Fyzik navrhuje alternativu k černým otvorům

Fyzik začlenil kvantovou mechanickou myšlenku s obecnou relativitou, aby dospěl k nové alternativě k singularitám černé díry.

Umělecké vykreslování Cygnus X-1, rentgenové emise černé díry, která se vytvořila, když se ukryla velká hvězda. (Nyní vidíme její rentgenové paprsky, když se živí od svého hvězdného společníka.) Ale jsou černé díry nevyhnutelné další krok za neutronovými hvězdami?
NASA / CXC / M.Weiss

Co získáte, když překročíte dvě hypotetické alternativy k černým otvorům? Samostatná semiklasická relativistická hvězda, podle Ra la Carballo-Rubia (Mezinárodní škola pro pokročilá studia, Terst, Itálie), jejíž nedávno zveřejněné výsledky v dopisech o fyzickém hodnocení ze 6. února popisují nový matematický model osudu hmotných hvězd .

Když masivní hvězda dorazí na konec svého života, jde supernova a zanechává za sebou husté jádro, které „podle konvenčního myšlení“ pokračuje v kolapsu a vytváří neutronovou hvězdu nebo černou díru. Ke kterému je osud předurčen, přijde jeho hmota. Neutronové hvězdy nacházejí rovnováhu mezi odpudivou silou kvantového mechanického degeneračního tlaku a přitažlivou gravitační silou, zatímco masivnější jádra se zhroutí do černých děr, neschopných bojovat s ohromujícím tahem vlastní gravitace.

Odpudivá gravitace

Nyní Carballo-Rubio přidává do směsi další sílu: kvantové výkyvy. Kvantová mechanika ukázala, že virtuální částice spontánně vyskakují do a z existence účinky lze nejlépe měřit ve vakuu, ale k těmto fluktuacím může dojít kdekoli v časoprostoru. Tyto částice lze považovat za výkyvy pozitivní a negativní energie, které by se za normálních podmínek zrušily. Extrémní gravitace kompaktních objektů však tuto rovnováhu narušuje a účinně vytváří negativní energii. Tato negativní energie vytváří odpudivou gravitační sílu.

„Existence kvantových [fluktuací] v důsledku gravitačních polí je známa od konce sedmdesátých let, “ vysvětluje Carballo-Rubio. Fyzici však nevěděli, jak tento efekt zohlednit při kolapsu hvězd.

Carballo-Rubioovy rovnice, které kombinují obecnou relativitu a kvantovou mechaniku způsobem, který odpovídá za kvantové fluktuace. Kromě toho našel řešení, která vyvažují atraktivní a negativní gravitaci hvězdných hmot, které by jinak vytvořily černé díry. Tyto kompaktní objekty, které se nazývají „semiklasickými relativistickými hvězdami“, se nespadají pod svou vlastní hmotností, aby vytvořily horizont událostí, a proto nejsou černými dírami.

Hybridní hvězda

Umělcova kresba neutronové hvězdy.
Casey Reed / Penn State University

Je zajímavé, že semiklasické relativistické hvězdy Carballo-Rubia nesou znaky dříve navrhovaných alternativ černých děr: gravastarů a černých hvězd .

Gravastars a černé hvězdy také sestávají z obyčejné hmoty a kvantových výkyvů. Když však byly tyto myšlenky poprvé vytvořeny, rovnice obsahující kvantové flluktuace nebyly dosud známy, takže teoretici Carballo-Rubioovy hvězdy se naopak přirozeně vynořují z konzistentního souboru rovnic založených na známé fyzice.

Gravastary a černé hvězdy mají různou strukturu: V gravastarových jádrech tlačí velká kvantová fluktuace obyčejnou hmotu směrem ven a vytváří na povrchu ultratenkou skořápku. Černé hvězdy, na druhé straně, jsou v rovnováze a kvantové výkyvy v jejich struktuře.

Hvězdy Carballo-Rubia jsou jako hybrid dvou předchozích myšlenek. "Na jedné straně jsou hmota i kvantum (fluktuace) přítomny v celé struktuře, jako v modelu černé hvězdy, " říká. "Na druhé straně hvězda zobrazuje dva odlišné prvky, a to jádro a ultratenkou skořápku, jako u modelu gravastar."

Otázka stability

Zda tyto hybridní hvězdy existují ve skutečném světě, je věcí debaty. Řešení společnosti Carballo-Rubio nezahrnují čas, takže není jasné, zda taková hvězda zůstane stabilní nebo rychle promění v něco jiného. . . jako černá díra.

"Rovnovážná řešení lze najít pro pero stojící na jeho špičce, " poznamenává relativistický astrofyzik Luciano Rezzolla (Ústav teoretické fyziky, Německo). "Takové řešení je očividně nestabilní při malých poruchách."

Pokud však Carballo-Rubio dokáže ukázat, že jeho semiklasické relativistické hvězdy jsou skutečně dynamicky stabilní - na kterém začne pracovat příští - příští generace observatoří gravitačních vln by měla nabídnout úroveň přesnosti nezbytnou v nadcházejících desetiletích, aby bylo možné odlišit nekonvenční kompaktní těla od černé díry, které potenciálně poskytují důkazy na podporu existence tohoto nového typu hvězdy.