Er sorte huller lavet af mørk energi?

To forskere fra University of Hawaii i Manoa har identificeret og rettet en subtil fejl, der blev lavet, da man anvendte Einsteins ligninger til at modellere universets vækst.

Fysikere antager normalt, at et kosmologisk stort system, såsom universet, er ufølsom over for detaljer i de små systemer, der er indeholdt i den. Kevin Croker, en postdocstipendiat ved Institut for Fysik og Astronomi, og Joel Weiner, et fakultetsmedlem i Matematisk Institut, har vist, at denne antagelse kan fejle for de kompakte objekter, der er tilbage efter sammenbrud og eksplosion af meget store stjerner.

"I 80 år, vi har generelt opereret under den antagelse, at universet, i store træk, var ikke påvirket af de særlige detaljer i en lille region, " sagde Croker. "Det er nu klart, at generel relativitet observerbart kan forbinde kollapsede stjerner - områder på størrelse med Honolulu - til universets opførsel som helhed, over tusind milliarder milliarder gange større."

Croker og Weiner demonstrerede, at universets væksthastighed kan blive følsom over for det gennemsnitlige bidrag fra sådanne kompakte objekter. Ligeledes, selve objekterne kan blive forbundet med universets vækst, får eller taber energi afhængigt af objekternes sammensætning. Dette resultat er signifikant, da det afslører uventede forbindelser mellem kosmologisk og kompakt objektfysik, hvilket igen fører til mange nye observationsforudsigelser.

En konsekvens af denne undersøgelse er, at universets væksthastighed giver information om, hvad der sker med stjerner i slutningen af ​​deres liv. Astronomer antager typisk, at store stjerner danner sorte huller, når de dør, men dette er ikke det eneste mulige resultat. I 1966, Erast Gliner, en ung fysiker ved Ioffe Physico-Technical Institute i Leningrad, foreslog en alternativ hypotese om, at meget store stjerner skulle kollapse til det, der nu kunne kaldes Generic Objects of Dark Energy (GEODEs). Disse ser ud til at være sorte huller, når de ses udefra, men i modsætning til sorte huller, de indeholder mørk energi i stedet for en singularitet.

I 1998, to uafhængige hold af astronomer opdagede, at udvidelsen af ​​universet accelererer, i overensstemmelse med tilstedeværelsen af ​​et ensartet bidrag af mørk energi. Det blev ikke anerkendt, imidlertid, at GEODE'er kunne bidrage på denne måde. Med den korrigerede formalisme, Croker og Weiner viste, at hvis en brøkdel af de ældste stjerner kollapsede til GEODE'er, i stedet for sorte huller, deres gennemsnitlige bidrag i dag ville naturligvis producere den nødvendige ensartede Dark Energy.

Resultaterne af denne undersøgelse gælder også for de kolliderende dobbeltstjernesystemer, der kan observeres gennem gravitationsbølger af LIGO-Virgo-samarbejdet. I 2016 LIGO annoncerede den første observation af, hvad der så ud til at være et kolliderende dobbelt sort hul-system. Sådanne systemer forventedes at eksistere, men parret af objekter var uventet tunge - omkring 5 gange større end de sorte huls masser forudsagt i computersimuleringer. Ved at bruge den korrigerede formalisme, Croker og Weiner overvejede, om LIGO-Jomfruen observerer dobbelte GEODE-kollisioner, i stedet for dobbelte sorte hul-kollisioner. De fandt ud af, at GEODE'er vokser sammen med universet i tiden op til sådanne kollisioner. Når sammenstødene sker, de resulterende GEODE-masser bliver 4 til 8 gange større, i nogenlunde overensstemmelse med LIGO-Jomfru observationerne.

Croker og Weiner var omhyggelige med at adskille deres teoretiske resultat fra observationsunderstøttelse af et GEODE-scenarie, understreger, at "sorte huller bestemt ikke er døde. Det, vi har vist, er, at hvis GEODE'er eksisterer, så kan de let give anledning til observerede fænomener, der i øjeblikket mangler overbevisende forklaringer. Vi forudser adskillige andre observationsmæssige konsekvenser af et GEODE-scenarie, herunder mange måder at udelukke det på. Vi er knapt nok begyndt at ridse overfladen."

Studiet, Implikationer af symmetri og tryk i Friedmann-kosmologi:I. Formalisme, udgives den 28. august, 2019 udgave af The Astrofysisk tidsskrift og er tilgængelig online.