Wenn Riesensterne sterben, verschwinden sie nicht einfach. Sie kollabieren und hinterlassen einen komprimierten Sternrest, normalerweise so groß wie eine Metropole, eine superdichte Neutronenkugel, die Neutronenstern genannt wird.
Die meisten Theoretiker glauben, dass in Ausnahmefällen ein riesiger sterbender Stern ein Schwarzes Loch bildet - ein Punkt "Singularität" mit praktisch unendlicher Dichte und einem Gravitationsfeld, das so stark ist, dass es nicht einmal Licht gibt, das schnellste Ding im Universum.
Die neue Studie bietet eine alternative Idee, dass hypothetische Objekte wie schwarze Sterne oder Gravastare auf halbem Weg zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern existieren könnten. Wenn ja, sollten exotische Sternkörper fast identisch mit Schwarzen Löchern sein, mit Ausnahme eines wichtigen Umstands: Sie absorbieren kein Licht unwiderruflich.
Es gibt gute Gründe, nach solchen Alternativen zu suchen, da Schwarze Löcher viele theoretische Probleme aufwerfen. Zum Beispiel sollen ihre Singularitäten hinter unsichtbaren Grenzen verborgen sein, die als Ereignishorizonte bekannt sind. Wirf etwas in ein Schwarzes Loch und sobald es den Ereignishorizont passiert, wird es für immer verschwinden. Es gibt jedoch Gesetze der Physik, die darauf hinweisen, dass Informationen nicht zerstört werden können, einschließlich Informationen, die in irgendetwas verschlüsselt sind, das in schwarze Löcher fällt.
Modelle von schwarzen Sternen und Gravastaren, die in den letzten zwei Jahrzehnten entwickelt wurden, legen nahe, dass diese Objekte keine Singularitäten und Ereignishorizonte aufweisen. Es ist jedoch noch unklar, ob sich solche Objekte tatsächlich bilden und stabil bleiben können.
Neue Forschungen des theoretischen Physikers Raul Carballo-Rubio von der International School of Advanced Research in Italien schlagen einen Mechanismus vor, der die Existenz von schwarzen Sternen und Gravastaren ermöglicht.
Der Wissenschaftler untersuchte ein ungewöhnliches Phänomen, das als Quantenvakuumpolarisation bekannt ist. Die Quantenphysik, die eine bessere Beschreibung des Verhaltens aller bekannten subatomaren Teilchen liefert, geht davon aus, dass die Realität ungewiss ist, und schränkt ein, wie genau Sie die Eigenschaften der grundlegendsten Einheiten der Materie kennen können - zum Beispiel können Sie die Position und den Impuls eines Teilchens in derselben niemals absolut kennen gleiche Zeit. Eine seltsame Folge dieser Unsicherheit ist, dass das Vakuum niemals vollständig leer ist, sondern sogenannte "virtuelle Teilchen" aufweist, die beim Eintritt in und Verlassen der Existenz ständig schwingen.
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Mit einer gigantischen Energiemenge, die durch die Explosion eines riesigen Sterns freigesetzt wird, können diese virtuellen Teilchen je nach ihren Eigenschaften polarisieren oder ordnen, genau wie Magnete Nord- und Südpole haben. Carballo-Rubio berechnete, dass die Polarisation dieser Teilchen einen erstaunlichen Effekt in den starken Gravitationsfeldern sterbender Riesensterne erzeugen kann - ein Feld, das abstößt, nicht anzieht.
Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie führt die materielle und energetische Krümmung der Raumzeit zur Bildung von Gravitationsfeldern. Planeten und Sterne haben eine positive Energiemenge und die daraus resultierenden Gravitationsfelder sind von Natur aus attraktiv.
„Wenn virtuelle Teilchen polarisiert sind, kann das Vakuum, das sie einnehmen, im Durchschnitt negative Energie haben und sie verzerren die Raumzeit so, dass das zugehörige Gravitationsfeld abstoßend wird“, sagt Carballo-Rubio.
Dies könnte natürlich die Bildung eines Schwarzen Lochs verhindern. Dieses Phänomen führt dazu, dass relativ leichte Sternreste Neutronensterne anstelle von Schwarzen Löchern bilden. Ihre Gravitationsfelder sind nicht stark genug, um Neutronen an der Singularität zu zerstören.
Zwei frühere Modelle deuteten darauf hin, dass die abstoßende Schwerkraft dazu führen könnte, dass Sternreste zusammenbrechen und schwarze Löcher bilden. Einer der simulierten Sternreste bildete stattdessen Gravastare - Objekte, die mit einem Quantenvakuum gefüllt waren, das mit einer dünnen Materiehülle bedeckt war. Ein anderes Modell legte nahe, dass diese Zusammenbrüche zu schwarzen Sternen führten, bei denen sich Materie und Quantenvakuum in der Struktur in sorgfältigem Gleichgewicht abwechseln. Beide Objekte haben immer noch starke Gravitationsfelder, die das Licht stark verzerren und sie so dunkel wie schwarze Löcher erscheinen lassen.
Laut Carballo-Rubio gab es zuvor große Unsicherheit über die Eigenschaften von schwarzen Sternen und Gravastaren. In einer neuen Arbeit schuf er einen mathematischen Rahmen, der die Auswirkungen der abstoßenden Schwerkraft in Gleichungen einbezieht, die die Expansion und Kontraktion von Sternen beschreiben. Bisher glaubte man, dass dies nur mit Hilfe von Computern interpretiert werden könne. Sein neues Modell geht von der Existenz eines Hybrids aus einem schwarzen Stern und einem Gravastar aus - einem Objekt, bei dem Materie und Quantenvakuum in der Struktur verteilt sind, wobei sich die Materie jedoch in der Hülle in höheren Konzentrationen befindet als im Kern.
Die Forschung wird in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
