Wygląda jak czarna dziura i załamuje światło jak czarna dziura, ale w rzeczywistości może to być nowy typ gwiazdy.
Chociaż tajemniczy obiekt jest hipotetyczną konstrukcją matematyczną, nowe symulacje przeprowadzone przez naukowców z Johns Hopkins sugerują, że w kosmosie mogą znajdować się inne ciała niebieskie, ukrywające się przed nawet najlepszymi teleskopami na Ziemi. Wyniki mają zostać opublikowane w Physical Review D.
“Byliśmy bardzo zaskoczeni” – powiedział Pierre Heidmann, fizyk z Johns Hopkins University, który kierował badaniem. „Obiekt wygląda identycznie jak czarna dziura, ale z jego ciemnego punktu wydobywa się światło”.
Wykrycie fal grawitacyjnych w 2015 roku wstrząsnęło światem astrofizyki, ponieważ potwierdziło istnienie czarnych dziur. Zainspirowany tymi odkryciami, zespół Johnsa Hopkinsa postanowił zbadać możliwość istnienia innych obiektów, które mogą wywoływać podobne efekty grawitacyjne, ale które mogą przechodzić jako czarne dziury, gdy są obserwowane za pomocą ultraprecyzyjnych czujników na Ziemi, powiedział współautor i fizyk Johns Hopkins, Ibrahima Bah .
„Jak możesz stwierdzić, że nie masz czarnej dziury? Nie mamy dobrego sposobu, aby to przetestować” – powiedział Bah. „Badanie hipotetycznych obiektów, takich jak solitony topologiczne, pomoże nam również to rozgryźć”.
Nowe symulacje realistycznie przedstawiają obiekt, który zespół Johns Hopkins nazywa solitonem topologicznym. Symulacje pokazują obiekt, który z daleka wygląda jak niewyraźne zdjęcie czarnej dziury, ale z bliska wygląda jak coś zupełnie innego.
Na tym etapie obiekt jest hipotetyczny. Ale fakt, że zespół był w stanie skonstruować go za pomocą równań matematycznych i pokazać, jak wygląda za pomocą symulacji, sugeruje, że w kosmosie mogą istnieć inne typy ciał niebieskich, ukrywające się nawet przed najlepszymi teleskopami na Ziemi.
Odkrycia pokazują, w jaki sposób topologiczny soliton zniekształca przestrzeń dokładnie tak, jak robi to czarna dziura – ale zachowuje się inaczej niż czarna dziura, ponieważ miesza się i emituje słabe promienie światła, które nie unikną silnej siły grawitacyjnej prawdziwej dziury.
„Światło jest silnie zakrzywione, ale zamiast być pochłaniane jak w czarnej dziurze, rozprasza się w dziwnych ruchach, aż w pewnym momencie wraca do ciebie w chaotyczny sposób” – powiedział Heidmann. „Nie widzisz ciemnej plamy. Widzisz dużo rozmycia, co oznacza, że światło krąży jak szalone wokół tego dziwnego obiektu”.
Pole grawitacyjne czarnej dziury jest tak intensywne, że światło może krążyć wokół niej w pewnej odległości od jej środka, w taki sam sposób, w jaki Ziemia okrąża Słońce. Ta odległość określa krawędź „cienia” dziury, tak że każde wpadające światło trafi śmiertelnie w obszar, który naukowcy nazywają „horyzontem zdarzeń”. Tam nic nie może uciec — nawet światło.
Zespół Hopkinsa przeprowadził symulację kilku scenariuszy, używając zdjęć przestrzeni kosmicznej tak, jakby zostały zrobione kamerą, umieszczając czarną dziurę i soliton topologiczny przed obiektywem. Wyniki dały zniekształcone obrazy z powodu efektów grawitacyjnych masywnych ciał.
„Są to pierwsze symulacje astrofizycznie istotnych obiektów teorii strun, ponieważ możemy faktycznie scharakteryzować różnice między topologicznym solitonem a czarną dziurą, tak jakby obserwator widział je na niebie” – powiedział Heidmann.
Zmotywowani różnymi wynikami teorii strun, Bah i Heidmann odkryli sposoby konstruowania topologicznych solitonów przy użyciu ogólnej teorii względności Einsteina w 2021 r. Chociaż solitony nie są przewidywaniami nowych obiektów, służą jako najlepsze modele tego, jak mogą wyglądać nowe obiekty grawitacji kwantowej jak w porównaniu z czarnymi dziurami.
Naukowcy stworzyli wcześniej modele gwiazd bozonowych, grawastarów i innych hipotetycznych obiektów, które mogą wywierać podobne efekty grawitacyjne z egzotycznymi formami materii. Ale nowe badania wyjaśniają filarowe teorie wewnętrznego działania wszechświata, których nie mają inne modele. Naukowcy twierdzą, że wykorzystuje teorię strun, która godzi mechanikę kwantową i teorię grawitacji Einsteina.
“To początek wspaniałego programu badawczego” – powiedział Bah. „Mamy nadzieję, że w przyszłości będziemy mogli naprawdę zaproponować nowe typy ultrakompaktowych gwiazd składających się z nowych rodzajów materii z grawitacji kwantowej”.
W skład zespołu wchodzi fizyk z Johns Hopkins, Emanuele Berti. Topologiczny soliton w symulacjach został po raz pierwszy skonstruowany w badaniach opublikowanych w 2022 roku przez grupę Bah.