Могут ли быть черные дыры в ваших черных дырах?

Технически/математически правильный ответ

Вот пример черной дыры, которая технически находится внутри другой черной дыры: максимально расширенное решение Рейсснера-Нордстрема. В этом случае под «нахождением внутри» черной дыры мы подразумеваем, что горизонт событий для одной черной дыры полностью совпадает с будущим другой (см. отверстие внутри другого). Это решение соответствует сферически-симметричному пространству-времени с электрическим зарядом в центре сферической симметрии. Диаграмма Пенроуза для этого решения показана здесь:

Начиная с горизонтальной пунктирной линии и двигаясь вверх, мы сталкиваемся с первым горизонтом событий черной дыры на диагональной линии, обозначенной$r=r_+$. Проходя его, мы попадаем в первую черную дыру, и, в отличие от решения Шварцшильда, теперь есть две отдельные времяподобные сингулярности в точке$r=0$. Поскольку они времениподобны, их можно избежать, поэтому времяподобная мировая линия может начать двигаться радиально наружу, как только она пройдет первую поверхность, обозначенную$r=r_-$. В конце концов эта линия выйдет из горизонта белой дыры (в следующем наборе линий, помеченных$r=r_+$, а затем увидим, что в будущем есть еще один горизонт черной дыры. Максимально расширенное решение на самом деле состоит из бесконечной цепочки черных дыр и белых дыр, каждая из которых находится внутри следующей в том смысле, что каждая последующая черная дыра связана с будущим предыдущей. Такая цепочка черных дыр возникает и в максимально протяженной керровской черной дыре, описывающей цилиндрически-симметричную вращающуюся черную дыру в вакууме.

Конечно, это пространство-время несколько экзотично. Он обладает горизонтами Коши, например, на первом$r=r_-$поверхность, так что начальные данные на первом срезе не полностью определяют, как поля будут развиваться в пространстве-времени (нужны дополнительные граничные условия в сингулярности). Горизонты Коши обычно считаются нестабильными, поэтому маловероятно, что такая цепочка черных дыр когда-либо возникнет в астрофизической черной дыре. Возмущения этого пространства-времени приводят к обрыву цепочки, что приводит к нулевым или пространственно-подобным сингулярностям.

Вероятно, вы могли бы придумать другие примеры черных дыр с несколькими асимптотическими нулевыми бесконечными областями, в которых одна черная дыра находится внутри другой. Вполне вероятно, что в такой экзотической ситуации вы в конечном итоге нарушите энергетическое условие для пространства-времени или получите другие патологии, такие как отсутствие глобальной гиперболии. На самом деле в этих случаях можно было бы доказать различные теоремы о глобальной гиперболичности или других аспектах причинной структуры, хотя я не знаю ни одной работы, подробно изучающей это.

Более интуитивное объяснение

После написания приведенного выше ответа я понял, что на самом деле он не соответствует интуитивному представлению об одной черной дыре внутри другой.

Причина, по которой сложно описать одну черную дыру внутри другой, заключается в том, что черные дыры определяются глобальным, «телеологическим» способом, а это означает, что их определение зависит от всей истории пространства-времени, а не от того, как мы часто их себе представляем. как объекты, существующие в любой данный момент времени. Когда кто-то думает о том, что одна черная дыра находится внутри другой, можно представить себе небольшой горизонт событий внутри большей, который в конечном итоге упирается в сингулярность. Однако это невозможно, потому что маленький горизонт событий внутри на самом деле не является границей причинного прошлого будущей нулевой бесконечности. Это означает, что нет хорошего способа определить горизонт событий этой внутренней черной дыры, поскольку истинный горизонт событий на самом деле состоит только из внешней черной дыры.

Если меньшая черная дыра первоначально возникла вне большой, то горизонт событий изначально состоит из двух разных частей, но как только они сливаются, горизонты событий объединяются в один связанный, и поэтому теперь есть только одна черная дыра.

Итак, вы спросили, что происходит, когда сингулярности сталкиваются. Я думаю, что это вообще довольно сложный вопрос, так как уравнения общей теории относительности ведут себя хаотично вблизи особенностей. На самом деле вполне вероятно, что о структуре этих сливающихся сингулярностей черных дыр известно немногое, поскольку численная теория относительности требует больших вычислительных ресурсов и становится намного сложнее, когда вы находитесь в областях с большой кривизной вблизи сингулярности. Разумно предположить, что полная сингулярность представляет собой единую поверхность, состоящую из пространственноподобных и нулевых областей, но детали усложняются из-за хаотического поведения. Когда сингулярности расположены очень близко, вы, вероятно, ожидаете очень быстрого и сильного сжатия и расширения пространства, характерного для этих сингулярностей.