Mini-alkuräjähdys tähden sisällä: Näin gravatähti voi syntyä luhistumisen seurauksena

Kuvittele musta aukko, mutta ilman sen kahta ongelmallisinta ominaisuutta. Tämä on gravatähti, jonka käsitteen fyysikot esittelivät 2000-luvun alussa. Toisin kuin mustassa aukossa, gravatähdessä ei ole keskellä olevaa singulariteettia – pistettä, jossa tiheys kasvaa äärettömäksi ja fysiikan lait lakkaavat toimimasta. Sillä on fyysinen pinta eikä tapahtumahorisonttia, tuota yksisuuntaista kausaalirajaa, jonka taakse kaikki informaatio katoaa .

Gravatähden sisus koostuu niin sanotusta de Sitter -alueesta. Tämä on tyhjiön eksoottinen faasi, jolla on negatiivinen paine ja joka käytännössä vastaa pimeää energiaa. Tämä energia työntää ulospäin ja estää luhistumisen jatkumisen. Ulkopuolisen tarkkailijan silmin gravatähti olisi miltei identtinen samanmassaisen mustan aukon kanssa .

Miten syntyprosessi toimii: alkuräjähdys tähden sisällä

Standardimalli painovoimaiselle luhistumiselle on Oppenheimer-Snyderin romahdus. Se kuvaa, kuinka paineeton, tasalaatuinen ainekasauma murskautuu oman painonsa alle mustaksi aukoksi. Jampolskin ja Rezzollan uusi ratkaisu käyttää samaa lähtökohtaa, mutta tuo mukaan ratkaisevan käänteen: tiheyden kasvaessa luhistumisen aikana tähden sisällä oleva kvanttityhjiö käy läpi faasimuutoksen .

Tämä muutos synnyttää romahtavan tähden ytimeen pienen, nollakokoisen de Sitter -avaruusaika-alueen, joka alkaa sitten laajentua nopeasti. Prosessi muistuttaa pienoismallia alkuräjähdyksestä, ja sitä ajaa eteenpäin pimeä energia . Laajeneminen hidastuu luonnostaan lähestyessään Schwarzschildin sädettä – sitä etäisyyttä, jolle mustan aukon tapahtumahorisontti normaalisti muodostuisi – ja pysähtyy siihen luoden fysikaalisen pinnan .

Lopputuotteella on kolme määrittävää ominaisuutta:

• Ei singulariteettia – luhistuminen pysähtyy kauan ennen äärettömän tiheyden pisteen syntymistä.
• Ei tapahtumahorisonttia – objektilla on aineellinen, todellinen raja eikä kausaalista kalvoa.
• Ulospäin kuin musta aukko – kaukainen havaitsija mittaisi silti gravitaatiokentän, joka on identtinen samanmassaisen mustan aukon kanssa .

Mitä uusi dynaaminen ratkaisu nyt todistaa ensi kertaa

Ennen tätä työtä kaikki gravatähtiratkaisut olivat joko staattisia tai olettivat tasapainotilan. Jampolskin ja Rezzollan malli on ensimmäinen, joka näyttää gravatähden voivan muodostua dynaamisesti realistisesta luhistumisesta ilman, että eri tila-aika-alueita tarvitsee sovittaa keinotekoisesti yhteen .

Ratkaisu osoittaa, että:

• Muodostuminen tapahtuu standardin yleisen suhteellisuusteorian puitteissa, ilman lisäkenttiä tai muokattua painovoimaa .
• Faasimuutos tyhjiössä kriittisessä tiheydessä on ainoa tarvittava laukaiseva mekanismi, joka kääntää luhistumisen laajenemiseksi .
• De Sitter -ydin laajenee, pysähtyen luonnollisesti lähelle Schwarzschildin sädettä ja muodostaen vakaan rajakerroksen .
• Tuloksena on horisontiton, ei-singulaarinen kompakti objekti, joka täyttää mustan aukon vaihtoehdolle asetetut johdonmukaisuuden perusvaatimukset.

Keskeiset vaikutukset astrofysiikkaan ja perusfysiikkaan

Jos gravatähtiä on olemassa, ne mullistaisivat käsityksemme tähtien kuolemasta ja ratkaisisivat kaksi teoreettisen fysiikan polttavinta paradoksia.

Singulariteetti- ja informaatiokato-ongelman ratkaisu

Mustat aukot ennustavat singulariteetin – pisteen, jossa tunnetut fysiikan lait pettävät. Ne luovat myös mustan aukon informaatioparadoksin: aukkoon putoava kvantti-informaatio näyttää katoavan maailmankaikkeudesta, mikä rikkoo kvanttimekaniikan unitaarisuuden periaatetta. Gravatähti ratkaisee molemmat. Koska singulariteettia ei muodostu, fysiikka pysyy eheänä kaikkialla. Ja koska tapahtumahorisonttia ei ole, informaatio voi periaatteessa paeta takaisin ulkomaailmaan .

Havainnollinen erottamattomuus – toistaiseksi

Suuri kompastuskivi on se, että gravatähdet ja mustat aukot näyttävät nykyisille kaukoputkillemme identtisiltä. Painovoimakenttä, varjo ja jopa suurin osa sähkömagneettisesta säteilystä olisi samanlaista. Erojen havaitseminen vaatii erittäin tarkkoja mittauksia aivan pinnan läheisyydestä, kuten Event Horizon Telescope -hankkeen kuvaamasta mustan aukon varjosta tai gravitaatioaaltojen vaimenemisvaiheen signaaleista .

Gravitaatioaaltojen "kaiut" mahdollisena ratkaisevana todisteena

Kun kaksi kompaktia objektia sulautuu yhteen ja asettuu lopulliseen tilaansa, ne lähettävät gravitaatioaaltojen "jälkisoitto"-signaaleja. Mustan aukon horisontti nielee signaalit puhtaasti, mutta gravatähden fyysinen pinta voisi heijastaa aaltoja tuottaen toissijaisia "kaiku"-pulsseja. Tulevat edistyneet ilmaisimet, kuten Einstein-teleskooppi tai LISA, saattavat havaita nämä kaiut ja erottaa gravatähdet mustista aukoista .

Sisäkkäiset gravatähdet: Maatuska-universumi

Aiemmassa työssään sama Frankfurtin ryhmä osoitti, että gravatähtiratkaisuja voitaisiin sijoittaa toistensa sisään kuin maatuskanuket. Tätä kutsutaan nimellä "nestar" (engl. nested star). Jokainen kuori vuorottelisi de Sitter- ja Schwarzschild-tilojen välillä luoden mahdollisesti hierarkian laajenevia miniuniversumeita .

Merkittävimmät varaukset ja avoimet kysymykset

Ratkaisun eleganttiudesta huolimatta gravatähdet ovat yhä spekulatiivinen käsite, johon liittyy merkittäviä ratkaisemattomia kysymyksiä.

• Havainnollista näyttöä ei ole. Yhtään gravatähteä ei ole koskaan havaittu, eivätkä nykyiset laitteet voi vahvistaa tai kumota niiden olemassaoloa .
• Vakautta ei ole todistettu. Dynaaminen malli osoittaa muodostumisen olevan mahdollista yksinkertaistetuissa oloissa, mutta ei tiedetä, selviytyisikö gravatähti miljardeja vuosia häiriöitä, aineen kasaantumista tai sulautumisia vastaan .
• Faasimuutos on hypoteesi, ei johdettu. Ratkaisu olettaa tyhjiön faasimuutoksen tapahtuvan oikealla hetkellä. Se, tapahtuuko tällaista muutosta luonnossa, riippuu kvanttityhjiön tuntemattomasta rakenteesta vahvan painovoiman oloissa .
• Yksinkertaistetut alkuehdot. Malli lähtee liikkeelle tasalaatuisesta, paineettomasta ainekertymästä. Todellisilla tähtien ytimillä on pyörimisliikettä, magneettikenttiä, monimutkainen olomuodon tilayhtälö ja epäsymmetrioita – kaikki nämä voisivat estää tai muuttaa ehdotettua faasimuutosta .
• Täydellistä kvanttigravitaatiokuvausta ei ole. Vaikka klassinen yleisen suhteellisuusteorian dynamiikka on johdonmukaista, faasimuutoksen täydellinen kuvaus vaatisi toimivaa kvanttigravitaatioteoriaa, joka on yhä tavoittamattomissa .

Toistaiseksi gravatähdet tarjoavat matemaattisesti tinkimättömän, horisontittoman päätepisteen tähden luhistumiselle, joka ratkaisee mustien aukkojen paradoksit pysytellen yleisen suhteellisuusteorian rajoissa. Rakentaako universumi niitä todellisuudessa, jää seuraavan sukupolven observatorioiden selvitettäväksi.