Kiedy umierają gigantyczne gwiazdy, nie znikają po prostu. Zapadają się, pozostawiając skompresowaną pozostałość gwiazd, zwykle wielkości metropolii, która jest supergęstą kulą neutronów zwaną gwiazdą neutronową.
Większość teoretyków uważa, że w wyjątkowych przypadkach gigantyczna umierająca gwiazda tworzy czarną dziurę - punktową „osobliwość” o praktycznie nieskończonej gęstości i polu grawitacyjnym tak potężnym, że nie ma nawet światła, najszybszej rzeczy we wszechświecie.
Nowe badanie oferuje alternatywną koncepcję, że hipotetyczne obiekty, takie jak czarne gwiazdy lub grawastary, mogą istnieć w połowie drogi między gwiazdami neutronowymi a czarnymi dziurami. Jeśli tak, to egzotyczne gwiezdne zwłoki powinny być prawie identyczne z czarnymi dziurami, z wyjątkiem jednej kluczowej okoliczności - nie absorbują nieodwołalnie światła.
Istnieją dobre powody, aby szukać takich alternatyw, ponieważ czarne dziury stwarzają wiele teoretycznych problemów. Na przykład ich osobliwości są rzekomo ukryte za niewidzialnymi granicami zwanymi horyzontami zdarzeń. Wrzuć coś do czarnej dziury, a gdy tylko minie horyzont zdarzeń, zniknie na zawsze. Ale istnieją prawa fizyki, które sugerują, że informacji nie można zniszczyć, w tym informacji zakodowanych we wszystkim, co wpadnie w czarne dziury.
Modele czarnych gwiazd i grawastarów opracowane w ciągu ostatnich dwóch dekad sugerują, że obiekty te nie będą miały osobliwości i horyzontów zdarzeń. Ale nadal nie jest jasne, czy takie obiekty mogą faktycznie powstać i pozostać stabilne.
Nowe badanie przeprowadzone przez fizyka teoretycznego Raula Carballo-Rubio z Międzynarodowej Szkoły Zaawansowanych Badań we Włoszech proponuje mechanizm, który pozwala na istnienie czarnych gwiazd i grawagwiazd.
Naukowiec zbadał niezwykłe zjawisko znane jako polaryzacja w próżni kwantowej. Fizyka kwantowa, która najlepiej opisuje, jak zachowują się wszystkie znane cząstki subatomowe, zakłada, że rzeczywistość jest niepewna, ograniczając, jak dokładnie można poznać właściwości najbardziej podstawowych jednostek materii - na przykład nigdy nie można całkowicie poznać położenia i pędu cząstki w jednym i tym samym w tym samym czasie. Jedną z dziwnych konsekwencji tej niepewności jest to, że próżnia nigdy nie jest całkowicie pusta, ale ma tak zwane "wirtualne cząstki", które nieustannie oscylują, gdy wchodzą i wychodzą z istnienia.
Film promocyjny:
Dzięki gigantycznej ilości energii uwolnionej przez eksplozję ogromnej gwiazdy, te wirtualne cząstki mogą polaryzować się lub porządkować w zależności od ich właściwości, tak jak magnesy mają bieguny północne i południowe. Carballo-Rubio obliczył, że polaryzacja tych cząstek może wywołać niesamowity efekt wewnątrz potężnych pól grawitacyjnych umierających olbrzymów - pola, które odpycha, nie przyciąga.
Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina, materialna i energetyczna krzywizna czasoprzestrzeni prowadzi do powstania pól grawitacyjnych. Planety i gwiazdy mają dodatnią ilość energii, a wynikające z nich pola grawitacyjne są atrakcyjne z natury.
„Jednak gdy wirtualne cząstki są spolaryzowane, zajmowana przez nie próżnia może mieć średnio ujemną energię i zniekształcają czasoprzestrzeń w taki sposób, że związane z nią pole grawitacyjne staje się odpychające” - mówi Carballo-Rubio.
To oczywiście mogłoby zapobiec tworzeniu się czarnej dziury. Zjawisko to powoduje, że stosunkowo lekkie pozostałości gwiazdowe zamiast czarnych dziur tworzą gwiazdy neutronowe. Ich pola grawitacyjne nie są wystarczająco silne, aby zniszczyć neutrony w osobliwości.
Dwa poprzednie modele sugerowały, że odpychająca grawitacja może spowodować zapadnięcie się pozostałości gwiazd, tworząc czarne dziury. Zamiast tego jedna z symulowanych pozostałości gwiezdnych utworzyła grawastary - obiekty wypełnione próżnią kwantową pokrytą cienką powłoką materii. Inny model sugerował, że te zapadnięcia spowodowały powstanie czarnych gwiazd, w których materia i próżnia kwantowa zmieniają się w całej strukturze, zachowując ostrożną równowagę. Oba obiekty nadal mają potężne pola grawitacyjne, które głęboko zniekształcają światło, sprawiając, że wydają się tak ciemne jak czarne dziury.
Według Carballo-Rubio wcześniej było wiele niepewności co do właściwości czarnych gwiazd i grawgwiazd. W nowej pracy stworzył ramy matematyczne, które włączają efekty odpychającej grawitacji do równań opisujących rozszerzanie i kurczenie się gwiazd. Wcześniej uważano, że można to zinterpretować tylko za pomocą komputerów. Jego nowy model zakłada istnienie hybrydy czarnej gwiazdy i grawastaru - obiektu, w którym materia i próżnia kwantowa są rozmieszczone w całej strukturze, ale z materią w większym stężeniu w powłoce niż w rdzeniu.
Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.