Nejextrémnější objekt ve vesmíru. Nahá singularita (naked singularity) je gravitační singularita bez horizontu událostí. Je tedy jiná, než singularita uvnitř černé díry, která má vrstvu, za níž jí ani světlo nemůže opustit. Nahá singularita je z vnějšku viditelná. (Kredit: Art Works! Syndication, University of  Tokyo).

Pojmem singularita dnes šermuje kde kdo. Ti, co jsou doma v mytologii a náboženství, v ní spatřují nejvyšší stupeň vědomí, k němuž směřujeme. Meteorologové, když se jim vymkne trend vývoje počasí a například v rámci globálního oteplování se vyskytne odchylka, označí to za vývojovou singularitu. Geometři v ní spatřují bod, k němuž se jim daří přiřadit několik rozdílných souřadnic a pro matematiky to je výjimečnost, v němž funkce nemá řešení. Asi nejlepší v tom jsou kosmologové. Ti těch singularit mají hned několik. Singularitou operují, když nám chtějí vysvětlit vznik našeho vesmíru. A když mluví-li o gravitaci, tak singularitou myslí děj uvnitř černé díry. Pak ještě rozlišují fyzikální a souřadnicovou singularitu. My obyčejní smrtelníci máme s jejich představou tak trochu problém. Hlavně když mluví o narušení integrity časoprostorové spojitosti, v níž fyzikální zákony přestávají platit.

Astronomové ale tvrdí, že vědí, jak taková singularita vzniká. To když velmi hmotná hvězda stráví všechno své palivo, zhroutí se vlastní gravitací, až se z ní nakonec stane velmi malá oblast s neskonale vysokou hustotou hmoty. Ta už je onou „singularitou“. Je-li tato jedinečnost skryta uvnitř horizontu událostí, je neviditelná. Stává se něčím, z čeho ani světlo nemůže uniknout a pro takový objekt se vžil termín černá díra. Nebo také jedinečnost (singularita), kterou nemůžeme vidět.

Schéma černé díry (vlevo) a nahé singularity (vpravo). Přerušovaná čára představuje horizont událostí. Šipky představují směr, ve kterém světelné paprsky cestují. (Kredit: Sudip Bhattacharyya, Pankaj Joshi)

Ale co v případě, když se horizont událostí netvoří?

Ano, i takovou skutečnost Einsteinova teorie obecné relativity nevylučuje. Protože jde o jedno z řešení jejích rovnic, vznik takových gravitačních singularit připouští celá řada vědců. O jedné partě, která k ověření využila britský superpočítač COSMOS, jsme na Oslovi psali již loni.  Nyní se tým indických fyziků z výzkumného ústavu TIFR:  Dr.Chandrachur Chakraborty, Mr. Prashant Kocherlakota, Prof. Sudip Bhattacharyya a prof. Pankaj Joshi, spolu s polskými kolegy Dr. Mandarem Patilem a prof. Andrzejem Krolakem, zabýval možností, jak tyto singularity pozorovat. Vyšlo jim, že by nahou singularitu a klasickou černou díru rozlišit neměl být problém. Nemuseli přitom Einsteinovu teorii relativity ani popřít ani ohýbat. Ta totiž sama předpovídá zajímavý efekt. A sice, že se časoprostorová síť v blízkosti rotujícího objektu bude rovněž roztáčet. Točení, jak známo, se ale musí projevit gyroskopovým efektem. Částicím na oběžné dráze kolem zmíněných astrofyzikálních objektů rotace pak musí udělit to, čemu se říká precese. V publikované práci se operuje termínem rychlost kmitočtové (gyroskopové) precese okolo rotující černé díry a nahé singularity. Pokud se tato precesní frekvence ve dvou pevných bodech v blízkosti otáčejícího se předmětu projeví, pak u ní mohou nastat jen dvě možnosti:

1) Ke změně precesní frekvence dojde libovolně robustním skokem. Laicky řečeno, změna chování gyroskopu bude „divoká“.

2) Precesní frekvence bude růst postupně a pravidelně.

V prvním případě by oním rotujícím objektem byla černá díra, ve druhém nahá singularita.

Chandrachur Chakraborty, první autor studie popisující, jak lze nahou singularitu rozlišit od černé díry. (Kredit: TIFR)

Precese není nic tak neobvyklého. Známe ji všichni už z dob, kdy jsme byli dětmi. Ať už jsme roztáčeli káču, nebo setrvačník z autíčka. Dokud se točily dostatečně rychle, zůstávala rotační osa  stálá, jakmile se rotace zmenšila, začala se osa kolébat a opisovat kužel. To je precese. Volný setrvačník (gyroskop) se snaží udržet si stálou osu rotace. Jakmile ale na něj začnou působit další síly, dostane se do precese. V případě naší káči byly silami zemská gravitace a tření o podložku. V případě gyroskopu obíhajícího černou díru, jakmile by se blížil horizontu událostí, a je zcela jedno z jakého by to bylo směru, začal by se podle fyziků chovat „divoce“.

Tata Institute of Fundamental Research (TIFR), Indie

V případě ale jeho přibližování se k nahé singularitě  by se tak („divoce“) choval jen v její rovníkové rovině. Ve všech ostatních směrech by došlo k postupné změně frekvence a gyroskop by se choval „spořádaně“.  A protože padající hmota do těchto struktur vyzařuje rentgenové záření a z rentgenových vlnových délek lze precesní frekvenci změřit, lze tím obě struktury od sebe odlišit.

Odpověď na v názvu položenou otázku, zda singularitu můžeme vidět, tedy zní: singularita by se měla  „zviditelňovat“ sama. To ale neznamená nic menšího, než že nahá singularita nám umožní pozorovat i nekonečně hustý materiál. A protože tu je řeč o něčem, co nemá horizont událostí, není ani vyloučeno, že by nahé singularity (naked singularity) mohly emitovat i světlo.

Závěr

Zapomněli jsme dodat, že podle zastánců  hypotézy „kosmické cenzury“, nahá singularita v našem vesmíru z realistických výchozích podmínek vzniknout nemůže.

Literatura

Chandrachur Chakraborty et al, Spin precession in a black hole and naked singularity spacetimes, Physical Review D (2017). DOI: 10.1103/PhysRevD.95.044006
Chandrachur Chakraborty et al. Distinguishing Kerr naked singularities and black holes using the spin precession of a test gyro in strong gravitational fields, Physical Review D (2017). DOI: 10.1103/PhysRevD.95.084024 
Tata Institute of Fundamental Research