¿Por qué debe formar una singularidad dentro de un agujero negro?

Question

¿Cuál es el motivo exacto por el que la materia normal no puede existir dentro de un horizonte de sucesos?

Puedo entender cómo un súper densa objeto como una estrella de neutrones podría acreción de masa hasta que su radio es menor que su radio de Schwarzschild y un horizonte de sucesos se forma alrededor de ella.

Pero, ¿por qué no puede la estrella de neutrones permanecer en el interior del horizonte de sucesos como era antes de que el horizonte de sucesos que se forma? Aparte de la velocidad de escape en la superficie de llegar a $c$, lo que realmente ha cambiado?

Por eso se debe a que toda la materia dentro de un horizonte de sucesos se someten a completar el hundimiento físico a un punto?

Answer 1

Básicamente, la razón es que si el asunto es mantener una positiva de masa, la cantidad de fuerza requerida para mantener la distribución de la materia estable tiende a infinito una vez que el asunto se ajuste dentro del radio de schwarzschild para que la masa dada. Esto fue demostrado en un sentido muy fuerte, sin mucho en términos de supuestos acerca de la forma particular de la métrica, de Roger Penrose y Stephen Hawking en la década del '60:

http://en.wikipedia.org/wiki/Penrose%E2%80%93Hawking_singularity_theorems

Answer 2

Que intuitivamente entender por qué es inevitable para una partícula para avanzar hacia adelante en el tiempo. La relatividad nos dice, entre otras cosas, cómo los objetos pueden afectar a otros, causar que otras cosas sucedan, y esto está conectado con la dirección hacia adelante en el tiempo. Llamamos a esta estructura de "lo que puede causar lo que" la estructura causal.

En general de la relatividad de einstein, esta estructura causal se presenta no trivial, la dirección de hacia adelante en el tiempo se dobla y se observa como la gravedad. Cerca de un agujero negro, el tiempo-espacio se dobla mucho, de modo que cualquier posible orientación de una partícula que podríamos llamar "hacia adelante en el tiempo" por los puntos en el interior de un agujero negro.

En los llamados coordenadas de Schwarzschild parece un gran singularidad en el horizonte $r = \frac{2 G M}{c^2}$, pero es en realidad un punto especial en el sentido de que el continuo "rotación" de la estructura causal es tal que una partícula de la velocidad de la luz viaja "hacia adelante en el tiempo" por la tangente al horizonte y el resto terminan viajar más lejos en el interior.

Esto puede ser muy bien visto en Carter-diagramas de Penrose que organizar el espacio-tiempo, de modo que la dirección hacia adelante en el tiempo es sólo "hasta" en el diagrama (hasta una desviación de 45 grados). Como pueden ver en estas que de $r=2M$ podemos ir "arriba" en el agujero negro. (Sin embargo, es un poco complicado de entender, así que tal vez el palo con las disposiciones de los párrafos anteriores.)

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EDIT: obviamente estoy hablando aquí acerca de una de Schwarzschild, que es estático de un agujero negro. Para otros agujeros negros podrían ser algunas correcciones a la declaración, vea el final de este post.

Jerry Schirmer ha señalado que el argumento es incompleto y está a la derecha. Un líquido en el agujero negro es de alguna manera imaginable para ser todavía intacta la formación de una "esfera" en un $r<\frac{2GM}{c^2}$ (el término esfera se pone un poco mal, el significado en este caso) y esta argumentación no implica directamente ¿por qué debería él colapso si de repente se podría revertir la dirección de la estructura causal.

Afortunadamente, la argumentación ya dado, puede ser ampliado a muy poco de dilucidar el teorema de Jerry enlaces.

El teorema puede ser muy más o menos entendido de la siguiente manera: una Vez que la estructura causal en un volumen de puntos (aquí el horizonte) comienza a punto en aproximadamente una dirección común, la causa tiene que combinar de alguna manera, después de un tiempo finito y no puede continuar - terminan en una singularidad. Sin embargo, esto es cierto sólo por el hecho de que la energía-materia es sólo positivo y por lo tanto afecta el espacio sólo de un modo específico - no todas las formas geométricas son posibles.

Usted puede obtener una intuición para esto mirando la foto de abajo. Una vez que vemos al final causal tiempo-instrucciones (este es un muy suelto de la imagen) que apunta hacia un centro como este, que tendrá que cruzar y se funden en una singularidad. Pero, ¿realmente tienen? Estamos en una curva el espacio-tiempo - el espacio podría "curva" y continuar indefinidamente en la dirección fuera de nuestro televisor de pantalla plana y el tiempo de las direcciones nunca de la cruz. Sin embargo, lo positivo de la masa y la energía siempre actuar en el espacio, por lo que este es, precisamente, una forma que no puedan ser causados por ella.

Así que, para concluir, por un "truco" utilizando geométrica de análisis se puede demostrar que la materia física no puede, en principio, de "construir" un espacio-tiempo, de modo que una causal "fusión", una singularidad, no está contenida en el espacio-tiempo.

Sin embargo, tenga en cuenta que las estructuras, en principio, puede existir más allá de los horizontes junto a las singularidades como es el caso de Kerr (rotación) de los agujeros negros, donde una vez que pasa a través de un segundo horizonte se puede evitar caer en el anillo-como singularidad. Las propiedades de esta región son, sin embargo, se considera muy inestable desde el tiempo de cierre-como curvas ("auto-causalidad") y otros extraños fenómenos están incluidos. Por lo tanto, cualquier tipo de asunto, podría ser sólo la perturbación de destruir el espacio-tiempo de las propiedades cualitativas y provocar la materia para formar una singularidad de todos modos.

Answer 3

Permítanme intentar un enfoque ligeramente diferente a las otras dos respuestas. La geometría del espacio-tiempo alrededor de un agujero negro estático es descrito por la métrica de Schwarzschild. La métrica puede ser escrito de varias maneras, pero creo que el que mejor ilustra lo que está pasando es el uso de la Gullstrand-Painlevé coordenadas, y, en particular, en la forma conocida como el río de la modelo. Hay más sobre esto en mi respuesta a la pregunta de Si se dispara un haz de luz detrás del horizonte de sucesos de un agujero negro, ¿qué pasa con la luz? Dado que su perfil dice que eres un programador no un físico no voy a entrar en las matemáticas aquí - por favor refiérase a la otra pregunta si desea que los detalles escabrosos.

Usted estará familiarizado con la idea de que si estuviera flotando en un río, a continuación, que son arrastrados por la corriente. Si usted desea permanecer con el mismo lugar en el banco del río, usted tiene que nadar contra la corriente. Pero si la velocidad de la corriente es más rápida que se puede nadar, a continuación, usted no será capaz de mantener su lugar y usted va a ser inevitablemente arrastrados río abajo.

En el río de la modelo de espacio-tiempo está fluyendo hacia adentro hacia el centro del agujero negro, y la velocidad del flujo, $\beta$, está dada por:

$$ \beta = \frac{2M}{r} c $$

donde $M$ es la masa del agujero negro, $r$ es su distancia de ella y $c$ es la velocidad de la luz. El horizonte de eventos es en $r = 2M$. Esto significa que, fuera del horizonte de evento $\beta \lt c$, en el horizonte de evento $\beta = c$ y en el interior del horizonte de sucesos $\beta \gt c$.

Volviendo al río de la analogía, la velocidad máxima de que nada puede nadar es la velocidad de la luz, $c$, por lo que si el río está fluyendo más rápido que $c$ usted no puede resistirse a ser arrastrado junto con él. Esto es lo que sucede una vez que estás dentro del agujero negro. La velocidad a la que el espacio-tiempo está fluyendo hacia adentro ahora es mayor que la velocidad de la luz, para que nada, ni siquiera la luz, puede resistirse a ser barrido hacia adentro hacia la singularidad.

Permítanme enfatizar esto: si la distancia desde el centro del agujero negro del agujero negro en un momento $t$$r(t)$, luego una vez en el interior del horizonte de sucesos $r(t)$ siempre disminuye con el tiempo y en un tiempo finito $r$ se convierte en cero. Todo el interior del horizonte de sucesos es comprimido en el punto de $r = 0$ en un tiempo finito.

Y es por eso que su estrella de neutrones no puede permanecer como un objeto de tamaño finito en el interior del horizonte de sucesos. La materia que lo compone no puede resistirse a caer hacia el punto de $r = 0$ y la formación de la singularidad.

Ya hay experiencia general de los relativistas mirando por encima de mi hombro debo de admitir que me he engañado un poco. La métrica de Schwarzschild describe estático de un agujero negro, así que lo que mi argumento realmente muestra es que una vez que un agujero negro se ha formado no importa caer en ella puede resistirse a ser comprimido en la singularidad. Tu pregunta es acerca de la formación inicial del agujero negro para la aplicación de mi argumento es un poco de chocolate, aunque creo que todavía le da un sentido intuitivo de lo que está pasando. La singularidad teoremas mencionados por Jerry se aplican a la formación de un agujero negro. Sin embargo son mucho más complicado que intentar explicar a un no-físico.

Answer 4

Aparte de la velocidad de escape en la superficie de llegar a c, lo que realmente ha cambiado?

La dirección radial se convierte en el tiempo-como con la dirección en el futuro en la dirección de radio decreciente.

En otras palabras, el tiempo y direcciones radiales cambiar de personaje en el horizonte.

Véase, por ejemplo, estas notas de la conferencia en donde podemos encontrar:

• Fuera del horizonte r es un spacelike coordinar y aplicación de suficiente potencia del cohete, se puede invertir el infall y hacer r comienzan a aumentar.
• Dentro del horizonte r es un timelike de coordenadas y la no aplicación de la potencia del cohete puede invertir la dirección del tiempo.
• Por lo tanto, la coordenada radial de la nave espacial debe disminuir una vez en el interior del horizonte, por la misma razón que el tiempo fluye en el futuro en la experiencia normal (cualquiera que sea la razón de que es!).

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Un comentario de John Rennie:

La prueba que r es timelike en el interior del horizonte de sucesos de un Métrica de Schwarzschild es sencillo, pero la métrica de un negro agujero mientras se está formando no es de Schwarzschild.

Eso no es cierto. Suponiendo simetría esférica, la geometría exterior de la estrella en colapso es necesariamente la geometría de Schwarzschild.

Además, el OP tiene claramente especificado que el horizonte de sucesos se ha formado y que la estrella está en el interior del horizonte, a saber,

Pero, ¿por qué no puede la estrella de neutrones permanecer en el interior del horizonte de sucesos como fue antes de que el horizonte de sucesos que se forma?

Por lo tanto, fuera de la estrella, pero en el horizonte, la geometría es el interior de la geometría de Schwarzschild donde el $r$ es el tiempo-como.

Un comentario de Jerry Schirmer:

Esto también no tiene nada que ver con la pregunta-no hay información acerca de por qué una singularidad de las formas.

Como se muestra arriba, y en ese contexto, es evidente que no tienen que ver con la pregunta. De hecho, se sigue que una singularidad que debe formar.

La luz de la superficie de la estrella se propaga a lo largo null geodesics del interior de la geometría de Schwarzschild que terminar en una singularidad.

Dicho de otra manera, el mundo de las líneas de la materia de la estrella debe ser dentro de los conos de luz, pero la luz de 'fuera' de la superficie debe propagar a la disminución de $r$.

Por lo tanto, la materia de la estrella debe colapso a una singularidad.

Answer 5

Como un no-físico, esto es como yo lo entiendo:

Como un objeto masivo se derrumba, se obtiene más y más materia lleno en menos espacio. Al hacerlo, la temperatura aumenta y la presión aumenta. A medida que la temperatura aumenta, el de las partículas más energéticas. A medida que adquieren la energía, el equilibrio de las cosas distintas de los cambios...

En primer lugar, la menor estabilidad de la energía del átomo se destruye: el viento con el plasma. Esto sucede en las estrellas normales. Entonces, la menor estabilidad de la energía de separar los electrones y los protones se destruye: el viento con neutrones como se combinan. Esto sucede en las estrellas de neutrones. Entonces, la menor estabilidad de la energía de separar los nucleones se alcanza: en este punto, se obtiene quark materia (tal vez... no lo hemos descubierto que el de las matemáticas). Esto puede suceder en el núcleo de las estrellas de neutrones. Entonces, como la baja estabilidad de la energía de separar los quarks se destruye, se llega a la energía pura (pensamos), y no hay ningún límite físico conocido a la cantidad de energía que se puede empaquetar en un solo lugar, por lo que colapsa a una singularidad. Básicamente, no hay fuerza más fuerte que la gravedad en ese punto para evitar que se produzca.

Ahora, puede ser que no es un límite para lo pequeño que puede empacar las cosas... he aquí cómo "fuzzball" teoría de las obras, de nuevo, como yo lo entiendo.

Después de llegar a quark materia, y seguir tratando de comprimir, se ejecuta en algo extraño: una vez que uno llega a las cuerdas, se ejecuta en un problema, porque en el límite de energía de la teoría de cuerdas, de la masa/energía/espacio/tiempo están todos interconectados y interconvertibles. Tratando de disminuir el tamaño aún más añadiendo la materia (y por lo tanto el aumento de la gravedad) sería básicamente, con el adicional de la masa/energía del espacio/tiempo, y que sería el "rebote" de vuelta a un mayor horizonte de sucesos.

En este modelo, un agujero negro es, básicamente, gran bola de cadenas (y branes, si te gusta) que es exactamente el tamaño del horizonte de sucesos. Cuando se pulsa el horizonte de sucesos, se llega a una alta barrera de energía, se convirtió en su componente de cadenas, y se absorbe en la fuzzball.

http://en.wikipedia.org/wiki/Fuzzball_(string_theory)