Singularité nue

En relativité générale , une singularité nue est une singularité gravitationnelle hypothétique sans horizon des événements .

Lorsqu'il existe au moins une géodésique causale qui, dans le futur, s'étend jusqu'à un observateur situé soit à l'infini, soit jusqu'à un observateur se déplaçant avec le nuage en train de s'effondrer, et qui, dans le passé, se termine à la singularité gravitationnelle , cette singularité est alors qualifiée de singularité nue. Dans un trou noir , la singularité est complètement enfermée par une limite appelée horizon des événements , à l'intérieur de laquelle la courbure de l'espace-temps causée par la singularité est si forte que la lumière ne peut s'échapper. Par conséquent, les objets à l'intérieur de l'horizon des événements, y compris la singularité elle-même, ne peuvent pas être observés directement. En revanche, une singularité nue serait observable.

L'existence théorique de singularités nues est importante car leur existence signifierait qu'il serait possible d'observer l'effondrement d'un objet jusqu'à une densité infinie . Cela poserait également des problèmes fondamentaux pour la relativité générale, car celle-ci ne peut pas faire de prédictions sur l'évolution de l'espace-temps à proximité d'une singularité. Dans les trous noirs génériques, ce n'est pas un problème, car un observateur extérieur ne peut pas observer l'espace-temps à l'intérieur de l'horizon des événements.

Les singularités nues n'ont pas été observées dans la nature. Les observations astronomiques des trous noirs indiquent que leur vitesse de rotation tombe en dessous du seuil pour produire une singularité nue (paramètre de spin 1). GRS 1915+105 se rapproche le plus de la limite, avec un paramètre de spin de 0,82-1,00. Il est suggéré que GRO J1655−40 pourrait être une singularité nue.

Selon l' hypothèse de la censure cosmique , les singularités gravitationnelles pourraient ne pas être observables. Si la gravitation quantique à boucles est correcte, des singularités nues pourraient être possibles dans la nature.

Lorsqu’une étoile massive subit un effondrement gravitationnel en raison de sa propre immense gravité, le résultat final de cet effondrement persistant peut se manifester soit sous la forme d’un trou noir , soit sous la forme d’une singularité nue. Cela est vrai pour un large éventail de scénarios physiquement plausibles dans le cadre de la théorie générale de la relativité. Le modèle Oppenheimer-Snyder-Datt (OSD) illustre l’effondrement d’un nuage sphérique composé de poussière homogène (matière sans pression). Dans ce scénario, toute la matière converge simultanément vers la singularité de l’espace-temps en termes de temps comobile. Notamment, l’ horizon des événements émerge avant la singularité, la recouvrant effectivement. Considérant les variations du profil de densité initiale (en considérant la densité inhomogène), on peut démontrer une altération significative du comportement de l’horizon. Cela conduit à deux résultats potentiels distincts découlant de l’effondrement de la poussière générique : la formation d’un trou noir, caractérisé par l’horizon précédant la singularité, et l’émergence d’une singularité nue, où l’horizon est retardé. Dans le cas d'une singularité nue, ce délai permet aux géodésiques nulles ou aux rayons lumineux de s'échapper de la singularité centrale, où la densité et les courbures divergent, atteignant des observateurs distants. Pour explorer des scénarios d'effondrement plus réalistes, une voie consiste à incorporer des pressions dans le modèle. La prise en compte de l'effondrement gravitationnel avec des pressions non nulles et divers modèles incluant une équation d'état réaliste, décrivant la relation spécifique entre la densité et la pression au sein du nuage, a été minutieusement examinée et étudiée par de nombreux chercheurs au fil des ans. Ils aboutissent tous soit à un trou noir, soit à une singularité nue en fonction des données initiales.

À partir de concepts tirés des trous noirs en rotation , il est démontré qu'une singularité, en rotation rapide, peut devenir un objet en forme d'anneau. Il en résulte deux horizons d'événements, ainsi qu'une ergosphère , qui se rapprochent à mesure que la rotation de la singularité augmente. Lorsque les horizons d'événements extérieur et intérieur fusionnent, ils se rétrécissent vers la singularité en rotation et finissent par l'exposer au reste de l'univers.

Une singularité tournant assez vite pourrait être créée par l'effondrement de poussière ou par une supernova d'une étoile à rotation rapide. Des études sur les pulsars et certaines simulations informatiques ( Choptuik , 1997) ont été réalisées. Curieusement, il a récemment été rapporté que certaines naines blanches en rotation peuvent se transformer de manière réaliste en singularités nues en rotation et en trous noirs avec une large gamme de valeurs de masse proche et sous-solaire en capturant des particules de matière noire asymétriques . De même, les étoiles à neutrons en rotation pourraient également être transmutées en singularités nues à rotation lente de masse proche du soleil en capturant les particules de matière noire asymétriques , si le nuage accumulé de particules de matière noire dans le noyau d'une étoile à neutrons peut être modélisé comme un fluide anisotrope. En général, la précession d'un gyroscope et la précession des orbites de matière tombant dans un trou noir en rotation ou une singularité nue peuvent être utilisées pour distinguer ces objets exotiques.

Le mathématicien Demetrios Christodoulou , lauréat du prix Shaw , a montré que contrairement à ce que l'on attendait, des singularités qui ne sont pas cachées dans un trou noir se produisent également. Cependant, il a ensuite montré que de telles « singularités nues » sont instables.

Les horizons d'événements disparaissants existent dans la métrique de Kerr , qui est un trou noir en rotation dans le vide. Plus précisément, si le moment angulaire est suffisamment élevé, les horizons d'événements pourraient disparaître. En transformant la métrique de Kerr en coordonnées de Boyer–Lindquist , on peut montrer que la coordonnée (qui n'est pas le rayon) de l'horizon des événements est

où , et . Dans ce cas, « les horizons d'événements disparaissent » signifie lorsque les solutions sont complexes pour , ou . Cependant, cela correspond à un cas où dépasse (ou en unités de Planck , ) , c'est-à-dire que le spin dépasse ce qui est normalement considéré comme la limite supérieure de ses valeurs physiquement possibles. $M^\{2J>M^2$M^{2}}" data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7fa84b98b2276a41bdc3c2f5e0f08165863f0cf9">

La disparition des horizons d'événements peut également être observée avec la géométrie Reissner–Nordström d'un trou noir chargé. Dans cette métrique, il peut être démontré que les horizons se produisent à

où , et . Parmi les trois cas possibles pour les valeurs relatives de et , le cas où rend les deux complexes. Cela signifie que la métrique est régulière pour toutes les valeurs positives de , ou en d'autres termes, la singularité n'a pas d'horizon des événements. Cependant, cela correspond à un cas où dépasse (ou en unités de Planck, ) , c'est-à-dire que la charge dépasse ce qui est normalement considéré comme la limite supérieure de ses valeurs physiquement possibles. $MQ>M$M}" data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/997c4704c453fb4069b8d11e86e24e402f632f0b">

Voir la métrique Kerr-Newman pour une singularité annulaire chargée et tournante.

Une singularité nue pourrait permettre aux scientifiques d'observer une matière infiniment dense, ce qui serait impossible dans des circonstances normales en raison de l' hypothèse de la censure cosmique . Sans aucun horizon des événements, certains spéculent que les singularités nues pourraient en fait émettre de la lumière.

L'hypothèse de la censure cosmique stipule qu'une singularité gravitationnelle resterait cachée par l'horizon des événements. Les événements LIGO , notamment GW150914 , sont cohérents avec ces prédictions. Bien que des anomalies de données auraient pu se produire dans le cas d'une singularité, la nature de ces anomalies reste inconnue.

Certaines recherches ont suggéré que si la gravitation quantique à boucles est correcte, alors des singularités nues pourraient exister dans la nature, ce qui implique que l'hypothèse de la censure cosmique ne tient pas. Des calculs numériques et d'autres arguments ont également fait allusion à cette possibilité.

• La trilogie de romans de science-fiction Kefahuchi Tract de M. John Harrison ( Light , Nova Swing et Empty Space ) est centrée sur l'exploration par l'humanité d'une singularité nue.
• "Dark Peril" de James C. Glass (publié dans Analog en mars 2005) est une histoire de voyageurs spatiaux en mission d'exploration. Alors qu'ils enquêtent sur un étrange phénomène cosmologique, leurs deux petits vaisseaux spatiaux commencent à trembler et ils sont incapables de quitter la zone. Un membre de l'équipage se rend compte qu'il est piégé dans l' ergosphère d'un trou noir ou d'une singularité nue. L'histoire décrit un groupe de multiples trous noirs ou singularités et ce que l'équipage fait pour tenter de survivre à cette situation apparemment inéluctable.
• La séquence Xeelee de Stephen Baxter met en scène les Xeelee, qui créent un anneau massif produisant une singularité nue. Il est utilisé pour voyager vers un autre univers.
• Dans l'épisode intitulé « Daybreak », le dernier épisode de la série télévisée réinventée de 2004 Battlestar Galactica , la colonie Cylon orbite autour d'une singularité nue.
• On pense que le Dieu endormi dans la trilogie L'Aube de la nuit de Peter Hamilton est une singularité nue.
• Dans Interstellar de Christopher Nolan , l'inexistence d'une singularité nue empêche l'humanité d'achever une théorie de la gravité quantique en raison de l'inaccessibilité des données expérimentales provenant de l'intérieur de l' horizon des événements .
• Dans le roman visuel Steins;Gate , une singularité nue est utilisée pour compresser les souvenirs numérisés du protagoniste dans une taille plus petite, pour ensuite être renvoyés dans le temps avec une « machine à saut dans le temps » improvisée.
• Dans le roman Star Trek de Vonda McIntyre de 1981 , The Entropy Effect , une singularité nue s'avère être un effet secondaire d' une expérimentation de voyage dans le temps et menace de détruire l'univers si les expériences de voyage dans le temps ne sont pas arrêtées avant de commencer.
• Dans la huitième partie de la série de mangas « JoJo's Bizarre Adventure », « JoJolion », le personnage principal est capable de créer de petites singularités nues. Cela n'est pas officiellement indiqué comme tel, mais la capacité « Go Beyond » crée des vortex invisibles à rotation rapide à partir d'une « corde » infiniment petite, créant des similitudes avec l'hypothèse de la censure cosmique et la gravité quantique en boucle.