التفرد العاري

في النسبية العامة ، تعتبر التفردية العارية تفردية جاذبية افتراضية بدون أفق حدث .

عندما يوجد مسار جيوديسي سببي واحد على الأقل يمتد في المستقبل إما إلى مراقب في اللانهاية أو إلى مراقب يتحرك مع السحابة المنهارة، وينتهي في الماضي عند التفرد الجاذبي، يُشار إلى هذا التفرد بالتفرد العاري. ^{[ 1 ]} في الثقب الأسود ، يكون التفرد محاطًا تمامًا بحدود تُعرف بأفق الحدث، حيث يكون انحناء الزمكان الناتج عن التفرد داخله قويًا جدًا لدرجة أن الضوء لا يستطيع الإفلات منه. وبالتالي، لا يمكن رصد الأجسام داخل أفق الحدث - بما في ذلك التفرد نفسه - بشكل مباشر. في المقابل، يكون التفرد العاري قابلاً للرصد.

يُعدّ الوجود النظري للنقاط الشاذة العارية ذا أهمية بالغة، إذ يعني وجودها إمكانية رصد انهيار جسم ما إلى كثافة لانهائية . كما أنه سيُثير إشكاليات جوهرية في النظرية النسبية العامة، لأنها لا تستطيع التنبؤ بتطور الزمكان قرب النقطة الشاذة. أما في الثقوب السوداء العامة، فلا يُشكّل هذا الأمر مشكلة، إذ لا يستطيع مراقب خارجي رصد الزمكان داخل أفق الحدث.

لم تُرصد حالات التفرد العارية في الطبيعة. تشير الرصدات الفلكية للثقوب السوداء إلى أن معدل دورانها يقل عن الحد الأدنى اللازم لتكوين حالة تفرد عارية (معامل الدوران 1). يُعدّ GRS 1915+105 الأقرب إلى هذا الحد، بمعامل دوران يتراوح بين 0.82 و1.00. ^{[ 2 ]} ويُلمّح إلى أن GRO J1655−40 قد يكون حالة تفرد عارية. ^{[ 3 ]}

وفقًا لفرضية الرقابة الكونية ، قد لا تكون التفردات الجاذبية قابلة للملاحظة. أما إذا كانت نظرية الجاذبية الكمومية الحلقية صحيحة، فقد تكون التفردات العارية ممكنة في الطبيعة.

عندما يتعرض نجم ضخم لانهيار جاذبي هائل، فإن النتيجة النهائية لهذا الانهيار المستمر قد تتجلى إما في صورة ثقب أسود أو في صورة تفرد عارٍ. وينطبق هذا على نطاق واسع من السيناريوهات الممكنة فيزيائيًا التي تسمح بها النسبية العامة. يوضح نموذج أوبنهايمر-سنايدر-دات (OSD) انهيار سحابة كروية مكونة من غبار متجانس (مادة عديمة الضغط). ^{[ 4 ] [ 5 ]} في هذا السيناريو، تتقارب جميع المادة في تفرد الزمكان في آن واحد بالنسبة للزمن المتحرك. والجدير بالذكر أن أفق الحدث يظهر قبل التفرد، مغطيًا إياه فعليًا. من خلال السماح بملف كثافة أولي غير متجانس، يمكن إظهار تغيير كبير في سلوك الأفق. يؤدي هذا إلى نتيجتين محتملتين متميزتين ناتجتين عن انهيار الغبار العادي: تكوين ثقب أسود، يتميز بظهور الأفق قبل التفرد؛ أو ظهور تفرد عارٍ، حيث يتأخر ظهور الأفق. في حالة التفرد العاري، يسمح هذا التأخير للجيوديسيات الصفرية أو أشعة الضوء بالهروب من التفرد المركزي، حيث تتباعد الكثافة والانحناءات، لتصل إلى مراقبين بعيدين. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} عند استكشاف سيناريوهات انهيار أكثر واقعية، يتمثل أحد السبل في دمج الضغوط في النموذج. وقد خضعت دراسة الانهيار الجذبي مع الضغوط غير الصفرية ونماذج مختلفة، بما في ذلك معادلة حالة واقعية تحدد العلاقة المحددة بين الكثافة والضغط داخل السحابة، لفحص وبحث دقيقين من قبل العديد من الباحثين على مر السنين. ^{[ 9 ]} وتؤدي جميعها إما إلى ثقب أسود أو تفرد عارٍ، وذلك اعتمادًا على البيانات الأولية.

انطلاقًا من مفاهيم مستوحاة من الثقوب السوداء الدوارة ، يتضح أن التفرد، الذي يدور بسرعة فائقة، يمكن أن يتحول إلى جسم حلقي الشكل. وينتج عن ذلك أفقان للحدث، بالإضافة إلى مجال إرجوسفير ، يتقاربان مع ازدياد سرعة دوران التفرد. وعندما يندمج أفقا الحدث الخارجي والداخلي، يتقلصان باتجاه التفرد الدوار، مما يؤدي في النهاية إلى كشفه لبقية الكون.

قد تنشأ نقطة تفرد تدور بسرعة كافية نتيجة انهيار الغبار أو انفجار مستعر أعظم لنجم سريع الدوران. وقد أُجريت دراسات على النجوم النابضة ^{[ 10 ]} وبعض عمليات المحاكاة الحاسوبية، مثل تلك التي أجراها ماثيو تشوبتويك عام 1997. ^{[ 11 ]} ومن المثير للاهتمام، أنه تم الإبلاغ مؤخرًا عن إمكانية تحول بعض الأقزام البيضاء الدوارة إلى نقاط تفرد عارية دوارة أو ثقوب سوداء ذات نطاق واسع من قيم الكتلة القريبة من كتلة الشمس أو دونها، وذلك عن طريق التقاط جسيمات المادة المظلمة غير المتماثلة. ^{[ 12 ] [ 13 ]} وبالمثل، يمكن أيضًا تحويل النجوم النيوترونية الدوارة إلى نقاط تفرد عارية بطيئة الدوران ذات كتلة قريبة من كتلة الشمس عن طريق التقاط جسيمات المادة المظلمة غير المتماثلة، إذا أمكن نمذجة سحابة جسيمات المادة المظلمة المتراكمة في لب النجم النيوتروني كسائل غير متجانس . ^{[ 14 ]} بشكل عام، يمكن استخدام ترنح الجيروسكوب وترنح مدارات المادة الساقطة في ثقب أسود دوار أو نقطة تفرد عارية للتمييز بين هذه الأجسام الغريبة . ^{[ 15 ] [ 16 ]}

أثبت عالم الرياضيات ديمتريوس كريستودولو ، الحائز على جائزة شو ، أنه خلافًا لما كان متوقعًا، يمكن أن تحدث حالات شاذة غير مخفية داخل الثقب الأسود. ^{[ 17 ]} ومع ذلك، فقد أثبت لاحقًا أن هذه "الحالات الشاذة المكشوفة" غير مستقرة. ^{[ 18 ]}

توجد آفاق حدث متلاشية في مقياس كير ، وهو عبارة عن ثقب أسود دوار في الفراغ. تحديدًا، إذا كان الزخم الزاوي مرتفعًا بدرجة كافية، فقد تختفي آفاق الحدث. بتحويل مقياس كير إلى إحداثيات بوير-ليندكويست ، يمكن إثبات ^{[ 19 ]} أن${\displaystyle r}$إحداثيات أفق الحدث (وهي ليست نصف القطر) هي $${\displaystyle r_{\pm }=\mu \pm (\mu ^{2}-a^{2})^{1/2},}$$ أين${\displaystyle \mu =GM/c^{2}}$، و${\displaystyle a=J/Mc}$في هذه الحالة، تعني عبارة "اختفاء آفاق الحدث" أن الحلول معقدة بالنسبة لـ${\displaystyle r_{\pm }}$، أو${\displaystyle \mu ^{2}<a^{2}}$ومع ذلك، فإن هذا يتوافق مع حالة يكون فيها${\displaystyle J}$يتجاوز${\displaystyle GM^{2}/c}$(أو بوحدات بلانك ،${\displaystyle J>M^{2}}$) ، أي أن الدوران يتجاوز ما يُنظر إليه عادةً على أنه الحد الأعلى لقيمه الممكنة فيزيائيًا.

يمكن أيضًا ملاحظة اختفاء آفاق الحدث باستخدام هندسة رايسنر-نوردستروم للثقب الأسود المشحون. في هذا المقياس، يمكن إثبات ^{[ 20 ]} أن الآفاق تحدث عند $${\displaystyle r_{\pm }=\mu \pm (\mu ^{2}-q^{2})^{1/2},}$$ أين${\displaystyle \mu =GM/c^{2}}$، و${\displaystyle q^{2}=GQ^{2}/(4\pi \varepsilon _{0}c^{4})}$من بين الحالات الثلاث المحتملة للقيم النسبية لـ${\displaystyle \mu }$و${\displaystyle q}$، الحالة التي${\displaystyle \mu ^{2}<q^{2}}$يسبب كلا الأمرين${\displaystyle r_{\pm }}$أن يكون معقدًا. هذا يعني أن المقياس منتظم لجميع القيم الموجبة لـ${\displaystyle r}$أو بعبارة أخرى، لا يوجد أفق حدث للنقطة الشاذة. ومع ذلك، يتوافق هذا مع حالة حيث${\displaystyle Q/{\sqrt {4\pi \varepsilon _{0}}}}$يتجاوز${\displaystyle M{\sqrt {G}}}$(أو بوحدات بلانك،${\displaystyle Q>M}$) ، أي أن الشحنة تتجاوز ما يُنظر إليه عادةً على أنه الحد الأعلى لقيمها الممكنة فيزيائيًا.

انظر إلى مقياس كير-نيومان لحالة التفرد الحلقي المشحون الدوار.

قد تسمح نقطة التفرد العارية للعلماء برصد مادة ذات كثافة لانهائية، وهو أمر مستحيل في الظروف العادية وفقًا لفرضية الرقابة الكونية. أي أنه بدون أفق حدث من أي نوع، يمكن لنقاط التفرد العارية أن تُصدر ضوءًا بالفعل. ^{[ 29 ]}

تنص فرضية الرقابة الكونية على أن كل نقطة تفرد جاذبي ستبقى مخفية خلف أفق حدثها. وتتوافق أحداث مرصد ليغو ، بما في ذلك GW150914 ، مع هذه التوقعات. ورغم أن وجود نقطة تفرد كان سيؤدي إلى ظهور شذوذات في البيانات، إلا أن طبيعة هذه الشذوذات لا تزال مجهولة. ^{[ 30 ]}

تشير بعض الأبحاث إلى أنه إذا كانت نظرية الجاذبية الكمومية الحلقية صحيحة، فقد توجد حالات تفرد عارية في الطبيعة، ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} مما يعني أن فرضية الرقابة الكونية غير صحيحة. كما أشارت حسابات عددية ^{[ 34 ]} وبعض الحجج الأخرى ^{[ 35 ] إلى هذا الاحتمال.}

• تتمحور ثلاثية روايات الخيال العلمي "Kefahuchi Tract" للكاتب إم. جون هاريسون ( Light و Nova Swing و Empty Space ) حول استكشاف البشرية لنقطة تفرد عارية.
• "خطرٌ مُظلم"، بقلم جيمس سي. غلاس (نُشرت في مجلة أنالوج، مارس 2005)، هي قصةٌ تدور حول رواد فضاء في مهمة استكشافية. أثناء بحثهم في ظاهرة كونية غريبة، بدأت مركبتيهم الفضائيتين الصغيرتين بالاهتزاز، وعجزوا عن مغادرة المنطقة. أدرك أحد أفراد الطاقم أنهم محاصرون في منطقة إرجوسفير لثقب أسود أو نقطة تفرد عارية. تصف القصة مجموعة من الثقوب السوداء أو نقاط التفرد، وما يفعله الطاقم لمحاولة النجاة من هذا الموقف الذي يبدو مستحيلاً.
• تتضمن سلسلة Xeelee لستيفن باكستر شخصيات Xeelee، الذين يصنعون حلقة ضخمة تُنتج ثقبًا متفردًا عاريًا. تُستخدم هذه الحلقة للسفر إلى كون آخر.
• في الحلقة التي تحمل عنوان " الفجر "، وهي الحلقة الأخيرة من المسلسل التلفزيوني المعاد تصوره عام 2004 "باتلستار جالاكتيكا" ، تدور مستعمرة السيلون حول نقطة تفرد عارية.
• يُعتقد أن الإله النائم في ثلاثية فجر الليل لبيتر هاميلتون هو نقطة تفرد عارية.
• في فيلم كريستوفر نولان " بين النجوم "، يعيق عدم وجود نقطة تفرد عارية البشرية من إكمال نظرية الجاذبية الكمومية بسبب عدم إمكانية الوصول إلى البيانات التجريبية من داخل أفق الحدث .
• في الرواية المرئية Steins;Gate ، يتم استخدام نقطة تفرد عارية لضغط الذكريات الرقمية للبطل إلى حجم أصغر، ليتم إرسالها بعد ذلك إلى الماضي باستخدام "آلة قفزة زمنية" مرتجلة.
• في رواية فوندا ماكنتاير "تأثير الإنتروبيا" من سلسلة ستار تريك عام 1981 ، تم اكتشاف أن التفرد العاري هو أحد الآثار الجانبية لتجارب السفر عبر الزمن ، ويهدد بتدمير الكون إذا لم يتم إيقاف تجارب السفر عبر الزمن قبل أن تبدأ.

• إلكترون الثقب الأسود
• التفرد الجاذبي
• تفرد الحلقة

• فيرنر، إم سي؛ بيترز، إيه أو (24-09-2007). "علاقات التكبير لعدسة كير واختبار الرقابة الكونية". مجلة Physical Review D. 76 ( 6) 064024. arXiv : 0706.0132v2 . Bibcode : 2007PhRvD..76f4024W . doi : 10.1103/physrevd.76.064024 . ISSN 1550-7998 . S2CID 119647924 .  
• بانكاج إس. جوشي، " هل تكسر المفردات العارية قواعد الفيزياء؟ " ^{[ تمت إزالة الرابط ]} ، مجلة ساينتفك أمريكان ، يناير 2009.
• ماركوس تشاون، "الثقوب السوداء سريعة الدوران قد تكشف كل شيء" مجلة نيو ساينتست ، أغسطس 2009.