Könnten Gravasterne wie eine russische Puppe ineinander verschachtelt sein? – Welt der Physik

Gravasterne, hypothetische Alternativen zu Schwarzen Löchern, könnten wie eine russische Matroschka-Puppe ineinander verschachtelt werden – so neue Berechnungen, die Quantenmechanik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie kombinieren. Wenn solche exotischen Objekte existieren, könnten sie ihre Anwesenheit in Gravitationswellensignalen verraten.

Schwarze Löcher entstehen durch den Gravitationskollaps eines großen Sterns oder möglicherweise einer Gaswolke in einer winzigen Region, in der die Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann.

Im Jahr 2001 gründeten die in den USA ansässigen Physiker Pawel Mazur und Emil Mottola zeigte, dass theoretisch es könnte sich ein weiteres Objekt bilden von einem solchen Zusammenbruch. Dazu kombinierten sie Einsteins Feldgleichungen – die beschreiben, wie Materie und Energie die Geometrie von Raum und Zeit beeinflussen – mit der Quantenmechanik. Ihre Analyse ergab, dass Quantenfluktuationen die Bildung einer Singularität eines Schwarzen Lochs im Endstadium des Gravitationskollapses zumindest im Prinzip verhindern könnten. Vielmehr würde sich ein neuer und bizarrer Objekttyp namens Gravastern bilden.

Kein Ereignishorizont

Gravastar ist ein Kontraktionsstern aus gravitativem Vakuumkondensat. In mancher Hinsicht ist ein Gravastern wie ein Schwarzes Loch. Beide verfügen über extrem starke Gravitationsfelder und können Hawking-Strahlung aussenden. Ein Gravastern hat jedoch weder eine Singularität in seinem Herzen noch einen Ereignishorizont, über den Licht, Materie und Informationen hinausgehen, aber niemals zurückkehren können.

Stattdessen ist ein Gravastern eine Blase des De-Sitter-Raums, einer mathematischen Beschreibung des mit negativer Energie gefüllten Raums. Als solches liefert es ein einfaches Modell, das mit einem expandierenden Universum vereinbar ist, das von dunkler Energie angetrieben wird. Im konventionellen Gravastar-Modell wird diese Blase des De-Sitter-Raums zunächst durch die Quantenfluktuationen erzeugt und von einer unendlich dünnen Materiehülle begrenzt.

„Eine de Sitter-Raumzeit möchte sich ausdehnen, aber in einem Gravastern ist sie von einer Hülle aus Materie umgeben, die stattdessen kollabieren möchte“, sagt er Luciano Rezolla, Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Astrophysik an der Goethe-Universität Frankfurt. „Das Ausbalancieren der beiden gegensätzlichen Verhaltensweisen führt zu einem stabilen Gravastern.“

Verschachtelte Gravasterne

Jetzt hat Rezollas Doktorand Daniel Jampolski eine neue Lösung für die Feldgleichungen gefunden, die beschreibt, wie zwei oder mehr Gravasterne wie eine kosmische Matroschka-Puppe ineinander verschachtelt werden können.

Jampolski und Rezolla nennen ein solches Phänomen Nestar, was die Abkürzung für „Nested Star“ ist. Die innere Struktur eines Nestars würde aus einer Blase des De-Sitter-Raums bestehen, die von einer Hülle aus Materie umgeben ist, die dann von einem weiteren Volumen des De-Sitter-Raums umgeben ist, das von einer anderen Hülle aus Materie umgeben ist, und so weiter. Darüber hinaus könnten die Materiehüllen nicht nur verschwindend dünn, sondern auch beträchtlich dick sein und in manchen Fällen praktisch den gesamten Radius des Nestars ausmachen.

„Es gibt einige Nestarkonfigurationen, die durch ein unendlich kleines de-Sitter-Interieur – nur einen Punkt – gefolgt von einem Materieinneren gegeben sind, das im Wesentlichen den gesamten Nestar ausfüllt, und dann gibt es zwei dünne Schalen nahe der Oberfläche, eine aus dem de-Sitter-Raum –Zeit, die andere der Materie“, erzählt Rezzolla Physik-Welt. „Da der Nestar in diesem Fall größtenteils aus Materie bestehen würde, ist seine Entstehung möglicherweise weniger exotisch als im Fall eines vollständigen De-Sitter-Innenraums.“

Allerdings bleiben Gravasterne hypothetisch, da es keine Beobachtungsbeweise für ihre Existenz gibt, was zu einer gewissen Vorsicht Anlass geben sollte, sagt er Paolo Pani, Professor für theoretische Physik an der Universität La Sapienza in Rom, der nicht an der Studie beteiligt war.

„Eine grundlegende Frage ist, wie solche Lösungen – gewöhnliche oder verschachtelte Gravasterne – überhaupt dynamisch gebildet werden können, da wir derzeit kein konsistentes Modell haben“, sagt Pani.

Klingelt wie eine Glocke

Allerdings schließt die Unkenntnis der Entstehung von Gravasternen ihre Existenz nicht aus. Tatsächlich könnten sie in kompakten binären Systemen existieren, die verschmelzen und Gravitationswellen erzeugen.

Wenn zwei kompakte, massereiche Objekte (z. B. Schwarze Löcher oder Neutronensterne) spiralförmig ineinander übergehen, senden sie ein charakteristisches Gravitationswellensignal aus, das Chirp genannt wird. Wenn die Objekte zu einem Schwarzen Loch verschmelzen, ähneln die ausgesendeten Gravitationswellen dem verklingenden Läuten einer angeschlagenen Glocke. Sowohl das Chirp als auch das Abklingen solcher Verschmelzungen wurden von den Gravitationswellendetektoren LIGO-Virgo-KAGRA beobachtet.

Eine solche Fusion könnte auch einen Gravastern oder Nestar hervorbringen, und Jampolski und Rezolla sagen, dass diese unterschiedliche Abklingsignale hätten. Rezolla fügt hinzu: „Ein Nestar würde aufgrund seiner inneren Struktur anders klingeln als ein Gravastern derselben Masse.“ Insbesondere die verschiedenen Hüllen, in denen Materie und De-Sitter-Raum an der Schnittstelle sind, würden auf eine bestimmte Weise oszillieren, die sich von einem normalen Gravastern unterscheidet.

Mit der 90 Gravitationswellenereignisse Nachdem er bisher entdeckt wurde und derzeit ein weiterer Beobachtungslauf läuft, gibt es zahlreiche Daten, in denen nach einer Gravastar-Signatur gesucht werden kann.

„Alle bisherigen Gravitationswellenbeobachtungen stimmen mit der Hypothese überein, dass es sich bei den Objekten um Schwarze Löcher oder Neutronensterne handelt“, sagt Pani. „Allerdings lässt sich der Ringdown nur schwer genau messen“, fügt er hinzu, was Raum für Unsicherheit lässt.

Erhitzen der Schale

Ein Gravastern könnte sich auch durch die Ansammlung von Materie auf seiner Oberfläche offenbaren. Im Falle eines Schwarzen Lochs verschwinden Materie und Licht jenseits des Ereignishorizonts, was der Fall ist Ereignis-Horizont-Teleskop sah, als es die „Schatten“ der supermassiven Schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxien M87 und Milchstraße abbildete. Gravastars unterscheiden sich dadurch, dass sie keinen Horizont haben. Während ein Teil der Materie durch die äußere Hülle dringen und von der darin befindlichen De-Sitter-Raumzeit absorbiert werden könnte, könnte mehr Materie auf die Oberflächenhülle treffen, diese dicker machen und dazu führen, dass sie sich erwärmt und Licht aussendet. Wenn das Event Horizon Telescope jemals einen aktiv akkretierenden Gravastern abbilden würde, würde es diese Emission sehen, wenn auch stark rotverschoben durch die Schwerkraft.

LIGO-Gravitationswellensignal bestätigt Hawkings Flächentheorem

Rezzolla gibt zu, dass die Mathematik zwar funktionieren könnte, ein physikalisches Modell, das beschreibt, wie Gravasterne und Nestare in der Realität existieren könnten, uns jedoch immer noch entgeht.

„Wir haben wirklich keine gute Vorstellung davon, wie Gravasterne entstehen [und] da wir so wenig über die Materie wissen, aus der Gravasterne bestehen, sind diese Annahmen schwer zu überprüfen“, sagt Rezzolla.

Jampolski und Rezzolla beschreiben in der Zeitschrift ihre neue Lösung für Einsteins Feldgleichungen Klassische und Quantengravitation.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/could-gravastars-be-nested-inside-one-another-like-a-russian-doll/