Что такое внезапная сингулярность?

Внезапная сингулярность — это сингулярность, которая формируется во Вселенной за конечное время.

Это может показаться странным определением. В конце концов, разве сингулярности в черных дырах не образуются за конечное время, так не должны ли они, да и вообще все сингулярности, быть внезапными ? Вообще-то, нет! Для таких наблюдателей, как мы, летающих по Вселенной, в нашей системе отсчета формирование черной дыры занимает бесконечное время.

Этот на первый взгляд парадоксальный результат слишком широко обсуждался на этом сайте и в других местах, чтобы мне стоило остановиться на нем здесь. Наблюдатель, упавший в черную дыру, столкнется с сингулярностью за конечное время, но для наблюдателей за горизонтом событий сингулярность никогда не образуется. Тип большой разрывной сингулярности, обычно называемый внезапной сингулярностью, формируется за конечное время (для всех наблюдателей), потому что мы фактически падаем к ней так же, как наблюдатель падает в черную дыру.

Быстрая сноска:

Как указывает Бен в своем ответе, мое определение выше слишком широкое, потому что оно включает сингулярности (такие как Большое сжатие), которые не являются внезапными . как описано в статье Нодзири , внезапные сингулярности — это лишь один из четырех типов сингулярностей, которые могут возникать при ненулевых масштабных факторах (т. е. не при Большом Взрыве или Большом Сжатии). Я не уверен, насколько полезно это может быть изложено для непрофессионала, так как все это немного технично. @Skotch, я бы посмотрел статью Нодзири и, возможно, задал бы дополнительный вопрос, если вы хотите, чтобы что-то в ней было карикатурировано.

Люди давно знали о существовании космологических моделей, включающих сингулярность Большого сжатия. В этих моделях плотность материи во Вселенной достаточно велика, чтобы вызвать ее обратное сжатие. Эти модели больше не представляют интереса как описания реальной Вселенной, поскольку теперь мы знаем, что расширение Вселенной ускоряется, а не замедляется, предположительно из-за темной энергии с плохо известными свойствами.

На самом деле, если темная энергия окажется с определенными характеристиками, то возможно, что расширение в какой-то момент взорвется, так что вся материя будет разрушена, разорвана на части. Наиболее часто обсуждаемый сценарий этого типа называется Большим разрывом, но есть и другие сценарии, классифицированные в Cotsakis 2004. Подобная сингулярность имеет два свойства: (1) она происходит в конечное время в будущем и ( 2) это взрыв, а не повторный коллапс, как при Большом Сжатии. Могут быть случаи, когда космологический масштабный фактор$a$взрывается, и другие, где$a$остается конечным, но$\dot{a}$взрывается. Для сравнения, у большого хруста было бы$a$стремится к нулю.

Термин «внезапная сингулярность», по-видимому, используется в литературе для обозначения одного очень специфического типа взрыва. Коцакис говорит: «Например, они могут соответствовать «внезапным» сингулярностям (эту терминологию см. в [19])», где ссылка 19 — это Барроу, 2004. Барроу строит пример, который вовсе не связан с темной энергией. Выполняется сильное энергетическое условие, и плотность, и масштабный фактор всегда постоянны. Однако давление и кривизна достигают бесконечности за конечное время. Он получает такое поведение, не требуя соблюдения какого-либо уравнения состояния между давлением и плотностью. Поскольку и Бэрроу, и Коцакис, по-видимому, определяют этот термин на основе одного примера (слово «внезапный» появляется только в названии Бэрроу), немного сложно точно сказать, насколько широким они намерены сделать это определение. Nojiri 2005 определяет внезапную сингулярность как такую, в которой давление возрастает до плюс-минус бесконечности в некоторое конечное время, в то время как масштабный коэффициент и плотность остаются конечными. Это означает, что внезапная сингулярность никогда не может возникнуть, если существует определенное уравнение состояния.

Джон Д. Бэрроу, 2004 г., «Внезапные особенности будущего», http://arxiv.org/abs/gr-qc/0403084 .

Спирос Коцакис, Ифигения Клаудату, 2004 г., «Сингулярности будущего изотропных космологий», http://arxiv.org/abs/gr-qc/0409022 .

Нодзири и др., 2005 г., «Свойства сингулярностей в (фантомной) вселенной темной энергии», http://arxiv.org/abs/hep-th/0501025 .