Als reuzensterren sterven, verdwijnen ze niet zomaar. Ze storten in en laten een gecomprimeerd stellair overblijfsel achter, meestal zo groot als een metropool, een superdense bol van neutronen die een neutronenster wordt genoemd.
De meeste theoretici geloven dat in uitzonderlijke gevallen een gigantische stervende ster een zwart gat vormt - een punt "singulariteit" met vrijwel oneindige dichtheid en een zwaartekrachtveld dat zo krachtig is dat er zelfs geen licht is, het snelste ding in het universum.
De nieuwe studie biedt een alternatief idee dat hypothetische objecten zoals zwarte sterren of gravastars halverwege tussen neutronensterren en zwarte gaten zouden kunnen bestaan. Als dat zo is, dan zouden exotische stellaire lijken bijna identiek moeten zijn aan zwarte gaten, behalve één belangrijke omstandigheid: ze absorberen niet onherroepelijk licht.
Er zijn goede redenen om naar dergelijke alternatieven te zoeken, want zwarte gaten roepen veel theoretische problemen op. Hun bijzonderheden zijn bijvoorbeeld zogenaamd verborgen achter onzichtbare grenzen die bekend staan als gebeurtenishorizon. Gooi iets in een zwart gat en zodra het de waarnemingshorizon passeert, zal het voor altijd verdwijnen. Maar er zijn natuurkundige wetten die suggereren dat informatie niet kan worden vernietigd, inclusief informatie die is gecodeerd in alles dat in zwarte gaten valt.
Modellen van zwarte sterren en gravastars die de afgelopen twee decennia zijn ontwikkeld, suggereren dat deze objecten geen singulariteiten en horizon van gebeurtenissen zullen hebben. Maar het is nog onduidelijk of dergelijke objecten zich daadwerkelijk kunnen vormen en stabiel kunnen blijven.
Nieuw onderzoek door theoretisch fysicus Raul Carballo-Rubio van de International School of Advanced Research in Italië stelt een mechanisme voor dat zwarte sterren en gravastars mogelijk maakt.
De wetenschapper onderzocht een ongebruikelijk fenomeen dat bekend staat als kwantumvacuümpolarisatie. De kwantumfysica, die een betere beschrijving geeft van hoe alle bekende subatomaire deeltjes zich gedragen, gaat ervan uit dat de werkelijkheid onzeker is, en beperkt hoe nauwkeurig je de eigenschappen van de meest basale eenheden van materie kunt kennen - je kunt bijvoorbeeld nooit absoluut de positie en het momentum van een deeltje in hetzelfde deeltje weten. dezelfde tijd. Een vreemd gevolg van deze onzekerheid is dat het vacuüm nooit helemaal leeg is, maar zogenaamde "virtuele deeltjes" heeft die voortdurend oscilleren als ze in en uit bestaan.
Promotie video:
Met een gigantische hoeveelheid energie die vrijkomt bij de explosie van een enorme ster, kunnen deze virtuele deeltjes polariseren of ordenen afhankelijk van hun eigenschappen, net zoals magneten noord- en zuidpool hebben. Carballo-Rubio berekende dat de polarisatie van deze deeltjes een verbazingwekkend effect kan creëren in de krachtige zwaartekrachtvelden van stervende reuzensterren - een veld dat afstoot, niet aantrekt.
Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie leidt de materiële en energetische kromming van ruimte-tijd tot de vorming van zwaartekrachtvelden. Planeten en sterren hebben een positieve hoeveelheid energie en de resulterende zwaartekrachtvelden zijn aantrekkelijk van aard.
"Wanneer virtuele deeltjes echter gepolariseerd zijn, kan het vacuüm dat ze innemen, gemiddeld negatieve energie hebben, en ze verdraaien de ruimtetijd op zo'n manier dat het bijbehorende zwaartekrachtveld afstotend wordt", zegt Carballo-Rubio.
Dit kan natuurlijk de vorming van een zwart gat voorkomen. Dit fenomeen zorgt ervoor dat relatief lichte stellaire restanten neutronensterren vormen in plaats van zwarte gaten. Hun zwaartekrachtvelden zijn niet sterk genoeg om neutronen op singulariteit te vernietigen.
Twee eerdere modellen suggereerden dat afstotende zwaartekracht ervoor zou kunnen zorgen dat stellaire overblijfselen instorten en zwarte gaten vormen. Een van de gesimuleerde stellaire overblijfselen vormde in plaats daarvan gravastars - objecten gevuld met een kwantumvacuüm bedekt met een dunne schil van materie. Een ander model suggereerde dat deze ineenstortingen resulteerden in zwarte sterren, waar materie en kwantumvacuüm elkaar in zorgvuldig evenwicht door de structuur afwisselen. Beide objecten hebben nog steeds krachtige zwaartekrachtvelden die het licht diep vervormen, waardoor ze zo donker lijken als zwarte gaten.
Volgens Carballo-Rubio bestond er voorheen grote onzekerheid over de eigenschappen van zwarte sterren en gravastars. In een nieuw werk creëerde hij een wiskundig raamwerk dat de effecten van afstotende zwaartekracht opneemt in vergelijkingen die de uitzetting en samentrekking van sterren beschrijven. Eerder dacht men dat dit alleen met behulp van computers kon worden geïnterpreteerd. Zijn nieuwe model gaat uit van het bestaan van een hybride van een zwarte ster en een gravastar - een object waar materie en kwantumvacuüm door de structuur zijn verdeeld, maar met materie in hogere concentraties in de omhulling dan in de kern.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.
