大质量星体引力塌缩机制的数值模拟与宇宙审查假设正确性的探究

One of the most important open problems in gravitational physics is the fate of a heavy star after exhausting all its nuclear fuel. If the star is not very massive, the object contracts, but at a certain point the quantum pressure of degenerate electrons or degenerate neutrons stops the collapse and the outcome is either a white dwarf or a neutron star. For very massive stars there is no known mechanism capable of compensating its own gravitational force, and the body will undergo a gravitational collapse. According to the theory of General Relativity, collapsing matter forms a singularity in the space-time, where predictability is lost and classical physics breaks down. Here, unknown quantum gravity effects are supposed to become dominant. In principle, the final product of the collapse may either be a black hole, in which the singularity is hidden behind an event horizon, or a naked singularity, in which case the singularity may be seen by a distant observer. According to the weak cosmic censorship conjecture, singularities produced in the gravitational collapse must be hidden within black holes. The validity of this conjecture is an outstanding and still open question in contemporary theoretical physics: there are arguments suggesting that it is correct, but also physically relevant counterexamples. If the conjecture can be violated, we would have the possibility of observing high curvature regions, where quantum gravity effects show up. The violation of the weak cosmic censorship conjecture and the study of collapsing stars would be our unique chance to have a quantum gravity laboratory, as similar conditions are impossible to realize in a laboratory on the Earth. We propose, for the first time, a theoretical study to observationally test the gravitational collapse and check if it follows the path to form a black hole or the one to create a naked singularity. We will calculate the emission of radiation during the collapse and reaching a distant observer, which is different in the two scenarios. Future detections, like neutrinos from supernovae, may test the two possibilities. If the gravitational collapse can follow the path towards the creation of a naked singularity, at least at the beginning, the study of collapsing objects would open an unprecedented new window to investigate strong gravity.

根据广义相对论，大质量恒星的在引力作用下会不断塌缩，其演化结果有两个可能：黑洞和裸奇点。根据弱宇宙审查假设，由引力塌缩形成的时空奇点必须隐藏在黑洞里面。虽然该假说己经得到了广泛而深入的研究和讨论，但是其有效性仍不能被完全确定。如果可以突破弱宇宙审查假说的限制，即如果在某种条件下时空中裸奇点能够存在，那么奇点处将具备量子引力效应显现所需的苛刻条件，而裸奇点是可以被观测到的。因此，对宇宙中大质量物体的引力塌缩的研究可以提供一个讨论量子引力的良好契机。基于以上原因，我们计划首先对引力塌缩的过程进行理论研究，讨论大质量星体引力塌缩的最终命运。我们将对引力塌缩过程中放射出来的辐射进行数值模拟，并分别对塌缩为黑洞和裸奇点两种情况下远处观察者所能观测到的辐射特征进行详细分析。将来一旦探测到从超新星辐射出的中微子，我们就有可能通过研究辐射谱区分这两种塌缩过程。

当一颗恒星耗尽其所有核能时，会收缩以达到一个新平衡态。对于绝大多数恒星而言，电子与中子的简并压会阻止恒星的塌缩，并分别使之变为白矮星与中子星。对于质量较大的恒星，没有一种机制能够抗衡其本体的引力，因此它们能完全塌缩。许多理论表明，在确定的假设条件下，它们会形成时空奇点。根据弱宇宙审查假说，由引力塌缩导致的时空奇点必须位于视界内；但如今我们已知其反例：从非奇异的初始条件，我们可以创造一个“临时的”裸露的奇点。本课题的主要目标是探索弱宇宙审查假说是否可能被观测检验。.对物体的引力坍塌采用一个简单的解析模型，在该模型中我们可以通过改变塌缩物体的密度分布以创造一个黑洞或是“临时的”裸露奇点。我们就此计算了一个遥远的观测者是否可能通过探测得到的辉度识别创造一个“临时的”裸露奇点所致的观测特征。应用该模型，我们得到的结果表明，两种情况间的亮度差异很小。虽然密度在形成奇点的时空点上发散，但高密度区域的体积也极小，这也解释了为什么我们没有发现任何“灾难性”事件。在更现实的情况下，我们期望观测到差异的可能性更小，因为存在另外的复杂性因素会不可避免地干扰观测结果。.因此，我们已经转向于研究引力塌缩和由超越爱因斯坦引力理论预言的相关奇点的演化。我们已经找到了两种主要方式以解释新的物理如何解由引力塌缩创造的时空奇点：.1）奇点被Bounce取代，在此以后塌缩的物体开始膨胀。有两种可能：塌缩创造了一个内部含有一个正在膨胀的婴宇宙的黑洞；或塌缩不创造任何黑洞，仅创造一个可存在有限时间的临时的显见的视界。根据理论模型，这两种情况都是可能的，但第一种情况由于缺乏足够的自由度，仅能在特殊情况下实现。.2）因为塌缩的物体的粒子在有限时间内不能到达中心，奇点从未形成。在这种状态下也有两个子情形：一个无奇点的黑洞；或是塌缩不创造任何黑洞，仅创造一个可存在有限时间的临时的陷俘面。第二种子情形可由多种方式实现，例如：考虑Hawking辐射、时空的不稳定性等等。.作为该课题的第二条研究线，我们探索了是否可能通过观测电磁辐射区分Kerr黑洞与非Kerr天体。我们支持铁线方法（以及铁线的反响测绘作为其延伸）为测试Kerr黑洞范例的最佳工具。当前对此的约束较弱，因此最终我们只能排除与Kerr黑洞有本质区别的那些极端奇异的情况，但这种方法将因拥有更大的有效能量区间的下一代X射线观测设备（如eXTP）而得以显著改善。