Koniec czarnych dziur? Jak zapadająca się gwiazda może zrodzić grawastar

W przełomowym artykule teoretycznym fizycy Daniel Jampolski i Luciano Rezzolla z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie opisali dynamiczne rozwiązanie równań pola Einsteina, zgodnie z którym zapadająca się grawitacyjnie gwiazda może zakończyć swój żywot nie jako czarna dziura, ale jako grawastar – ultrazwarty obiekt z jądrem z ciemnej energii, pozbawiony zarówno osobliwości, jak i horyzontu zdarzeń . Ich praca, opublikowana w czasopiśmie Physical Review D, po raz pierwszy w historii pokazuje formowanie się grawastara jako proces dynamiczny w ramach standardowej ogólnej teorii względności .

Wielki Wybuch w sercu gwiazdy – jak powstaje grawastar?

Tradycyjny scenariusz śmierci masywnej gwiazdy, opisany modelem kolapsu Oppenheimera-Snydera, zakłada zapadanie się jednorodnej sfery pyłu do punktu o nieskończonej gęstości – osobliwości – otoczonej horyzontem zdarzeń. Nowa koncepcja Jampolskiego i Rezzolli, oparta na tych samych założeniach początkowych, wprowadza jednak decydujący zwrot akcji: w miarę jak gęstość podczas kolapsu rośnie, kwantowa próżnia wewnątrz gwiazdy ulega przemianie fazowej .

W samym centrum zapadającej się gwiazdy pojawia się mikroskopijny, dosłownie zerowej wielkości, obszar czasoprzestrzeni de Sittera – stanu odpowiadającego ciemnej energii o ujemnym ciśnieniu. Obszar ten zaczyna gwałtownie się rozszerzać, niczym miniaturowy Wielki Wybuch, napędzany przez odpychającą siłę ciemnej energii . Ekspansja w naturalny sposób zwalnia i zatrzymuje się tuż przy promieniu Schwarzschilda – granicy, na której normalnie uformowałby się horyzont zdarzeń czarnej dziury – tworząc fizyczną, stabilną powierzchnię .

Tak powstaje grawastar (od angielskiego gravitational vacuum star), obiekt łączący w sobie trzy kluczowe cechy:

• Brak osobliwości – zapadanie zostaje powstrzymane, zanim powstanie punkt nieskończonej gęstości.
• Brak horyzontu zdarzeń – obiekt ma rzeczywistą, materialną granicę zamiast jednokierunkowej membrany przyczynowej, zza której informacja nie może uciec.
• Zewnętrzna nieodróżnialność od czarnej dziury – dla odległego obserwatora pole grawitacyjne i "cień" grawastara wyglądają identycznie jak w przypadku czarnej dziury o tej samej masie .

Co kluczowe, proces ten nie wymaga żadnych modyfikacji ogólnej teorii względności ani wprowadzania dodatkowych, egzotycznych pól. Opiera się wyłącznie na standardowym scenariuszu kolapsu i założeniu o przejściu fazowym w próżni kwantowej – koncepcji badanej już w kwantowej teorii pola .

Koniec z paradoksami czarnych dziur

Jeśli grawastary istnieją, rozwiązują one dwa fundamentalne problemy fizyki teoretycznej. Po pierwsze, zniknąłby problem osobliwości, czyli punktu, w którym załamują się znane prawa fizyki. Po drugie, rozwiązaniu uległby paradoks informacyjny czarnej dziury, zgodnie z którym informacja kwantowa wpadająca do czarnej dziury zdaje się bezpowrotnie znikać z Wszechświata, co jest sprzeczne z zasadami mechaniki kwantowej. Ponieważ grawastar nie ma horyzontu zdarzeń, informacja może – przynajmniej w teorii – zostać odzyskana .

Skąd będziemy wiedzieć, że to nie czarna dziura?

Tu pojawia się największe wyzwanie. Przy obecnych możliwościach obserwacyjnych grawastar jest całkowicie nieodróżnialny od czarnej dziury. Zarówno cień sfotografowany przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT), jak i większość emisji elektromagnetycznej wyglądałaby tak samo .

Nadzieję dają fale grawitacyjne. Gdy dwa zwarte obiekty łączą się, emitują charakterystyczny sygnał "wygaszania" (ang. ringdown). Horyzont czarnej dziury pochłania wszelkie wibracje, podczas gdy fizyczna powierzchnia grawastara mogłaby odbijać część fal, tworząc wtórne impulsy zwane "echami". Przyszłe, bardziej czułe detektory, takie jak Einstein Telescope czy kosmiczna misja LISA, mogłyby te echa wychwycić i tym samym dostarczyć pierwszego dowodu na istnienie grawastarów .

Od Matrioszki do "nestara" – wszechświat we wszechświecie

W swoich wcześniejszych pracach ten sam zespół z Frankfurtu zaproponował, że grawastary mogą mieć strukturę przypominającą rosyjską matrioszkę. Obiekt taki, nazwany "nestarem" (od angielskiego nested star), składałby się z kilku grawastarów umieszczonych jeden w drugim, tworząc hierarchię rozszerzających się mini-wszechświatów przedzielonych warstwami czasoprzestrzeni .

Ziarno soli, czyli czego jeszcze nie wiemy

Mimo matematycznej elegancji nowego rozwiązania, koncepcja grawastara pozostaje w sferze wysoce spekulatywnej. Lista niewiadomych jest długa:

• Brak dowodów obserwacyjnych. Żaden grawastar nie został nigdy zaobserwowany, a obecne instrumenty nie są w stanie potwierdzić ani wykluczyć ich istnienia .
• Nieudowodniona stabilność. Model pokazuje, że formacja jest możliwa w uproszczonych warunkach, ale nie wiadomo, czy grawastar przetrwałby miliardy lat, nie zapadając się pod wpływem perturbacji, akrecji materii czy zderzeń .
• Hipotetyczne przejście fazowe. Rozwiązanie zakłada, że próżnia kwantowa ulega przemianie przy krytycznym zagęszczeniu. Czy tak się dzieje w naturze, zależy od nieznanej struktury próżni w reżimie ekstremalnie silnej grawitacji .
• Uproszczone warunki początkowe. Model opiera się na sferycznie symetrycznej chmurze pyłu. Prawdziwe jądra gwiazd rotują, posiadają pola magnetyczne i są asymetryczne, co mogłoby uniemożliwić lub drastycznie zmienić proponowany proces .
• Brak pełnej grawitacji kwantowej. Opis dynamiki jest spójny w ramach fizyki klasycznej, ale samo przejście fazowe wymagałoby do pełnego opisu działającej teorii grawitacji kwantowej, która wciąż pozostaje nieuchwytna .

Mimo tych zastrzeżeń, nowa teoria oferuje rygorystyczną matematycznie i wolną od paradoksów alternatywę dla czarnych dziur. Ostateczną odpowiedź na pytanie, czy natura faktycznie buduje grawastary, będą musiały przynieść obserwatoria nowej generacji.