پیشنهاد یک جایگزین برای سیاهچاله‌ها

* یک فیزیکدان با پیوند دادن یک پنداشت مکانیک کوانتومی با نسبیت عام به یک جایگزین تازه برای تکینگی سیاهچاله‌ها دست یافته.

اگر دو جایگزین فرضی سیاهچاله‌ها را به هم پیوند دهیم به چه می‌رسیم؟ به یک ستاره‌ی نسبیتی نیمه‌کلاسیک خودسازگار (۱)، این را رائول کاربایو-روبیو از مدرسه‌ی بین‌المللی پژوهش‌های پیشرفته در تریسته‌ی ایتالیا می‌گوید که یک مدل ریاضی تازه برای سرنوشت ستارگان بزرگ پدید آورده. پژوهشنامه‌ی وی در شماره‌ی ۶ فوریه‌ی فیزیکال ریویو لترز منتشر شده است.

برداشت هنری از یک ستاره‌ی نوترونی

هنگامی که یک ستاره‌ی بزرگ به پایان زندگیش می‌رسد دستخوش انفجار ابرنواختری می‌شود و یک هسته‌ی چگال از خود به جا می‌گذارد که -بر پایه‌ی پنداشت‌های کنونی- به رُمبش خود ادامه می‌دهد و یک ستاره‌ی نوترونی یا یک سیاهچاله می‌سازد. این که یک ستاره کدام یک از این دو سرنوشت را خواهد داشت به جرمش بستگی دارد. ستارگان نوترونی تعادلی میان نیروی وازَنَنده‌ی فشار تبهگنی مکانیک کوانتومی و نیروی درکِشنده‌ی (جذب‌کننده‌ی) گرانش برقرار می‌کنند، ولی اگر هسته‌ی رُمبنده پرجرم‌تر باشد نمی‌تواند در برابر نیروی درکشنده‌ی گرانشِ خودش پایاداری کند و به یک سیاهچاله تبدیل می‌شود.

گرانش وازننده

اکنون کاربایو-روبیو یک نیروی دیگر را هم به این جریان افزوده: نوسان‌های کوانتومی (اُفتاخیزهای کوانتومی). بر پایه‌ی مکانیک کوانتومی، ذرات مجازی می‌توانند خودبخود از هیچ پدید آمده و از بین بروند- این اثر را بهتر از همه در خلا می‌توان سنجید، ولی این افتاخیزها می‌توانند در هر جایی از فضازمان رخ بدهند. این ذرات را می‌توان به عنوان نوسان‌هایی در انرژی مثبت و منفی در نظر گرفت که در شرایط معمولی همدیگر را خنثا می‌کنند. ولی گرانشِ بی‌اندازه‌ی اجرام چگال این تعادل را می‌شکند و به گونه‌ای کارآمد انرژی منفی تولید می‌کند. این انرژی منفی یک نیروی گرانشی وازننده (دفع‌کننده) پدید می‌آورد.

کاربایو-روبیو می‌گوید:«وجود [نوسان‌های] کوانتومی ناشی از میدان‌های گرانشی از اواخر دهه‌ی ۱۹۷۰ شناخته شده. ولی فیزیکدانان روش کاربرد این اثر در ستاره‌های رُمبنده را نمی‌دانستند.»

کاربایو-روبیو معادله‌هایی به دست آورد که در آنها نسبیت عام و مکانیک کوانتومی به گونه‌ای با هم پیوند خورده بود که نوسان‌های کوانتومی را هم بتوانند توضیح دهند. افزون بر آن، وی راه حل‌هایی پیدا کرد که برای اجرام ستاره‌ای که بر پایه‌ی نظریه‌های کنونی باید سیاهچاله شوند، تعادلی میان گرانش درکشنده و گرانش منفی برقرار می‌کرد. این اجرام چگال که در این نظریه‌ی تازه به نام "ستارگان نسبیتی نیمه‌کلاسیک" خوانده شده‌اند زیر فشار گرانششان به طور کامل نمی‌رُمبند و در نتیجه یک افق رویداد و بنابراین یک سیاهچاله نمی‌سازند.

ستاره‌ی دورگه

جالب این که ستارگان نسبیتی نیمه‌کلاسیک دارای ویژگی‌های اجرامی هستند که در گذشته به عنوان جایگزین سیاهچاله‌‌ها پیشنهاد شده بود: گرت‌اخترها (گرَوَستارها) و سیاه‌اخترها (ستارگان سیاه).

گرت‌اخترها و سیاه‌اخترها هم دربردارنده‌ی ماده‌ی معمولی و نوسان‌های کوانتومی هستند. ولی زمانی که این نظریه‌ها نخستین بار ارایه شده بود هنوز معادله‌هایی که نوسان‌های کوانتومی هم در آنها بود شناخته نشده بود، ولی ستاره‌های نظریه‌ی کاربایو-روبیو به طور طبیعی نتیجه‌ی یک مجموعه‌ معادله‌ی سازگار بر پایه‌ی فیزیکِ شناخته شده است.

گرت‌اخترها و سیاه‌اخترها ساختار متفاوتی دارند: در هسته‌ی گرت‌اخترها، نوسان‌های کوانتومی بزرگ ماده‌ی معمولی را به بالا می‌راند و یک پوسته‌ی فرا-نازک (بی‌اندازه نازک) روی سطحشان می‌سازد ولی سیاه‌اخترها در ساختارشان تعادلی میان ماده و نوسان‌های کوانتومی برقرار می‌کنند.

ستارگان کاربایو-روبیو مانند نژاد دورگه‌ای از نظریه‌ی پیشینند. وی می‌گوید: «از یک سو هم ماده و هم [نوسان‌های] کوانتومی در ساختارشان هست، مانند چیزی که در سیاه‌اخترها داریم. از سوی دیگر دو عنصر جداگانه و متمایز را نشان می‌دهند، یک هسته و یک پوسته‌ی فرانازک، مانند چیزی که در گرت‌اخترها هست.»

مساله‌ی پایداری

این که چنین ستارگان دورگه‌ای در جهان واقعی وجود دارند یا نه جای بررسی دارد. در معادله‌های کاربایو-روبیو زمان در نظر گرفته نشده، بنابراین روشن نیست چنین ستاره‌ای پایدار می‌ماند یا به سرعت به یک چیز دیگر... چیزی مانند یک سیاهچاله، دگردیسی می‌یابد.

اخترفیزیکدان نسبیتی لوچیانو رتزولا (بنیاد فیزیک نظری، آلمان) می‌گوید: «برای این که یک مداد را متعادل روی نوکش نگه داریم راه حل‌هایی وجود دارد ولی این راه حل‌ها آشکارا ناپایدارند و اندکی آشفتگی آنها را به هم می‌زند.»

با این حال، اگر کاربایو-روبیو بتواند نشان دهد که ستارگان نسبیتی نیمه‌کلاسیکش واقعا از نظر دینامیکی پایدارند -چیزی که برنامه‌ی بعدی او است- نسل آینده‌ی رصدخانه‌های امواج گرانشی در چند دهه‌ی آینده باید دقت موردنیاز برای بازشناختن اجرام فشرده‌ی نامتعارف از سیاهچاله‌ها را فراهم کنند، و بتوانند شواهدی به دست آورند که از وجود این گونه ستارگان پشتیبانی کند. [بخوانید: * امواج گرانشی لیگو از سیاهچاله سرچشمه گرفته بودند یا از چیز دیگر؟]

--------------------------------------------
۱) self-consistent semiclassical relativistic star

--------------------------------------------

تلگرام و توییتر یک ستاره در هفت آسمان:

telegram.me/onestar_in_sevenskies

twitter.com/1star_7sky

واژه‌نامه:

quantum mechanics - general relativity - black hole - singularity - self-consistent semiclassical relativistic star - Raúl Carballo-Rubio - International School for Advanced Studies - Trieste - Italy - Physical Review Letters - star - supernova - neutron star - degeneracy - core - quantum fluctuation - virtual particle - spacetime - negative energy - semiclassical relativistic star - event horizon - gravastar - black star - hybrid - Luciano Rezzolla - Institute of Theoretical Physics - Germany - gravitational wave

منبع: اسکای اند تلسکوپ

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان