VAD äR EN SINGULARITET?

Send

Ända sedan forskare först upptäckte existensen av svarta hål i vårt universum, har vi alla undrat: vad kan möjligen existera bortom slaget av det fruktansvärda tomrummet? Dessutom har forskare tvingats undra, ända sedan teorin om generell relativitet först föreslogs, vad kunde ha funnits innan universumets födelse - dvs före Big Bang?

Intressant nog har dessa två frågor kommit till att lösas (efter ett sätt) med den teoretiska existensen av något som kallas en Gravitational Singularity - en punkt i rymdtid där fysikens lagar som vi känner dem bryter ned. Och även om det fortfarande finns utmaningar och olösta frågor om denna teori, tror många forskare att under händelsens slöja, och i början av universum, var det detta som fanns.

Definition:

I vetenskapliga termer är en gravitationell singularitet (eller rum-tid singularitet) en plats där kvantiteterna som används för att mäta gravitationsfältet blir oändliga på ett sätt som inte beror på koordinatsystemet. Med andra ord är det en punkt där alla fysiska lagar inte kan skiljas från varandra, där rymden och tiden inte längre är sammanhängande verkligheter, utan sammanfogas omöjligt och upphör att ha någon oberoende betydelse.

Teoriens ursprung:

Singulariteter predikerades först som ett resultat av Einsteins teori om allmän relativitet, vilket resulterade i teoretiska existens av svarta hål. I huvudsak förutspådde teorin att varje stjärna som når utöver en viss punkt i sin massa (alias Schwarzschild Radius) skulle utöva en gravitationskraft så intensiv att den skulle kollapsa.

Vid denna tidpunkt skulle inget kunna undkomma ytan, inklusive ljus. Detta beror på att gravitationskraften skulle överstiga ljusets hastighet i vakuum - 299,792,458 meter per sekund (1 079 252 848,8 km / h; 670,616,629 mph).

Detta fenomen är känt som Chandrasekhar-gränsen, uppkallad efter den indiska astrofysiker Subrahmanyan Chandrasekhar, som föreslog den 1930. För närvarande antas det accepterade värdet för denna gräns vara 1,39 solmassor (dvs. 1,39 gånger massan av vår sol), vilket passar upp till enastående 2,765 x 10³⁰ kg (eller 2 765 biljoner biljoner ton).

En annan aspekt av modern allmän relativitet är att vid Big Bang (dvs universums initiala tillstånd) var en singularitet. Roger Penrose och Stephen Hawking utvecklade båda teorier som försökte svara på hur gravitation kunde producera singulariteter, som så småningom sammanfogades för att bli kända som Penrose – Hawking Singularity Theorems.

Enligt Penrose Singularity Theorem, som han föreslog 1965, kommer en tidsliknande singularitet att uppstå inom ett svart hål när materien når vissa energiförhållanden. Vid denna punkt blir rymdtidens krökning i det svarta hålet oändlig, vilket gör det till en fångad yta där tiden upphör att fungera.

Hawking Singularity Theorem lägger till detta genom att säga att en rymdliknande singularitet kan uppstå när materien komprimeras med kraft till en punkt, vilket gör att reglerna som styr materia bryts ned. Hawking spårade detta tillbaka i tiden till Big Bang, som han hävdade var en punkt med oändlig täthet. Hawking reviderade emellertid senare detta för att hävda att den allmänna relativiteten bryts ned ibland före Big Bang, och därför kunde ingen singularitet förutsägas av den.

Några nyare förslag antyder också att universum inte började som en singularitet. Dessa inkluderar teorier som Loop Quantum Gravity, som försöker förena lagarna i kvantfysik med gravitation. Denna teori säger att på grund av kvanttyngdeffekter finns det ett minimumavstånd utöver vilket tyngdkraften inte längre fortsätter att öka, eller att interpenetrerande partikelvågor maskerar gravitationseffekter som skulle kännas på avstånd.

Typer av singulariteter:

De två viktigaste typerna av rumstids-singulariteter kallas Curvature Singularities och Conical Singularities. Singulariteter kan också indelas beroende på om de täcks av en händelsehorisont eller inte. När det gäller det förstnämnda har du krökningen och den koniska; I det senare har du vad som kallas Naked Singularities.

En kurvatur singularitet illustreras bäst av ett svart hål. I mitten av ett svart hål blir rymdtid en endimensionell punkt som innehåller en enorm massa. Som ett resultat blir tyngdkraften oändliga och rymd-tid kurvor oändligt, och fysikens lagar som vi känner dem upphör att fungera.

Koniska singulariteter uppstår när det finns en punkt där gränsen för varje generell samvariationskvantitet är begränsad. I detta fall ser rymdtid ut som en kon runt denna punkt, där singulariteten är belägen vid spetsen av konen. Ett exempel på en sådan konisk singularitet är en kosmisk sträng, en typ av hypotetisk endimensionell punkt som tros ha bildats under det tidiga universum.

Och som nämnts finns det Naked Singularity, en typ av singularitet som inte är dold bakom en händelsehorisont. Dessa upptäcktes först 1991 av Shapiro och Teukolsky med hjälp av datorsimuleringar av ett roterande plan av damm som indikerade att General Relativity kan möjliggöra "nakna" singulariteter.

I detta fall skulle det som faktiskt inträffar i ett svart hål (dvs dess singularitet) vara synligt. En sådan singularitet skulle teoretiskt vara det som fanns före Big Bang. Nyckelordet här är teoretiskt, eftersom det förblir ett mysterium hur dessa objekt skulle se ut.

För tillfället förblir singulariteter och vad som faktiskt ligger under ett svart håls slöja ett mysterium. Som tiden går hoppas man att astronomer kommer att kunna studera svarta hål mer detaljerat. Man hoppas också att forskare under de kommande decennierna kommer att hitta ett sätt att slå samman kvantmekanikens principer med tyngdkraften och att detta kommer att kasta ytterligare ljus på hur denna mystiska kraft fungerar.

Vi har många intressanta artiklar om gravitationella singulariteter här på Space Magazine. Här är 10 intressanta fakta om svarta hål, hur skulle ett svart hål se ut ?, Var Big Bang bara ett svart hål? Goodbye Big Bang, Hello Black Hole ?, Vem är Stephen Hawking ?, och vad är på andra sidan ett svart hål?

Om du vill ha mer information om singularitet, kolla in dessa artiklar från NASA och Physlink.

Astronomy Cast har några relevanta avsnitt om ämnet. Här är avsnitt 6: Mer bevis för Big Bang och avsnitt 18: Black Holes Big and Small och avsnitt 21: Black Hole-frågor besvarade.

källor: