Kunne gravastjerner være indlejret i hinanden som en russisk dukke? – Fysik verden

Kunne gravastjerner være indlejret i hinanden som en russisk dukke? – Fysik verden

Tidsstempel: 18. marts 2024 kl. 12

Indlejret gravastar
Alternativ til sorte huller: fysikere ved Goethe Universitetet i Frankfurt har beregnet, at en indlejret gravastar (nestar) kunne ligne en matryoshka-dukke. (Med høflighed: Daniel Jampolski og Luciano Rezzolla/Goethe Universitet Frankfurt)

Gravastars, hypotetiske alternativer til sorte huller, kan ende med at blive indlejret i hinanden som en russisk Matryoshka-dukke – ifølge nye beregninger, der kombinerer kvantemekanik med Einsteins generelle relativitetsteori. Hvis sådanne eksotiske objekter eksisterer, kunne de afsløre deres tilstedeværelse i gravitationsbølgesignaler.

Sorte huller dannes ved gravitationssammenbrud af en stor stjerne, eller muligvis en gassky, til et lille område, hvor tyngdekraften er så stærk, at ikke engang lys kan undslippe.

I 2001 de USA-baserede fysikere Pawel Mazur , Emil Mottola viste, at i teorien, en anden genstand kunne dannes fra sådan et sammenbrud. Det gjorde de ved at kombinere Einsteins feltligninger – som beskriver, hvordan stof og energi påvirker rum-tids geometri – med kvantemekanik. Deres analyse afslørede, at kvanteudsving kunne forhindre dannelsen af ​​et sort huls singularitet under de sidste stadier af gravitationssammenbrud, i det mindste i princippet. Der ville snarere dannes en ny og bizar type objekt kaldet en gravastar.

Ingen begivenhedshorisont

Gravastar er en sammentrækning af gravitationsvakuumkondensatstjerne. På nogle måder er en gravastar som et sort hul. De har begge ekstremt stærke gravitationsfelter og kan begge udsende Hawking-stråling. Imidlertid har en gravastar ikke en singularitet i sit hjerte, og den har heller ikke en begivenhedshorisont, udover hvilken lys, stof og information kan passere, men aldrig vende tilbage.

I stedet er en gravastar en boble af de Sitter-rum, som er en matematisk beskrivelse af rummet fyldt med negativ energi. Som sådan giver det en simpel model, der er i overensstemmelse med et ekspanderende univers drevet af mørk energi. I den konventionelle gravastar-model er denne boble af de Sitter-rummet oprindeligt skabt af kvanteudsvingene og afgrænset af en uendeligt tynd skal af stof.

"A de Sitter rum-tiden ønsker at udvide sig, men i en gravastar er den omgivet af en skal af stof, der i stedet ønsker at kollapse," siger Luciano Rezolla, der er formand for teoretisk astrofysik ved Goethe-universitetet i Frankfurt. "Afbalancering af de to modsatte adfærd fører til en stabil gravastar."

Indlejrede gravastjerner

Nu har Rezollas kandidatstuderende Daniel Jampolski fundet en ny løsning på feltligningerne, der beskriver, hvordan to eller flere gravastjerner kan indlejres inde i hinanden som en kosmisk Matryoshka-dukke.

Jampolski og Rezolla kalder et sådant fænomen for en nestar, som er en forkortelse for indlejret stjerne. Den indre struktur af en nestar ville have en boble af de Sitter-rum, omgivet af en skal af stof, som derefter er omgivet af et andet volumen af ​​de Sitter-rum, der er indkapslet af en anden skal af stof, og så videre. I stedet for at være uendeligt tynde, kunne sageskallerne desuden have en betydelig tykkelse, og i nogle tilfælde udgøre praktisk talt hele nestarens radius.

"Der er nogle nestar-konfigurationer, der er givet af et uendeligt lille de Sitter-interiør - bare et punkt - efterfulgt af et stofinteriør, der i det væsentlige fylder hele nestaren, og så er der to tynde skaller nær overfladen, den ene lavet af de Sitter-rummet – tiden, den anden af ​​materien,” fortæller Rezzolla Fysik verden. "Fordi nestaren i dette tilfælde for det meste ville være lavet af stof, kan dens dannelse være mindre eksotisk end i tilfælde af et komplet de Sitter-interiør."

Gravastjerner forbliver dog hypotetiske uden observationsbevis for, at de eksisterer, hvilket bør føre til en vis forsigtighed siger Paolo Pani, en professor i teoretisk fysik ved Sapienza Universitet i Rom, som ikke var involveret i undersøgelsen.

"Et grundlæggende spørgsmål er, hvordan sådanne løsninger - almindelige eller indlejrede gravastjerner - kan dannes dynamisk i første omgang, da vi i øjeblikket ikke har en konsistent model," siger Pani.

Ringer som en klokke

At ikke vide, hvordan gravastjerner dannes, udelukker dog ikke deres eksistens. Faktisk kunne de eksistere i kompakte binære systemer, der smelter sammen og producerer gravitationsbølger.

Når to kompakte massive objekter (såsom sorte huller eller neutronstjerner) spiraler ind i hinanden, udsender de et karakteristisk gravitationsbølgesignal kaldet en chirp. Når objekterne smelter sammen for at skabe et sort hul, ligner gravitationsbølgerne, der udsendes, den falmende ringning af en slået klokke. Både chirp og ringdown fra sådanne fusioner er blevet observeret af LIGO-Virgo-KAGRA gravitationsbølgedetektorer.

En sådan fusion kunne også skabe en gravastar eller nestar, og Jampolski og Rezolla siger, at disse ville have karakteristiske ringdown-signaler. Rezolla tilføjer, "En nestar ville ringe ned anderledes end en gravastar af samme masse på grund af dens indre struktur." Specifikt de forskellige skaller, hvor stof og de Sitter-rum grænseflade vil svinge på en bestemt måde, adskilt fra en almindelig gravastar.

Med 90 gravitationsbølgebegivenheder efter at være blevet opdaget indtil videre, og endnu et observationsforløb er i gang i øjeblikket, har der været masser af data til at søge efter en gravastar-signatur.

"Alle gravitationsbølgeobservationer indtil videre er i overensstemmelse med hypotesen om, at objekterne er sorte huller eller neutronstjerner," siger Pani. "Ringdown er dog svært at måle præcist," tilføjer han, hvilket efterlader en del plads til usikkerhed.

Opvarmning af skallen

En anden måde, hvorpå en gravastar kan afsløre sig selv, er ved tilvækst af stof på dens overflade. I tilfælde af et sort hul forsvinder stof og lys ud over begivenhedshorisonten, hvilket er hvad Event Horizon Telescope så, da den afbildede "skyggerne" af de supermassive sorte huller i centrum af M87 og Mælkevejen. Gravastjerner er forskellige ved, at de er horisontløse. Mens noget stof kunne passere gennem den ydre skal for at blive absorberet af de Sitter rum-tid indeni, kan mere stof påvirke overfladeskallen, gøre den tykkere og få den til at varme op og udsende lys. Hvis Event Horizon-teleskopet nogensinde skulle afbilde en aktivt tiltagende gravastar, ville det se denne emission, omend meget rødforskudt af tyngdekraften.

Rezzolla indrømmer, at selvom matematikken måske virker, unddrager vi os stadig en fysisk model, der beskriver, hvordan gravastarer og nestars kunne eksistere i virkeligheden.

"Vi har virkelig ikke en god idé om, hvordan gravastarer dannes [og], da vi ved så lidt om emnet, der udgør gravastars, er disse antagelser svære at teste," siger Rezzolla.

Jampolski og Rezzolla beskriver deres nye løsning på Einsteins feltligninger i tidsskriftet Klassisk og kvantetyngdekraft.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden