Kan gravastjärnor häckas inuti varandra som en rysk docka? – Fysikvärlden

Gravastars, hypotetiska alternativ till svarta hål, kan hamna kapslade inuti varandra som en rysk Matryoshka-docka – enligt nya beräkningar som kombinerar kvantmekanik med Einsteins allmänna relativitetsteori. Om sådana exotiska objekt existerar kan de avslöja sin närvaro i gravitationsvågsignaler.

Svarta hål bildas genom gravitationskollapsen av en stor stjärna, eller möjligen ett gasmoln, till ett litet område där gravitationen är så stark att inte ens ljus kan fly.

2001 USA-baserade fysiker Pawel Mazur och Emil Mottola visade att i teorin, ett annat föremål kan bildas från en sådan kollaps. De gjorde detta genom att kombinera Einsteins fältekvationer – som beskriver hur materia och energi påverkar rum-tidens geometri – med kvantmekanik. Deras analys avslöjade att kvantfluktuationer kunde förhindra bildandet av ett svarthålssingularitet under de sista stadierna av gravitationskollapsen, åtminstone i princip. Snarare skulle en ny och bisarr typ av föremål som kallas gravastar bildas.

Ingen händelsehorisont

Gravastar är en sammandragning av gravitationsvakuumkondensatstjärna. På vissa sätt är en gravastar som ett svart hål. De har båda extremt starka gravitationsfält och kan båda sända ut Hawking-strålning. En gravastar har dock inte en singularitet i sitt hjärta, och den har inte heller en händelsehorisont bortom vilken ljus, materia och information kan passera men aldrig återvända.

Istället är en gravastar en bubbla av de Sitter-rymden, som är en matematisk beskrivning av rymden fylld med negativ energi. Som sådan ger den en enkel modell som överensstämmer med ett expanderande universum som drivs av mörk energi. I den konventionella gravastarmodellen skapas denna bubbla av de Sitter-rymden initialt av kvantfluktuationerna och avgränsas av ett oändligt tunt skal av materia.

"A de Sitter rymden - tiden vill expandera men i en gravastar är den omgiven av ett skal av materia som istället vill kollapsa", säger Luciano Rezolla, som är ordförande för teoretisk astrofysik vid Goethe-universitetet i Frankfurt. "Att balansera de två motsatta beteendena leder till en stabil gravastar."

Kapslade gravastars

Nu har Rezollas doktorand Daniel Jampolski hittat en ny lösning på fältekvationerna som beskriver hur två eller flera gravastjärnor kan kapslas inuti varandra som en kosmisk Matryoshka-docka.

Jampolski och Rezolla kallar ett sådant fenomen en nestar, vilket är en förkortning för kapslad stjärna. Den inre strukturen av en nestar skulle innehålla en bubbla av de Sitter-rymden, omgiven av ett skal av materia, som sedan omges av en annan volym av de Sitter-rymden som är omsluten av ett annat skal av materia, och så vidare. Dessutom, snarare än att vara oändligt tunna, kan materieskalen ha en betydande tjocklek, i vissa fall utgöra praktiskt taget hela nestarens radie.

"Det finns några nestar-konfigurationer som ges av en oändligt liten de Sitter-interiör - bara en punkt - följt av en materia som i huvudsak fyller hela nestaren, och sedan finns det två tunna skal nära ytan, en gjord av de Sitter-rymden – tiden, den andra av materien”, berättar Rezzolla Fysikvärlden. "Eftersom nestar i det här fallet mestadels skulle vara gjord av materia, kan dess bildning vara mindre exotisk än i fallet med en komplett de Sitter-interiör."

Emellertid förblir gravastars hypotetiska utan några observationsbevis för att de existerar, vilket borde leda till viss försiktighet säger Paolo Pani, professor i teoretisk fysik vid Sapienza-universitetet i Rom, som inte var involverad i studien.

"En grundläggande fråga är hur sådana lösningar - vanliga eller kapslade gravastars - kan formas dynamiskt i första hand, eftersom vi för närvarande inte har en konsekvent modell", säger Pani.

Ringer som en klocka

Att inte veta hur gravastars bildas utesluter dock inte deras existens. De skulle faktiskt kunna existera i kompakta binära system som smälter samman och producerar gravitationsvågor.

När två kompakta massiva objekt (som svarta hål eller neutronstjärnor) spiralerar in i varandra sänder de en distinkt gravitationsvågssignal som kallas ett pip. När föremålen smälter samman för att skapa ett svart hål, liknar gravitationsvågorna som sänds ut den blekande ringningen av en slagen klocka. Både chirp och ringdown från sådana sammanslagningar har observerats av LIGO–Virgo–KAGRA gravitationsvågsdetektorer.

En sådan sammanslagning kan också skapa en gravastar eller nestar, och Jampolski och Rezolla säger att dessa skulle ha distinkta ringdown-signaler. Rezolla tillägger, "En nestar skulle ringa ner annorlunda än en gravastar med samma massa på grund av dess inre struktur." Specifikt, de olika skalen där materia och de Sitter-rymden gränsar skulle svänga på ett speciellt sätt, skilt från en vanlig gravastar.

Med 90 gravitationsvåghändelser efter att ha upptäckts hittills, och en annan observationskörning pågår för närvarande, har det funnits massor av data för att söka efter en gravastar-signatur.

"Alla gravitationsvågobservationer hittills överensstämmer med hypotesen att objekten är svarta hål eller neutronstjärnor", säger Pani. "Men nedringningen är svår att mäta exakt", tillägger han, vilket lämnar ett visst utrymme för osäkerhet.

Uppvärmning av skalet

Ett annat sätt på vilket en gravastar kan avslöja sig själv är genom ansamling av materia på dess yta. I fallet med ett svart hål försvinner materia och ljus bortom händelsehorisonten, vilket är vad Event Horizon Telescope såg när den avbildade "skuggorna" av de supermassiva svarta hålen i mitten av galaxerna M87 och Vintergatan. Gravastars är olika genom att de är horisontella. Medan en del materia kan passera genom det yttre skalet för att absorberas av de Sitters rum-tid inom, kan mer materia påverka ytskalet, göra det tjockare och få det att värmas upp och avge ljus. Om Event Horizon-teleskopet någonsin skulle avbilda en aktivt ackreterande gravastjärna skulle det se detta utsläpp, om än kraftigt rödförskjutet av gravitationen.

LIGO gravitationsvågssignal backar upp Hawkings areasats

Rezzolla medger att även om matematiken kanske fungerar, undviker vi oss fortfarande en fysisk modell som beskriver hur gravastjärnor och nestars kan existera i verkligheten.

"Vi har verkligen inte en bra uppfattning om hur gravastrar bildas [och] eftersom vi vet så lite om ämnet som utgör gravastar, är dessa antaganden svåra att testa," säger Rezzolla.

Jampolski och Rezzolla beskriver sin nya lösning på Einsteins fältekvationer i tidskriften Klassisk och kvantgravitation.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/could-gravastars-be-nested-inside-one-another-like-a-russian-doll/