Wnętrza czarnych dziur nadal stanowią zagadkę dla nauki. Uczeni od lat próbują dowiedzieć się, co naprawdę jest w środku? Sprawa jeszcze bardziej się komplikuje, gdy do rozważań teoretycznych włączymy tak zwane gwiazdy grawitacyjne.
Blisko sto lat temu niemiecki fizyk Karl Schwarzschild przedstawił rozwiązanie równań ogólnej teorii względności Alberta Einsteina, w którym centrum pewnego obiektu o bardzo dużej gęstości składa się z tak zwanej osobliwości, czyli punktu, w którym przestrzeń i czas przestają istnieć w znanej nam postaci, a nawet częściowo zamieniają się rolami. W tym miejscu wszystkie znane prawa fizyczne, w tym ogólna teoria względności, nie mają już zastosowania. Przestaje też obowiązywać powszechnie przyjmowana zasada przyczynowości.
Wszystko to jest (także dziś) wyzwaniem dla świata nauki. Czarne dziury, bo tak z czasem te dziwne kosmiczne obiekty nazwano, charakteryzują się jeszcze tym, że nic nie może ich opuścić, ze światłem włącznie. Poza ich horyzont zdarzeń nie jest w stanie przedostać się żadna informacja. Rozwiązanie Schwarzschilda było na tyle dziwaczne, że początkowo przyjęto je głównie jako ciekawostkę teoretyczną. W czarne dziury mało kto po prostu uwierzył. Wszystko zmieniło się, gdy w 1971 roku odkryto w kosmosie pierwszy obiekt, który zachowywał się w sposób zgodny z opisem matematycznym Schwarzschilda.
Dziś chyba nikt nie wątpi w ich istnienie. Wiemy, że masywna czarna dziura rezyduje też w centrum naszej Galaktyki. W 2019 roku uczeni z projektu Teleskopu Horyzontu Zdarzeń zdołali – po raz pierwszy w historii – wykonać „zdjęcie” czarnej dziury w galaktyce M87 (więcej na ten temat w tekście: Zaprezentowano pierwszy w historii obraz czarnej dziury). A w zasadzie jej sylwetki na tle centrum tej galaktyki.
W 2001 roku polski fizyk Paweł Mazur i Emil Mottola zaproponowali jeszcze inne rozwiązanie równań pola Einsteina, które wskazuje na możliwość istnienia całkiem nowych obiektów, nazwanych przez nich grawitacyjnymi gwiazdami kondensacyjnymi, w skrócie grawastarami. W przeciwieństwie do czarnych dziur, grawastary mogłyby mieć bardziej przyjazne, z punktu widzenia badających je astrofizyków, właściwości. Mówiąc wprost, byłyby nieco mniej kłopotliwe jako realne obiekty fizyczne.
Grawastar byłby więc z jednej strony prawie tak gęsty, jak czarna dziura, i miałby podobnie silne pole grawitacyjne. Dzięki temu wyglądałby jak czarna dziura i zachowywał się jak ona we wszystkich aspektach praktycznych. Z drugiej strony nie miałby horyzontu zdarzeń, czyli granicy, spoza której nie może wydostać się już żadna informacja. I najlepsze na koniec: ich wnętrza w ogóle nie zawierałyby osobliwości.
Co zatem jest w środku? Grawitacyjne gwiazdy miałyby składać się z egzotycznej (ciemnej) energii, która wywiera ciśnienie względem ogromnej siły grawitacji ściskającej taką egzotyczną gwiazdę od zewnątrz. Właśnie to ciśnienie nie pozwala, by grawastar zapadł się w klasyczną czarną dziurę. Pewien problem pojawia się, gdy próbujemy opisać powierzchnię grawastara. Według fizyków jest ona materialna, w przeciwieństwie do czarnych dziur i ma nią być ultracienka powłoka ze zwykłej materii, ale o grubości, której wartość zmierza do zera. Nie brzmi to całkiem przekonująco.
Fizycy Daniel Jampolski i Luciano Rezzolla z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie przedstawili niedawno coś jeszcze ciekawszego: rozwiązanie równań Einsteina, które opisuje istnienie grawastara wewnątrz… innego grawastara. Temu hipotetycznym obiektowi nadano nazwę nestar (od angielskiego terminu nested, czyli zagnieżdżony).
Daniel Jampolski, który odkrył to rozwiązanie w ramach pracy licencjackiej pisanej pod kierunkiem profesora Rezzolli, porównuje nestary do kosmicznych matrioszek. To dosłownie gwiazda w gwieździe. Rozwiązanie pozwala dodatkowo na istnienie całej serii zagnieżdżonych w ten sposób w sobie grawastarów. Istotne jest to, że podczas gdy grawastar proponowany przez Mazura i Mottolę ma niemal nieskończenie cienką powłokę z materii, powłoka nestara jest wyraźnie grubsza. Łatwiej więc wyobrazić sobie, a może nawet uwierzyć, że taki obiekt może naprawdę istnieć.
Wspaniałe, że nawet 100 lat od chwili, gdy Schwarzschild przedstawił swoje pierwsze rozwiązanie równań pola w ogólnej teorii względności, wciąż można znaleźć ich nowe rozwiązania. To jak znalezienie złotej monety na ścieżce, która została już zbadana przez wiele innych osób – mówi profesor Rezzolla.
Opis i rezultaty badań ukazały się na łamach pisma „Classical and Quantum Gravity” (DOI: 10.1088/1361-6382/ad2317).
Źródło: Goethe University Frankfurt am Main, fot. Daniel Jampolski and Luciano Rezzolla, Goethe University Frankfurt
