Na relatividade geral, uma singularidade nua é uma singularidade gravitacional hipotética sem um horizonte de eventos. Quando existe pelo menos uma geodésica causal que, no futuro, se estende até um observador no infinito ou até um observador comóvel com a nuvem em colapso e, no passado, termina na singularidade gravitacional, então essa singularidade é referida como uma singularidade nua. Num buraco negro, a singularidade está completamente delimitada por uma fronteira conhecida como horizonte de eventos, dentro da qual a curvatura do espaço-tempo causada pela singularidade é tão forte que a luz não consegue escapar. Logo, os objetos no interior do horizonte de eventos — incluindo a própria singularidade — não podem ser observados diretamente. Por outro lado, uma singularidade nua seria observável.
A existência teórica das singularidades nuas é importante porque a sua existência significaria que seria possível observar o colapso de um objeto para densidade infinita. Isso também causaria problemas fundamentais para a relatividade geral, porque a relatividade geral não consegue fazer previsões sobre a evolução do espaço-tempo próximo a uma singularidade. Em buracos negros genéricos, isso não é um problema, pois um observador externo não consegue observar o espaço-tempo dentro do horizonte de eventos.
Singularidades nuas não foram observadas na natureza. As observações astronômicas de buracos negros indicam que a taxa de rotação deles cai abaixo do limiar para produzir uma singularidade nua (parâmetro de spin 1). O GRS 1915+105 é o que chega mais perto do limite, com um parâmetro de spin de 0,82 a 1,00. Há indícios de que o GRO J1655−40 possa ser uma singularidade nua.
De acordo com a hipótese da censura cósmica, as singularidades gravitacionais não podem ser observáveis. Se a gravidade quântica em loop estiver correta, singularidades nuas podem ser possíveis na natureza.
Formação prevista Quando uma estrela massiva sofre um colapso gravitacional devido à sua própria e imensa gravidade, o resultado final deste colapso persistente pode manifestar-se tanto como um buraco negro quanto como uma singularidade nua. Isso se mantém verdadeiro através de uma diversificada gama de cenários fisicamente plausíveis permitidos pela relatividade geral. O modelo de Oppenheimer-Snyder-Datt (OSD) ilustra o colapso de uma nuvem esférica composta de poeira homogênea (matéria sem pressão). Neste cenário, toda a matéria converge simultaneamente para a singularidade do espaço-tempo em termos de tempo comóvel. Notavelmente, o horizonte de eventos surge antes da singularidade, cobrindo-a efetivamente. Ao permitir um perfil de densidade inicial inomogêneo, pode-se demonstrar uma alteração significativa no comportamento do horizonte. Isso leva a dois potenciais resultados distintos decorrentes do colapso da poeira genérica: a formação de um buraco negro, caracterizada pelo horizonte precedendo a singularidade; ou o surgimento de uma singularidade nua, onde o horizonte é atrasado. No caso de uma singularidade nua, este atraso possibilita que geodésicas nulas ou raios de luz escapem da singularidade central, onde a densidade e as curvaturas divergem, atingindo observadores distantes. Ao explorar cenários de colapso mais realistas, uma via envolve a incorporação de pressões no modelo. A consideração do colapso gravitacional com pressões não nulas e vários modelos incluindo uma equação de estado realista, delineando a relação específica entre a densidade e a pressão no interior da nuvem, tem sido minuciosamente examinada e investigada por numerosos pesquisadores ao longo dos anos.Exemplos incluem: Todos eles resultam em um buraco negro ou em uma singularidade nua, dependendo dos dados iniciais.
A partir de conceitos extraídos de buracos negros em rotação, é demonstrado que uma singularidade, ao girar rapidamente, pode tornar-se um objeto em forma de anel. Isto resulta em dois horizontes de eventos, bem como em uma ergosfera, que se aproximam à medida que o spin da singularidade aumenta. Quando os horizontes de eventos externo e interno se fundem, eles encolhem em direção à singularidade em rotação e, por fim, expõem-na ao restante do universo.
Uma singularidade rodando rápido o suficiente pode ser criada pelo colapso de poeira ou por uma supernova de uma estrela de rotação rápida. Estudos de pulsares e algumas simulações de computador (Choptuik, 1997) foram realizados. De forma intrigante, foi relatado recentemente que algumas anãs brancas em rotação poderiam realisticamente transformar-se em singularidades nuas em rotação ou buracos negros com uma ampla gama de valores de massa próxima à massa solar ou subsolar através da captura de partículas assimétricas de matéria escura. Analogamente, estrelas de nêutrons em rotação também poderiam ser transformadas em singularidades nuas de rotação lenta com massa próxima à solar através da captura de partículas assimétricas de matéria escura, caso a nuvem acumulada de partículas de matéria escura no núcleo de uma estrela de nêutrons possa ser modelada como um fluido anisotrópico. De um modo geral, a precessão de um giroscópio e a precessão das órbitas da matéria que cai num buraco negro em rotação ou numa singularidade nua podem ser utilizadas para distinguir estes objetos exóticos.
O matemático Demetrios Christodoulou, laureado com o Prêmio Shaw, demonstrou que, ao contrário do que se esperava, também poderiam ocorrer singularidades que não estão ocultas num buraco negro. No entanto, ele então mostrou que tais "singularidades nuas" são instáveis.
Métricas thumb|Imagem produzida por traçado de raios de uma singularidade nua hipotética diante de um fundo da Via Láctea. Os parâmetros da singularidade são M=1, a²+Q²=2M². A singularidade é observada de frente a partir de seu plano equatorial em θ=90°. thumb|Comparação com um buraco negro extremo com M=1, a²+Q²=1M² Os horizontes de eventos evanescentes existem na métrica de Kerr, a qual representa um buraco negro em rotação num vácuo. Mais especificamente, se o momento angular for suficientemente elevado, os horizontes de eventos poderiam desaparecer. Transformando a métrica de Kerr para as coordenadas de Boyer-Lindquist, pode ser demonstradoHobson, et al., General Relativity an Introduction for Physicists, Cambridge University Press 2007, p. 300-305 que a coordenada (que não é o raio) do horizonte de eventos é
onde e . Neste caso, "os horizontes de eventos desaparecem" significa que as soluções são complexas para , ou seja, . Contudo, isso corresponde a um caso em que excede (ou em unidades de Planck, ), ou seja, a rotação excede o que normalmente é visto como o limite superior dos seus valores fisicamente possíveis.
Os horizontes de eventos evanescentes também podem ser vistos com a geometria de Reissner-Nordström de um buraco negro com carga. Nesta métrica, pode ser mostradoHobson, et al., General Relativity an Introduction for Physicists, Cambridge University Press 2007, p. 320-325 que os horizontes ocorrem em
onde e . Dos três casos possíveis para os valores relativos de e , o caso onde faz com que ambos os sejam complexos. Isso significa que a métrica é regular para todos os valores positivos de , ou seja, a singularidade não tem horizonte de eventos. Contudo, isso corresponde a um caso em que excede (ou em unidades de Planck, ), ou seja, a carga excede o que normalmente é visto como o limite superior dos seus valores fisicamente possíveis.
Ver a métrica de Kerr-Newman para uma singularidade em anel carregada e com rotação.
Tipos Singularidades globalmente e localmente nuas thumb |A singularidade em anel de um buraco negro de Kerr é um exemplo de uma singularidade localmente nua. As singularidades nuas podem ser globalmente ou localmente nuas. Uma singularidade globalmente nua é visível a partir do infinito, enquanto uma singularidade localmente nua não o é, devido ao fato de estar oculta atrás de um horizonte. Em outras palavras, uma singularidade globalmente nua pode ter efeitos causais em regiões assintóticas do espaço-tempo, enquanto uma singularidade localmente nua pode afetar apenas uma região finita. As singularidades global e localmente nuas são o foco das hipóteses de censura cósmica fraca e forte de Penrose, respectivamente, as quais teorizam que tais singularidades não existem. Em 2017, os matemáticos Mihalis Dafermos e Jonathan Luk verificaram matematicamente que o espaço-tempo continua além do horizonte de Cauchy interno de um buraco negro, para além do qual repousa uma singularidade BKL localmente nua, o que constitui um contraexemplo à versão forte da conjectura da censura cósmica, ao provarem matematicamente uma condição genérica sob a qual uma singularidade localmente nua poderia formar-se.
Singularidades forte e fracamente nuas As singularidades nuas podem ser fortemente ou fracamente nuas. Uma singularidade fracamente nua está contida em pelo menos uma esfera de fótons, enquanto uma singularidade fortemente nua não está. A intensidade (força) de uma singularidade nua é determinada pela sua razão entre a carga elétrica escalar e a massa. Quando , em que é a carga da singularidade e é a sua massa, a singularidade é fracamente nua. Quando , a singularidade é fortemente nua. Quando , a singularidade é marginalmente fortemente nua e apresenta propriedades semelhantes às de uma singularidade fracamente nua.
A luz sofre deflexão (lenteamento) de modo distinto perto de uma singularidade fracamente nua em comparação com uma fortemente nua. De forma similar a um buraco negro de Schwarzschild, a luz em torno de uma singularidade fracamente nua viaja em redor da esfera de fótons muitas vezes, gerando numerosas imagens relativísticas em redor dela. Por outro lado, por não ter uma esfera de fótons, uma singularidade fortemente nua não cria quaisquer imagens relativísticas lentificadas (defletidas). Adicionalmente, assim como um buraco negro de Schwarzschild, uma singularidade fracamente nua possui um anel de Einstein e não tem curva crítica radial, enquanto uma singularidade fortemente nua tem zero ou dois anéis de Einstein e possui de fato uma curva crítica radial.
Efeitos Uma singularidade nua poderia permitir aos cientistas observar um material infinitamente denso, o que em circunstâncias normais seria impossível de acordo com a hipótese da censura cósmica. Ou seja, sem qualquer tipo de horizonte de eventos, as singularidades nuas poderiam realmente emitir luz.
Hipótese da censura cósmica
A hipótese da censura cósmica afirma que todas as singularidades gravitacionais permanecerão ocultas pelos seus horizontes de eventos. Os eventos detectados pelo LIGO, incluindo o GW150914, são consistentes com estas previsões. Embora anomalias nos dados tivessem resultado no caso de uma singularidade, a natureza de tais anomalias permanece desconhecida.
Algumas pesquisas sugeriram que se a gravidade quântica em loop estiver correta, então as singularidades nuas poderiam existir na natureza,M. Bojowald, Living Rev. Rel. 8, (2005), 11 o que implicaria que a hipótese da censura cósmica não se sustenta. Cálculos numéricos e alguns outros argumentos também sugeriram essa possibilidade.
Na ficção A trilogia Kefahuchi Tract de romances de ficção científica de M. John Harrison (Light, Nova Swing e Empty Space) centra-se na exploração de uma singularidade nua pela humanidade. "Dark Peril", de James C. Glass (publicado na Analog em março de 2005), é uma história sobre viajantes espaciais numa missão de exploração. Enquanto investigam um estranho fenômeno cosmológico, as suas duas pequenas naves espaciais começam a tremer, e eles ficam impossibilitados de sair do local. Um membro da tripulação percebe que eles estão presos na ergosfera de um buraco negro ou de uma singularidade nua. A história descreve um aglomerado de múltiplos buracos negros ou singularidades e o que a tripulação faz para tentar sobreviver a esta situação aparentemente inescapável.