Naukowcy po raz pierwszy zaczęli opisywać czarne dziury ponad sto lat temu. Jednak przez długi czas niezwykle masywne obiekty, z których nie może wydostawać się światło ani informacja, istniały jedynie w teorii. Obserwacyjnie istnienie czarnych dziur potwierdzono dopiero w poprzednim dziesięcioleciu. Było to możliwe dzięki pracy detektorów fal grawitacyjnych takich jak LIGO i VIRGO.
Czy możliwe jest, że w kosmosie istnieją inne dziwne obiekty, o których jeszcze nie mamy pojęcia? I których właściwości można określić na podstawie nowoczesnej fizyki teoretycznej? Twierdząco na oba ta pytania odpowiedzieli fizycy z Uniwersytetu Johna Hopkinsa (UJH).
Korzystając z teorii strun, opracowali oni matematyczny opis zagadkowego tworu. Ten czysto hipotetyczny konstrukt wygląda jak czarna dziura i ugina światło jak czarna dziura, jednak może być gwiazdą. I to taką, której nie da się wykryć z pomocą żadnych urządzeń, jakie mamy na Ziemi.
Kiedy czarna dziura jest czarną dziurą?
– Byliśmy bardzo zaskoczeni – powiedział Pierre Heidmann, fizyk z UJH i główny autor badań przyjętych do publikacji w czasopiśmie „Physical Review D”. – Ten obiekt wyglądał jak czarna dziura, jednak z jego ciemnego miejsca wydobywało się światło – dodał naukowiec cytowany przez serwis phys.org.
Jego i jego dwóch kolegów zainspirowało pierwszej wykrycie fal grawitacyjnych z 2015 r. Zaczęli zastanawiać się, czy – na gruncie teorii – mogłyby istnieć obiekty stanowiące źródło podobnych efektów grawitacyjnych jak czarne dziury, jednak niebędące nimi.
Do stworzenia matematycznego opisu tych obiektów wykorzystali teorię strun. To bardzo popularna wśród fizyków i szeroko rozwijana hipoteza z fizyki teoretycznej. Według niej podstawowy budulcem Wszechświata nie są punktowe cząstki, ale drgające struny. Teoria ta istnieje wyłącznie w postaci równań. Nie udało się jeszcze zaproponować eksperymentu, który mógłby ją potwierdzić lub obalić.
Nowe obiekty matematyczne
Teoria strun pozwoliła fizykom z UJH opracować matematyczny opis obiektu, który nazwali topologicznym solitonem. Na razie to konstrukt wyłącznie teoretyczny. Jednak możliwe jest, że kiedyś może on pomóc odróżniać czarne dziury od przypominających je znacznie bardziej egzotycznych obiektów.
O tym, że to możliwe, naukowcy przekonali się, przeprowadzając symulacje z wykorzystaniem prawdziwych zdjęć kosmosu. Dzięki nim odkryli, jak topologiczny soliton wyglądałby, gdyby istniał.
Z dużej odległości wydawałoby się, że ma wszystkie cechy czarnej dziury: pochłaniałby wpadające do niego światło. Jednak im bliżej znajdowałby się obserwator, tym wyraźniejsze widziałby różnice. Topologiczny soliton nie pochłaniałby już światła, ale mieszałby je i rozpraszał.
Światło krążyłoby jak szalone
– Światło byłoby bardzo silnie uginane – opisuje wynik symulacji Pierre Heidmann. – Jednak zamiast wpaść do czarnej dziury, dziwacznie by się rozpraszało. Aż w końcu wracałoby [do obserwatora – przyp. red.] w chaotyczny sposób – dodaje.
– W rezultacie nie widzielibyśmy czarnego miejsca. Tylko dużo smug, co oznaczałoby, że światło kręci się jak szalone wokół jakiegoś dziwnego obiektu – dodaje Heidmann. Naukowcy pokazali zdjęcia obrazujące, jak badany przez nich obiekt mógłby wyglądać.
Proponowane solitony są hipotetycznymi obiektami wywodzącymi się z kwantowej grawitacji. To teoria łącząca mechanikę kwantową i teorię grawitacji Einsteina. Służą jako model pokazujący, jak obiekty postulowane na gruncie tej teorii wyglądałyby w porównaniu z czarnymi dziurami. W przyszłości z badań nad nimi mogą wyłonić się opisy realnych kosmicznych tworów – np. zupełnie nowych typów gwiazd.
– To początek nowego, cudownego programu badawczego – mówi fizyk Ibrahima Bah, współautor pracy. – Mamy nadzieję, że w przyszłości będziemy w stanie zaproponować nowe rodzaje ultragęstych gwiazd, składających się z nowych rodzajów materii wynikających z teorii kwantowej grawitacji – dodaje.
Źródła: phys.org, Physical Review D.
