Czy gravastary mogłyby być zagnieżdżone jedna w drugiej niczym rosyjska lalka? – Świat Fizyki

Według nowych obliczeń łączących mechanikę kwantową z ogólną teorią względności Einsteina gravastary, hipotetyczna alternatywa dla czarnych dziur, mogą zostać zagnieżdżone jedna w drugiej jak rosyjska lalka Matrioszka. Jeśli takie egzotyczne obiekty istnieją, mogą ujawnić swoją obecność w sygnałach fal grawitacyjnych.

Czarne dziury powstają w wyniku zapadnięcia się grawitacyjnego dużej gwiazdy lub prawdopodobnie obłoku gazu do maleńkiego obszaru, gdzie grawitacja jest tak silna, że ​​nawet światło nie jest w stanie uciec.

W 2001 roku fizycy z USA Paweł Mazur i Emila Mottolę pokazało, że w teorii mógłby powstać inny obiekt od takiego upadku. Dokonali tego, łącząc równania pola Einsteina – które opisują, jak materia i energia wpływają na geometrię czasoprzestrzeni – z mechaniką kwantową. Ich analiza ujawniła, że ​​fluktuacje kwantowe mogą, przynajmniej w zasadzie, zapobiegać tworzeniu się osobliwości czarnej dziury podczas końcowych etapów zapadania się grawitacyjnego. Zamiast tego uformowałby się nowy i dziwaczny obiekt zwany gravastarem.

Brak horyzontu zdarzeń

Gravastar to skurcz grawitacyjnej gwiazdy kondensatu próżniowego. Pod pewnymi względami gravastar przypomina czarną dziurę. Obie mają niezwykle silne pola grawitacyjne i mogą emitować promieniowanie Hawkinga. Jednak gravastar nie ma w swoim sercu osobliwości ani horyzontu zdarzeń, poza który światło, materia i informacja mogą przejść, ale nigdy nie powrócić.

Zamiast tego gravastar to bańka przestrzeni de Sittera, która jest matematycznym opisem przestrzeni wypełnionej ujemną energią. W związku z tym zapewnia prosty model spójny z rozszerzającym się wszechświatem napędzanym ciemną energią. W konwencjonalnym modelu gravastara ta bańka przestrzeni de Sittera jest początkowo tworzona przez fluktuacje kwantowe i ograniczona przez nieskończenie cienką powłokę materii.

„Czasoprzestrzeń de Sittera chce się rozszerzać, ale w gravastar jest otoczona powłoką materii, która zamiast tego chce się zapaść” – mówi Lucjan Rezolla, który jest kierownikiem katedry astrofizyki teoretycznej na Uniwersytecie Goethego we Frankfurcie. „Zrównoważenie dwóch przeciwstawnych zachowań prowadzi do stabilnej gravastary”.

Zagnieżdżone gravastary

Teraz doktorant Rezolli, Daniel Jampolski, znalazł nowe rozwiązanie równań pola, które opisuje, w jaki sposób dwie lub więcej gravastarów można zagnieździć jedna w drugiej niczym kosmiczna lalka Matrioszka.

Jampolski i Rezolla nazywają takie zjawisko Nestarem, co jest skrótem od gwiazdy zagnieżdżonej. Wewnętrzna struktura Nestara składałaby się z bańki przestrzeni de Sittera otoczonej powłoką materii, która następnie jest otoczona inną objętością przestrzeni de Sittera otoczoną inną powłoką materii i tak dalej. Ponadto powłoki materii zamiast być nieskończenie cienkie, mogą mieć znaczną grubość, w niektórych przypadkach obejmującą praktycznie cały promień Nestara.

„Istnieją pewne konfiguracje Nestar, które wynikają z nieskończenie małego wnętrza de Sittera – tylko punkt – po którym następuje wnętrze materii, które zasadniczo wypełnia cały Nestar, a następnie w pobliżu powierzchni znajdują się dwie cienkie powłoki, jedna zbudowana z przestrzeni de Sittera –czas, drugi materię” – opowiada Rezzolla Świat Fizyki. „Ponieważ w tym przypadku Nestar składałby się głównie z materii, jego powstawanie może być mniej egzotyczne niż w przypadku kompletnego wnętrza de Sittera”.

Jednakże gravastary pozostają hipotetyczne i nie istnieją żadne obserwacyjne dowody na ich istnienie, co powinno sugerować pewną ostrożność Paweł Pani, profesor fizyki teoretycznej na Uniwersytecie La Sapienza w Rzymie, który nie brał udziału w badaniach.

„Zasadnicze pytanie brzmi: w jaki sposób w ogóle można dynamicznie formować takie rozwiązania – zwykłe czy zagnieżdżone gravastary – skoro nie mamy obecnie spójnego modelu” – mówi Pani.

Dzwoni jak dzwon

Jednak brak wiedzy o tym, jak powstają gravastary, nie wyklucza ich istnienia. Rzeczywiście mogą istnieć w zwartych układach podwójnych, które łączą się i wytwarzają fale grawitacyjne.

Gdy dwa zwarte, masywne obiekty (takie jak czarne dziury lub gwiazdy neutronowe) spiralnie na siebie nachodzą, emitują charakterystyczny sygnał fali grawitacyjnej zwany ćwierkaniem. Kiedy obiekty łączą się, tworząc czarną dziurę, emitowane fale grawitacyjne przypominają słabnące dzwonienie uderzonego dzwonu. Detektory fal grawitacyjnych LIGO – Virgo – KAGRA zaobserwowały zarówno ćwierkanie, jak i dzwonienie powstające w wyniku takich połączeń.

Taka fuzja mogłaby również stworzyć gravastar lub Nestar, a Jampolski i Rezolla twierdzą, że emitowałyby one charakterystyczne sygnały ringdown. Rezolla dodaje: „Nestar dzwoniłby inaczej niż gravastar o tej samej masie ze względu na swoją wewnętrzną strukturę”. W szczególności różne powłoki, w których materia i przestrzeń de Sittera oscylują w określony sposób, odmienny od zwykłej gravastary.

Z 90 zdarzeń związanych z falami grawitacyjnymi ponieważ została dotychczas wykryta, a obecnie trwa kolejna seria obserwacji, istnieje mnóstwo danych, w których można szukać sygnatury gravastar.

„Wszystkie dotychczasowe obserwacje fal grawitacyjnych są zgodne z hipotezą, że obiekty te są czarnymi dziurami lub gwiazdami neutronowymi” – mówi Pani. „Trudno jednak dokładnie zmierzyć spadek wartości sygnału” – dodaje, co pozostawia pewne pole do niepewności.

Ogrzewanie skorupy

Innym sposobem, w jaki gravastar może się ujawnić, jest akrecja materii na jej powierzchnię. W przypadku czarnej dziury materia i światło znikają poza horyzontem zdarzeń, o co właśnie chodzi Teleskop Event Horizon zobaczył, gdy sfotografował „cienie” supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk M87 i Drogi Mlecznej. Gravastary różnią się tym, że są pozbawione horyzontu. Podczas gdy pewna ilość materii może przedostać się przez zewnętrzną powłokę i zostać wchłonięta przez znajdującą się w niej czasoprzestrzeń de Sittera, więcej materii może uderzyć w powłokę powierzchniową, czyniąc ją grubszą, powodując jej nagrzewanie i emisję światła. Jeśli Teleskop Horyzontu Zdarzeń miałby kiedykolwiek sfotografować aktywnie akreującą gwiazdę grawa, dostrzegłby tę emisję, aczkolwiek silnie przesuniętą ku czerwieni pod wpływem grawitacji.

Sygnał fali grawitacyjnej LIGO potwierdza twierdzenie Hawkinga o powierzchni

Rezzolla przyznaje, że choć matematyka może się sprawdzić, model fizyczny opisujący, w jaki sposób gravastary i Nestary mogą istnieć w rzeczywistości, wciąż nam umyka.

„Naprawdę nie mamy dobrego pojęcia o tym, jak powstają grawastary, a ponieważ wiemy tak mało o materii, z której składają się grawagwiazdy, założenia te są trudne do sprawdzenia” – mówi Rezzolla.

Jampolski i Rezzolla opisują w czasopiśmie swoje nowe rozwiązanie równań pola Einsteina Grawitacja klasyczna i kwantowa.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/could-gravastars-be-nested-inside-one-another-like-a-russian-doll/