Gravastars, hypotetiske alternativer til sorte hull, kan ende opp inne i hverandre som en russisk Matryoshka-dukke – ifølge nye beregninger som kombinerer kvantemekanikk med Einsteins generelle relativitetsteori. Hvis slike eksotiske objekter eksisterer, kan de avsløre deres tilstedeværelse i gravitasjonsbølgesignaler.

Sorte hull dannes ved gravitasjonskollaps av en stor stjerne, eller muligens en gasssky, til et lite område der tyngdekraften er så sterk at ikke engang lys kan slippe ut.

I 2001 USA-baserte fysikere Pawel Mazur og Emil Mottola viste at i teorien, en annen gjenstand kan dannes fra en slik kollaps. De gjorde dette ved å kombinere Einsteins feltligninger – som beskriver hvordan materie og energi påvirker geometrien til rom-tid – med kvantemekanikk. Analysen deres avslørte at kvantesvingninger kunne forhindre dannelsen av en sorthullssingularitet under de siste stadiene av gravitasjonskollaps, i det minste i prinsippet. Snarere ville det dannes en ny og bisarr type objekt kalt en gravastar.

Ingen hendelseshorisont

Gravastar er en sammentrekning av gravitasjonsvakuumkondensatstjerne. På noen måter er en gravastar som et svart hull. De har begge ekstremt sterke gravitasjonsfelt og kan begge sende ut Hawking-stråling. Imidlertid har en gravastar ikke en singularitet i hjertet, og den har heller ikke en hendelseshorisont som lys, materie og informasjon kan passere, men aldri vende tilbake.

I stedet er en gravastar en boble av de Sitter-rom, som er en matematisk beskrivelse av rom fylt med negativ energi. Som sådan gir den en enkel modell som er i samsvar med et ekspanderende univers drevet av mørk energi. I den konvensjonelle gravastar-modellen er denne boblen av de Sitter-rommet opprinnelig skapt av kvantesvingningene og avgrenset av et uendelig tynt skall av materie.

"A de Sitter rom-tiden ønsker å utvide seg, men i en gravastar er den omgitt av et skall av materie som i stedet ønsker å kollapse," sier Luciano Rezolla, som er leder for teoretisk astrofysikk ved Goethe-universitetet i Frankfurt. "Å balansere de to motsatte atferdene fører til en stabil gravastar."

Nestede gravastars

Nå har Rezollas doktorgradsstudent Daniel Jampolski funnet en ny løsning på feltligningene som beskriver hvordan to eller flere gravastjerner kan settes inn i hverandre som en kosmisk Matryoshka-dukke.

Jampolski og Rezolla kaller et slikt fenomen en nestar, som er forkortelse for nestet stjerne. Den indre strukturen til en nestar vil inneholde en boble av de Sitter-rom, omgitt av et skall av materie, som deretter er omgitt av et annet volum av de Sitter-rom som er omsluttet av et annet skall av materie, og så videre. I tillegg, i stedet for å være uendelig tynn, kan materieskallene ha en betydelig tykkelse, og i noen tilfeller utgjøre praktisk talt hele radiusen til nestaren.

"Det er noen nestar-konfigurasjoner som er gitt av et uendelig lite de Sitter-interiør - bare et punkt - etterfulgt av et materieinteriør som i hovedsak fyller hele nestaren, og så er det to tynne skjell nær overflaten, ett laget av de Sitter-rom – tiden, den andre av materien, forteller Rezzolla Fysikkens verden. "Fordi nestaren i dette tilfellet for det meste ville være laget av materie, kan dannelsen være mindre eksotisk enn i tilfellet med et komplett de Sitter-interiør."

Gravastars forblir imidlertid hypotetiske uten observasjonsbevis for at de eksisterer, noe som bør føre til en viss forsiktighet sier Paolo Pani, en professor i teoretisk fysikk ved Sapienza-universitetet i Roma, som ikke var involvert i studien.

"Et grunnleggende spørsmål er hvordan slike løsninger - vanlige eller nestede gravastars - kan dannes dynamisk i utgangspunktet, siden vi foreløpig ikke har en konsistent modell," sier Pani.

Ringer som en bjelle

Å ikke vite hvordan gravaster dannes utelukker imidlertid ikke deres eksistens. Faktisk kan de eksistere i kompakte binære systemer som smelter sammen og produserer gravitasjonsbølger.

Når to kompakte massive objekter (som sorte hull eller nøytronstjerner) spirerer seg inn i hverandre, sender de ut et særegent gravitasjonsbølgesignal kalt et kvitring. Når objektene smelter sammen for å lage et svart hull, ligner gravitasjonsbølgene som sendes ut den falmende ringingen av en klokke som slås. Både chirp og ringdown fra slike sammenslåinger har blitt observert av LIGO – Virgo – KAGRA gravitasjonsbølgedetektorer.

En slik sammenslåing kan også skape en gravastar eller nestar, og Jampolski og Rezolla sier at disse ville ha særegne ringdown-signaler. Rezolla legger til, "En nestar vil ringe ned annerledes enn en gravastar med samme masse på grunn av dens indre struktur." Nærmere bestemt vil de forskjellige skjellene der materie og de Sitter-rom-grensesnittet svinge på en spesiell måte, forskjellig fra en vanlig gravastar.

Med 90 gravitasjonsbølgehendelser etter å ha blitt oppdaget så langt, og en annen observasjonskjøring pågår for tiden, har det vært rikelig med data for å søke etter en gravastar-signatur.

"Alle gravitasjonsbølgeobservasjoner så langt er i samsvar med hypotesen om at objektene er sorte hull eller nøytronstjerner," sier Pani. "Men nedringningen er vanskelig å måle nøyaktig," legger han til, noe som gir rom for usikkerhet.

Oppvarming av skallet

En annen måte som en gravastar kan avsløre seg selv på er ved akkresjon av materie på overflaten. I tilfelle av et sort hull, forsvinner materie og lys utover hendelseshorisonten, som er hva Event Horizon Telescope så da den avbildet "skyggene" av de supermassive sorte hullene i sentrum av galaksene M87 og Melkeveien. Gravastars er forskjellige ved at de er horisontløse. Mens noe materie kan passere gjennom det ytre skallet for å bli absorbert av de Sitter rom-tid innenfor, kan mer materie påvirke overflateskallet, gjøre det tykkere og få det til å varme opp og sende ut lys. Hvis Event Horizon-teleskopet noen gang skulle avbilde en aktivt samlende gravastar, ville det se dette utslippet, om enn sterkt rødforskyvet av tyngdekraften.

Rezzolla innrømmer at selv om matematikken kan fungere, unngår vi fortsatt en fysisk modell som beskriver hvordan gravastarer og nestars kunne eksistere i virkeligheten.

"Vi har egentlig ikke en god ide om hvordan gravaster dannes [og] siden vi vet så lite om saken som utgjør gravastarer, er disse antakelsene vanskelige å teste," sier Rezzolla.

Jampolski og Rezzolla beskriver sin nye løsning på Einsteins feltligninger i journalen Klassisk og kvantegravitasjon.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/could-gravastars-be-nested-inside-one-another-like-a-russian-doll/