En mini-Big Bang inne i en stjerne: Slik kan en gravastjerne dannes fra et kollaps

I en banebrytende teoretisk utvikling kan en kollapsende stjerne ende opp som noe helt annet enn et svart hull. To fysikere ved Goethe-universitetet i Frankfurt, Daniel Jampolski og Luciano Rezzolla, har publisert en dynamisk løsning på Einsteins feltligninger som viser at et stjernekollaps kan produsere en gravastjerne – et kompakt objekt med en kjerne av mørk energi, uten singularitet og uten hendelseshorisont. Arbeidet deres, det første som beskriver dannelsen av en gravastjerne som en tidsavhengig prosess innenfor standard generell relativitet, antyder at en døende stjerne kan skape et lite, ekspanderende univers inne i seg selv som motvirker gravitasjonskollapsen .

Alternativet til sorte hull: Hva er en gravastjerne?

En gravastjerne (eng: gravitational vacuum star) er et hypotetisk kompakt objekt som først ble foreslått tidlig på 2000-tallet som en løsning på problemene knyttet til sorte hull. I motsetning til et svart hull har en gravastjerne ingen sentral singularitet der tettheten blir uendelig, og den har en fysisk overflate i stedet for en såkalt hendelseshorisont – en enveis kausal grense der all informasjon går tapt for resten av universet.

Det indre av objektet består av et såkalt de Sitter-område: en eksotisk fase av vakuumet med negativt trykk, i praksis det samme som mørk energi. Denne energien presser utover og forhindrer videre kollaps . Fra utsiden vil en gravastjerne være nesten identisk med et svart hull med tilsvarende masse – et eksempel på en såkalt «svart hull-imitator» .

Dannelsesprosessen: En Big Bang inne i en stjerne

Standardmodellen for gravitasjonskollaps er den såkalte Oppenheimer-Snyder-kollapsen, som beskriver hvordan en uniform kule av trykkløs materie (såkalt «støv») knuser seg selv til en singularitet i et svart hull. Den nye løsningen til Jampolski og Rezzolla tar utgangspunkt i det samme scenariet, men introduserer en avgjørende vri: Når tettheten stiger under kollapsen, gjennomgår kvantevakuumet inne i stjernen en faseovergang .

Denne overgangen skaper en bitteliten, nullstørrelse region av de Sitter-romtid i den kollapsende stjernens kjerne. Denne regionen begynner så å ekspandere raskt, som et mini-Big Bang, drevet av mørk energi . Ekspansjonen bremser naturlig opp når den nærmer seg Schwarzschild-radiusen – den avstanden der et svart hulls hendelseshorisont normalt ville dannet seg – og stabiliserer seg der, slik at det dannes en fysisk overflate .

Sluttproduktet har tre definerende egenskaper:

• Ingen singularitet – kollapsen stanses lenge før et punkt med uendelig tetthet dannes.
• Ingen hendelseshorisont – objektet har en reell, materiell grense, ikke en kausal enveismembran.
• Et ytre identisk med et svart hull – en utenforstående observatør ville målt et gravitasjonsfelt helt likt et svart hull med samme masse .

Avgjørende er at denne prosessen ikke krever noen endringer i generell relativitet. Den baserer seg utelukkende på standard kollapsscenario pluss en faseovergang i kvantevakuumet – et konsept som allerede er studert i kvantefeltteori .

Hva den nye dynamiske løsningen beviser for første gang

Før dette arbeidet var alle kjente gravastjerneløsninger enten statiske eller antok en likevektstilstand. Jampolski og Rezzollas modell er den første som viser at en gravastjerne kan dannes dynamisk fra et realistisk kollaps, uten fininnstilling eller manuell sammensying av separate romtidsregioner .

Løsningen demonstrerer at:

• Dannelsen skjer innenfor standard generell relativitet, uten ekstra felt eller modifisert gravitasjon .
• En faseovergang i vakuumet ved en kritisk tetthet er den eneste utløsende mekanismen, som snur gravitasjonskollaps til ekspansjon .
• De Sitter-kjernen ekspanderer og stopper naturlig nær Schwarzschild-radiusen, noe som skaper et stabilt grensesjikt .
• Resultatet er et horisontløst, ikke-singulært kompakt objekt som består grunnleggende konsistenskrav for et alternativ til et svart hull.

Viktige implikasjoner for astrofysikk og fundamental fysikk

Dersom gravastjerner eksisterer, kan de endre vår forståelse av stjernedød dramatisk og samtidig adressere to av de mest brysomme paradoksene i teoretisk fysikk.

Løser singularitetsproblemet og informasjonsparadokset

Sorte hull forutsier en singularitet – et punkt der fysikkens kjente lover bryter sammen. De skaper også det såkalte svart hull-informasjonsparadokset: Kvanteinformasjon som faller inn i et svart hull, synes å forsvinne fra universet for alltid, i strid med kvantemekanikkens prinsipp om enhetlighet (unitaritet). En gravastjerne løser begge problemene. Fordi det ikke dannes noen singularitet, forblir fysikken veldefinert overalt. Og fordi det ikke finnes noen hendelseshorisont, kan informasjon i prinsippet unnslippe tilbake til det ytre universet .

Observasjonsmessig umulig å skille fra et svart hull – foreløpig

Et stort forbehold er at gravastjerner og sorte hull ser helt identiske ut for dagens teleskoper. Gravitasjonsfeltet, «skyggen» og til og med det meste av elektromagnetisk stråling ville være likt. Å skille dem krever ekstremt presise målinger av området helt nær overflaten, for eksempel av den berømte «skyggen» avbildet av Event Horizon Telescope, eller av signalene fra gravitasjonsbølger når et slikt objekt «ringer ut» etter en kollisjon .

Gravitasjonsbølge-«ekko» som en mulig rykende pistol

Når to kompakte objekter smelter sammen og finner en ny likevekt, sender de ut såkalte «ringdown»-signaler i form av gravitasjonsbølger. Hendelseshorisonten til et svart hull svelger signalene helt, men den fysiske overflaten til en gravastjerne kan reflektere noen av bølgene og produsere sekundære «ekkopulser». Fremtidige avanserte detektorer, som Einstein-teleskopet eller romobservatoriet LISA, kan kanskje fange opp slike ekko og dermed skille gravastjerner fra sorte hull .

Nøstede gravastjerner: Matrjosjka-universet

I et tidligere arbeid har den samme forskningsgruppen i Frankfurt vist at gravastjerneløsninger kan nøstes inni hverandre som russiske matrjosjkadukker – en såkalt «nestar» (fra engelsk «nested star»). Hvert skall ville alternere mellom de Sitter- og Schwarzschild-regioner, og potensielt danne et hierarki av ekspanderende mini-universer .

Viktigste forbehold og åpne spørsmål

Til tross for løsningens eleganse, forblir gravastjerner et spekulativt konsept med betydelige uløste problemer.

• Ingen observasjonelle bevis finnes. Ingen gravastjerne har noen gang blitt oppdaget, og dagens instrumenter kan verken bekrefte eller utelukke deres eksistens .
• Stabiliteten er ubevist. Den dynamiske modellen viser at dannelse er mulig under forenklede forhold, men om en gravastjerne ville overleve i milliarder av år mot forstyrrelser, masseinnsug eller sammenslåinger, er ukjent .
• Faseovergangen er en hypotese, ikke en utledning. Løsningen antar at en vakuumfaseendring skjer til rett tid. Hvorvidt en slik overgang forekommer i naturen, avhenger av den ukjente strukturen til kvantevakuumet i sterke gravitasjonsfelt .
• Forenklede startbetingelser. Modellen tar utgangspunkt i en uniform støvkule. Virkelige stjernekjerner roterer, har magnetfelt, komplekse tilstandsligninger og er asymmetriske – alt dette kan forhindre eller endre den foreslåtte faseovergangen .
• Ingen full kvantegravitasjonsbehandling. Selv om den klassiske dynamikken fra generell relativitet er konsistent, ville en full beskrivelse av faseovergangen kreve en komplett teori for kvantegravitasjon, som fortsatt ikke er funnet .

Foreløpig tilbyr gravastjerner et matematisk rigorøst, horisontløst endepunkt for stjernekollaps som løser svart hull-paradokser uten å forlate Einsteins generelle relativitet. Hvorvidt universet faktisk bygger dem på denne måten, er et spørsmål for neste generasjons observatorier.