Será que as gravastars poderiam estar aninhadas umas dentro das outras como uma boneca russa? – Mundo da Física

Os Gravastars, alternativas hipotéticas aos buracos negros, podem acabar aninhados uns dentro dos outros como uma boneca Matryoshka russa – de acordo com novos cálculos que combinam a mecânica quântica com a teoria geral da relatividade de Einstein. Se tais objetos exóticos existirem, eles poderiam revelar a sua presença em sinais de ondas gravitacionais.

Os buracos negros formam-se pelo colapso gravitacional de uma grande estrela, ou possivelmente de uma nuvem de gás, para uma pequena região onde a gravidade é tão forte que nem mesmo a luz consegue escapar.

Em 2001, os físicos baseados nos EUA Pawel Mazur e Emil Mottola mostrou que, em teoria, outro objeto poderia se formar de tal colapso. Eles fizeram isso combinando as equações de campo de Einstein – que descrevem como a matéria e a energia afetam a geometria do espaço-tempo – com a mecânica quântica. A sua análise revelou que as flutuações quânticas poderiam impedir a formação de uma singularidade de buraco negro durante os estágios finais do colapso gravitacional, pelo menos em princípio. Em vez disso, um novo e bizarro tipo de objeto chamado gravastar se formaria.

Sem horizonte de eventos

Gravastar é uma contração da estrela gravitacional condensada no vácuo. De certa forma, uma gravastar é como um buraco negro. Ambos têm campos gravitacionais extremamente fortes e podem emitir radiação Hawking. No entanto, uma gravastar não tem uma singularidade em seu cerne, nem tem um horizonte de eventos além do qual a luz, a matéria e a informação possam passar, mas nunca retornar.

Em vez disso, uma gravastar é uma bolha do espaço de Sitter, que é uma descrição matemática do espaço cheio de energia negativa. Como tal, fornece um modelo simples que é consistente com um universo em expansão impulsionado pela energia escura. No modelo gravastar convencional, esta bolha do espaço de Sitter é inicialmente criada pelas flutuações quânticas e limitada por uma camada de matéria infinitamente fina.

“Um espaço-tempo de Sitter quer expandir-se, mas numa gravastar está rodeado por uma concha de matéria que, em vez disso, quer entrar em colapso”, diz Luciano Rezolla, que é catedrático de astrofísica teórica na Universidade Goethe de Frankfurt. “Equilibrar os dois comportamentos opostos leva a uma gravastar estável.”

Gravastars aninhados

Agora, o estudante de pós-graduação de Rezolla, Daniel Jampolski, encontrou uma nova solução para as equações de campo que descreve como duas ou mais gravastars podem ser aninhadas uma dentro da outra, como uma boneca Matryoshka cósmica.

Jampolski e Rezolla chamam tal fenômeno de nestar, que é a abreviação de estrela aninhada. A estrutura interior de um nestar apresentaria uma bolha de espaço de Sitter, cercada por uma concha de matéria, que é então cercada por outro volume de espaço de Sitter que é envolto por outra concha de matéria, e assim por diante. Além disso, em vez de serem infinitamente finas, as conchas de matéria poderiam ter uma espessura substancial, em alguns casos constituindo praticamente todo o raio do nestar.

“Existem algumas configurações nestar que são dadas por um interior de Sitter infinitamente pequeno – apenas um ponto – seguido por um interior de matéria que essencialmente preenche todo o nestar, e então há duas conchas finas perto da superfície, uma feita de espaço de Sitter –tempo, o outro de matéria”, conta Rezzolla Mundo da física. “Como neste caso o nestar seria maioritariamente feito de matéria, a sua formação pode ser menos exótica do que no caso de um interior de Sitter completo.”

No entanto, os gravastars permanecem hipotéticos, sem nenhuma evidência observacional de que existam, o que deve levar a alguma cautela, diz Paulo Pani, professor de física teórica na Universidade Sapienza de Roma, que não esteve envolvido no estudo.

“Uma questão fundamental é como tais soluções – gravastars comuns ou aninhadas – podem ser formadas dinamicamente em primeiro lugar, uma vez que atualmente não temos um modelo consistente”, diz Pani.

Tocando como um sino

No entanto, não saber como se formam as gravastars não exclui a sua existência. Na verdade, eles poderiam existir em sistemas binários compactos que se fundem e produzem ondas gravitacionais.

À medida que dois objetos massivos e compactos (como buracos negros ou estrelas de nêutrons) espiralam um no outro, eles transmitem um sinal de onda gravitacional distinto chamado chirp. Quando os objetos se fundem para criar um buraco negro, as ondas gravitacionais emitidas lembram o toque desbotado de um sino tocado. Tanto o chiado quanto o toque de tais fusões foram observados pelos detectores de ondas gravitacionais LIGO – Virgo – KAGRA.

Tal fusão também poderia criar um gravastar ou nestar, e Jampolski e Rezolla dizem que estes teriam sinais de toque distintos. Rezolla acrescenta: “Um nestar tocaria de forma diferente de um gravastar da mesma massa devido à sua estrutura interna”. Especificamente, as várias conchas onde a matéria e o espaço de Sitter se interfaceiam oscilariam de uma maneira particular, distinta de uma gravastar regular.

Com o 90 eventos de ondas gravitacionais tendo sido detectado até agora, e outra execução de observação em andamento, há muitos dados para procurar uma assinatura gravastar.

“Todas as observações de ondas gravitacionais até agora são consistentes com a hipótese de que os objetos são buracos negros ou estrelas de nêutrons”, diz Pani. “No entanto, o ringdown é difícil de medir com precisão”, acrescenta, o que deixa alguma margem para incerteza.

Aquecendo a casca

Outra forma pela qual uma gravastar pode revelar-se é através da acreção de matéria à sua superfície. No caso de um buraco negro, a matéria e a luz desaparecem além do horizonte de eventos, que é o que o Telescópio Horizon viu quando obteve imagens das “sombras” dos buracos negros supermassivos no centro das galáxias M87 e da Via Láctea. Gravastars são diferentes porque não têm horizonte. Embora alguma matéria possa passar através da camada externa para ser absorvida pelo espaço-tempo interno de De Sitter, mais matéria pode impactar a camada superficial, tornando-a mais espessa e fazendo com que ela aqueça e emita luz. Se o Event Horizon Telescope algum dia conseguisse visualizar uma gravastar em acreção ativa, ele veria essa emissão, embora altamente desviada para o vermelho pela gravidade.

Sinal de onda gravitacional LIGO respalda o teorema da área de Hawking

Rezzolla admite que, embora a matemática possa funcionar, ainda nos escapa um modelo físico que descreva como os gravastars e os nestars poderiam existir na realidade.

“Nós realmente não temos uma boa ideia sobre como as gravastars se formam [e] como sabemos tão pouco sobre a matéria que constitui as gravastars, essas suposições são difíceis de testar”, diz Rezzolla.

Jampolski e Rezzolla descrevem sua nova solução para as equações de campo de Einstein na revista Gravidade clássica e quântica.

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