prevazute de relativitatea generală, este o “singularitate”, interzisă de fizica cuantică, în care ecuațiile relativității generale se intrerup, și, ca tot ce se află dincolo de orizontul evenimentelor, este inaccesibila observației.

Se pare că, datorita naturii sale, nu se va putea niciodată descrie complet sau chiar intelege singularitatea din centrul unei găuri negre. Desi un observator poate trimite semnale într-o gaură neagră, nimic din interiorul gaurii negre nu poate comunica vreodata cu ceva din afara acesteia, astfel încât secretele sale par să fie în siguranță pentru totdeauna.

Orizontul evenimentelor reprezinta suprafata unei gauri negre. In aceasta zona, viteza de evadare a particulelor este egala cu viteza luminii. Deoarece teoria generala a relativitatii afirma ca viteza luminii nu poate fi depasita, nici o particula din interiorul orizontului evenimentelor nu poate depasi acest prag pentru a evada, nici macar lumina. Prin urmare, nici o particula care intra intr-o gaura neagra nu mai poate iesi si nu poate fi observata din afara orizontului evenimentelor. De asemenea, nici o radiatie generata in interiorul orizontului nu poate iesi in afara gaurii negre.

In cazul unei gauri negre fara miscare de rotatie, radiatia Schwarzschild delimiteaza un orizont sferic. Gaurile negre care au miscare de rotatie au un orizont distorsionat, a carui forma nu este sferica. Deoarece orizontul evenimentelor nu este o suprafata materiala, ci mai degraba o linie de demarcatie delimitata matematic, materia si radiatiile nu sunt impiedicate sa patrunda intr-o gaura neagra, dar sunt impiedicate sa iasa. De asemenea, orizontul nefiind un obiect tangibil, daca ceva se deplaseaza spre o gaura neagra, nu se poate sti momentul in care este traversat.

Desi gaurile negre in sine nu iradiaza energie, pot exista radiatii electromagnetice si particule de materie radiate chiar la marginea orizontului evenimentelor prin radiatia Hawking.

© CCC

Continuare… “‘Teoria corzilor” in sprijinul tentativei de unificare

Inceputul articolului: In cautarea unei teorii a totului

Ce este o gaura neagra?

Share |

Leave a Reply

Copy Protected by Chetan's WP-CopyProtect.