WAT IS EEN BIJZONDERHEID?

Send

Sinds wetenschappers voor het eerst het bestaan van zwarte gaten in ons universum ontdekten, hebben we ons allemaal afgevraagd: wat zou er achter de sluier van die verschrikkelijke leegte kunnen bestaan? Bovendien, sinds de theorie van algemene relativiteitstheorie voor het eerst werd voorgesteld, werden wetenschappers gedwongen zich af te vragen wat er had kunnen bestaan vóór de geboorte van het heelal - dat wil zeggen vóór de oerknal?

Interessant genoeg zijn deze twee vragen (naar een mode) opgelost met het theoretische bestaan van iets dat bekend staat als Gravitational Singularity - een punt in de ruimte-tijd waar de wetten van de fysica zoals we die kennen, uiteenvallen. En hoewel er nog steeds uitdagingen en onopgeloste problemen zijn met betrekking tot deze theorie, geloven veel wetenschappers dat dit onder de sluier van een gebeurtenishorizon en aan het begin van het heelal bestond.

Definitie:

In wetenschappelijke termen is een gravitationele singulariteit (of ruimte-tijd singulariteit) een locatie waar de hoeveelheden die worden gebruikt om het gravitatieveld te meten oneindig worden op een manier die niet afhankelijk is van het coördinatensysteem. Met andere woorden, het is een punt waarop alle natuurkundige wetten niet van elkaar te onderscheiden zijn, waar ruimte en tijd niet langer onderling verbonden realiteiten zijn, maar niet te onderscheiden samensmelten en geen zelfstandige betekenis meer hebben.

Oorsprong van de theorie:

Singulariteiten werden voor het eerst voorspeld als gevolg van Einsteins Theory of General Relativity, wat resulteerde in het theoretische bestaan van zwarte gaten. In wezen voorspelde de theorie dat elke ster die buiten een bepaald punt in zijn massa reikt (ook bekend als de Schwarzschild-straal) een zwaartekracht zou uitoefenen die zo intens was dat hij zou instorten.

Op dit moment zou niets aan het oppervlak kunnen ontsnappen, inclusief licht. Dit komt doordat de zwaartekracht de lichtsnelheid in vacuüm zou overschrijden - 299.792.458 meter per seconde (1.079.252.848,8 km / h; 670.616.629 mph).

Dit fenomeen staat bekend als de Chandrasekhar-limiet, genoemd naar de Indiase astrofysicus Subrahmanyan Chandrasekhar, die het in 1930 voorstelde. Momenteel wordt aangenomen dat de geaccepteerde waarde van deze limiet 1,39 zonsmassa's is (dwz 1,39 maal de massa van onze zon), wat neerkomt op maar liefst 2.765 x 10³⁰ kg (of 2.765 biljoen biljoen ton).

Een ander aspect van de moderne algemene relativiteitstheorie is dat ten tijde van de oerknal (d.w.z. de begintoestand van het heelal) een bijzonderheid was. Roger Penrose en Stephen Hawking ontwikkelden allebei theorieën die probeerden te beantwoorden hoe gravitatie singulariteiten kon veroorzaken, die uiteindelijk samensmolten tot de Penrose-Hawking Singularity Theorems.

Volgens de Penrose Singularity Theorem, die hij in 1965 voorstelde, zal een tijdachtige singulariteit optreden in een zwart gat wanneer de materie bepaalde energiecondities bereikt. Op dit punt wordt de kromming van de ruimtetijd binnen het zwarte gat oneindig, waardoor het verandert in een ingesloten oppervlak waar de tijd ophoudt te functioneren.

De Hawking Singularity-stelling voegde hieraan toe door te stellen dat een ruimte-achtige singulariteit kan optreden wanneer materie met geweld wordt gecomprimeerd tot een punt, waardoor de regels die materie beheersen, uiteenvallen. Hawking vond dit terug in de tijd tot aan de oerknal, die volgens hem een punt van oneindige dichtheid was. Hawking heeft dit later echter herzien om te beweren dat de algemene relativiteitstoestand soms voorafgaand aan de oerknal afbreekt en dat daardoor geen singulariteit kon worden voorspeld.

Sommige recentere voorstellen suggereren ook dat het universum niet als een singulariteit is begonnen. Deze omvatten theorieën zoals Loop Quantum Gravity, die probeert de wetten van de kwantumfysica te verenigen met zwaartekracht. Deze theorie stelt dat er, als gevolg van kwantumzwaartekrachteffecten, een minimale afstand is waarboven de zwaartekracht niet langer blijft toenemen, of dat interpenetrerende deeltjesgolven zwaartekrachteffecten maskeren die op afstand zouden worden gevoeld.

Soorten bijzonderheden:

De twee belangrijkste soorten ruimte-tijd singulariteiten staan bekend als Curvature Singularities en Conical Singularities. Singulariteiten kunnen ook worden verdeeld naargelang ze al dan niet worden gedekt door een gebeurtenishorizon. In het geval van de eerste heb je de kromming en conisch; terwijl je in het laatste geval zogenaamde Naked Singularities hebt.

Een kromming singulariteit wordt het best geïllustreerd door een zwart gat. In het midden van een zwart gat wordt de ruimtetijd een eendimensionaal punt dat een enorme massa bevat. Als gevolg hiervan wordt de zwaartekracht oneindig en krommen de ruimte-tijd oneindig, en de natuurkundige wetten zoals we die kennen, houden op te functioneren.

Conische singulariteiten treden op wanneer er een punt is waar de limiet van elke algemene covariantie-hoeveelheid eindig is. In dit geval ziet ruimtetijd eruit als een kegel rond dit punt, waar de singulariteit zich aan de punt van de kegel bevindt. Een voorbeeld van zo'n conische singulariteit is een kosmische snaar, een soort hypothetisch eendimensionaal punt waarvan wordt aangenomen dat het zich tijdens het vroege heelal heeft gevormd.

En zoals gezegd is er de Naked Singularity, een soort singulariteit die niet verborgen is achter een eventhorizon. Deze werden voor het eerst ontdekt in 1991 door Shapiro en Teukolsky met behulp van computersimulaties van een roterend stofvlak dat erop wees dat de algemene relativiteitstheorie 'naakte' singulariteiten mogelijk zou maken.

In dit geval zou zichtbaar zijn wat er feitelijk binnen een zwart gat gebeurt (d.w.z. de singulariteit). Een dergelijke bijzonderheid zou theoretisch zijn wat er bestond vóór de oerknal. Het sleutelwoord is hier theoretisch, want het blijft een mysterie hoe deze objecten eruit zouden zien.

Singulariteiten en wat er eigenlijk onder de sluier van een zwart gat ligt, blijven voorlopig een mysterie. Naarmate de tijd verstrijkt, hopen we dat astronomen zwarte gaten in meer detail zullen kunnen bestuderen. We hopen ook dat wetenschappers de komende decennia een manier zullen vinden om de principes van de kwantummechanica met zwaartekracht samen te voegen, en dat dit meer licht zal werpen op hoe deze mysterieuze kracht werkt.

We hebben veel interessante artikelen over gravitationele singulariteiten hier bij Space Magazine. Hier zijn 10 interessante feiten over zwarte gaten, hoe zou een zwart gat eruit zien?, Was de oerknal gewoon een zwart gat?, Vaarwel oerknal, hallo zwart gat? een zwart gat?

Als je meer informatie wilt over singulariteit, bekijk dan deze artikelen van NASA en Physlink.

Astronomy Cast heeft enkele relevante afleveringen over het onderwerp. Hier is aflevering 6: meer bewijs voor de oerknal en aflevering 18: grote en kleine zwarte gaten en aflevering 21: vragen over het zwarte gat beantwoord.

Bronnen: