Являются ли черные дыры действительно сингулярностями?

Популярное предположение о черных дырах заключается в том, что их гравитация растет сверх всяких пределов, поэтому она побеждает все силы отталкивания, и материя коллапсирует в сингулярность. [...] Есть ли доказательства этому предположению?

Это не предположение, это вычисление плюс теорема, теорема Пенроуза об сингулярности.

Расчет представляет собой предел Толмена-Оппенгеймера-Волкова для массы нейтронной звезды, который составляет от 1,5 до 3 масс Солнца. Существует довольно большой диапазон неопределенности из-за неопределенностей ядерной физики, возникающих в этих экстремальных условиях, но на самом деле не вызывает сомнений, что такой предел существует и что он находится в этом районе. Вполне возможно, что существуют стабильные объекты, более компактные, чем нейтронная звезда, но не являющиеся черными дырами. Существуют различные спекулятивные идеи — черные звезды, гравазвезды, кварковые звезды, бозонные звезды, Q-шары и электрослабые звезды. Тем не менее, все эти формы материи также должны иметь некоторую предельную массу, прежде чем они тоже коллапсируют, и данные наблюдений показывают, что звезды с массой около 3-20 масс Солнца действительно коллапсируют до такой степени, что они могут».

Теорема Пенроуза о сингулярности утверждает, что когда объект схлопывается за определенную точку, должна образоваться сингулярность. Технически это говорит о том, что если у вас есть нечто, называемое захваченной светоподобной поверхностью, то где-то в пространстве-времени должна быть сингулярность. Эта теорема важна, потому что пределы массы, такие как предел Толмена-Оппенгеймера-Волкова, предполагают статическое равновесие. В такой динамической системе, как шаровое скопление, общая ситуация ньютоновской гравитации такова, что вещи непровал в центре. Они имеют тенденцию пролетать мимо, точно так же, как комета пролетает мимо Солнца, и на самом деле существует барьер углового момента, который делает коллапс в точку невозможным. Теорема Пенроуза о сингулярности говорит нам, что общая теория относительности ведет себя качественно иначе, чем ньютоновская гравитация, для сильных гравитационных полей, и коллапс в сингулярность в некотором смысле является общим результатом. Теорема сингулярности также говорит нам, что мы не можем просто продолжать открывать все более и более плотные формы стабильной материи; за пределами определенной плотности формируется захваченная светоподобная поверхность, а затем она гарантированно образует сингулярность.

Почему некоторые черные дыры не могут быть просто более крупными нейтронными звездами с большей гравитацией без каких-либо существенных отличий, за исключением предотвращения выхода света?

Этот вопрос сводится к вопросу, почему у нас не может быть горизонта событий черной дыры без сингулярности. Это исключается теоремами черной дыры об отсутствии волос, предполагающими, что результирующая система в какой-то момент стабилизируется (технически предполагается, что пространство-время стационарно). По сути, теоремы об отсутствии волос говорят, что если объект имеет определенный тип горизонта событий и если он оседлый, то он должен быть черной дырой и может отличаться от других черных дыр только тремя способами: своей массой, угловым импульс и электрический заряд. Все эти хорошо классифицированные типы имеют особенности.

Конечно, эти теоремы доказываются в рамках общей теории относительности. В теории квантовой гравитации, вероятно, происходит что-то еще, когда коллапс достигает планковского масштаба.

С точки зрения наблюдений мы видим такие объекты, как Стрелец А*, которые не излучают собственного света, имеют большие массы и слишком компактны, чтобы быть какой-либо стабильной формой материи с такой массой. Это убедительно подтверждает справедливость приведенных выше расчетов и теорем. Еще более сильная поддержка придет, если мы сможем напрямую изобразить Стрельца A* с достаточным увеличением, чтобы определить его горизонт событий. Это может произойти в течение 10 лет или около того.

Заключительные стадии коллапса звезды включают в себя различные этапы, но три наиболее распространенных из них — это белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры.

Белые карлики образуются, когда гравитационные силы массы остатков звезды не могут преодолеть отталкивание давления вырождения электронов. Итак, подумайте о гравитации, конкурирующей с электромагнитной силой, но последняя побеждает, поэтому дальнейшего коллапса не происходит.

Нейтронные звездыобразуются, когда гравитационные силы преодолевают отталкивание давления вырождения электронов, но теперь останавливаются силой между нейтронами. Это называется давлением квантового вырождения и является результатом принципа запрета Паули. Как только эта сила будет преодолена благодаря достаточной гравитации, возможно, появится другая фаза, кварковая звезда, где кварки оказывают внешнее давление. Но этому давлению тоже есть предел. Мы можем добавлять материю практически вечно, так что независимо от того, с каким внешним давлением сталкивается гравитация, в конце концов она всегда сможет его преодолеть. Из всех известных видов сил всегда есть случай, когда гравитация может преодолеть сильнейшие силы отталкивания. Вот почему физики считают, что она должна коллапсировать в черную дыру. Однако, это может оказаться ложным, если мы упустим часть физики, которая каким-то образом говорит нам о существовании совершенно новой силы, которая меняет всю физику! Хотя это маловероятно. Надеюсь, это поможет.

Черные дыры не имеют сингулярностей. Поскольку вся материя черной дыры находится в ее сферической оболочке, внутреннее пространство-время плоское .