Pienoisuniversumi tähden romahtamisen sisällä paljastuu

Kuvittele tähti romahtamassa niin pitkälle, että mustan aukon sijaan se synnyttää oman pienen kosmoksensa. Outo ajatus? Kyllä. Todennäköinen? Yhä useampi teoreetikko katsoo, että sitä kannattaa ottaa vakavasti.

Kun suuren tähden ydinfuusio sammuu, painovoima voittaa lopulta. Ulommat kerrokset vaipuvat sisäänpäin. Lämpötilat ja paineet kohoavat räjähdysmäisesti. Kirjanoppien fysiikan mukaan romahdus huipentuu singulariteettiin ja tapahtumahorisonttiin, klassiseen mustaan aukkoon. Nuo lopputilat kuitenkin sisältävät paradokseja, jotka pitävät fyysikot valveilla: äärettömän suuri tiheys, fysiikan lakien pettäminen ja läpäisemätön verho, jonka tuolla puolen ei voi havaita mitään.

Tervetuloa gravastariin, lyhenne gravitaatiotyhjiötähdestä. Ajattele sitä äärivaihtoehtona: kompaktina kappaleena, lähes yhtä tiheänä kuin musta aukko mutta ilman tapahtumahorisonttia tai singulariteettia. Idea perustuu sisätilaan, joka ei ole täynnä murskattuja atomeja vaan pimeää energiaa muistuttava aine, joka työntyy ulospäin ja jota vastapainona ympäröi sisäänpäin painava tavallisen aineen kuori.

Vuosia gravastarit olivat eleganttia spekulaatiota. Puuttuva palanen oli uskottava syntyhistoria. Miten romahtava tähti vaihtuu tavallisesta aineesta sisätilaksi, joka käyttäytyy kuin laajeneva avaruuden alue? Juuri tuohon kysymykseen Daniel Jampolski ja professori Luciano Rezzolla Goethe-yliopistosta Frankfurtista pyrkivät vastaamaan.

Läpimurto syntyy Einsteinin kenttäyhtälöiden ratkaisemisesta dynaamisessa tilanteessa. Jampolski, joka työskenteli pro gradu -tutkielmassaan Rezzollan ohjauksessa, löysi ratkaisun, jossa pieni universumi räjähtää olemassaoloon romahtavan tähden ytimen sisällä. Pieni alkuräjähdys, voisi sanoa. Tämä nuori kosmos laajenee pimeää energiaa muistuttavan paineen voimalla ja työntää vastaan putoavaa tähtimateriaalia. Tulos: romahdus voidaan pysäyttää ennen kuin horisontti tai singulariteetti ehtii muodostua.

Lyhyitä lauseita ja sitten pitkiä. Kuvasta tulee elävä. Romahteleva tähti muuttuu näyttämöksi, jossa kaksi voimaa mittelöivät: sisäänpäin vetävä painovoima vastaan sisäinen laajeneminen. Aluksi laajeneminen lymyää näkymättömänä, puhkeaa kukkaan vasta kun aine on puristunut äärirajoille. Mutta kasvaessaan se toimii vastapainona. Ajan myötä laajeneminen ja ympäröivä aine asettuvat kvasi-stabiiliin tasapainoon, jolloin syntyy kappale, joka kaukaa katsottuna näyttää harhauttavasti mustalta aukolta mutta on sisäisesti perustavanlaatuisesti erilainen.

Tämä työ tarjoaa ensimmäisen eksplisiittisen dynaamisen reitin tavallisesta tähtien romahduksesta gravastaria muistuttavaan päätepisteeseen. Väite on tärkeä. Teoreettisia vaihtoehtoja on ollut olemassa vuosikymmeniä, mutta mekanismi, joka perustuu Einsteinin yhtälöiden kokonaiseen epälineaarisuuteen, on harvinainen. Se antaa fyysikoille jotain konkreettista testattavaksi simulaatioissa ja vertailtavaksi astronomisiin havaintoihin.

Tietenkin kuva on toistaiseksi alustava. Äärimmäisissä tiheyksissä vallitsevan aineen fysiikka, sellainen kuin juuri ennen tämän miniuniversumin syttymistä vallitseva, on hämärän peitossa. Eksoottiset aineen olomuodot, kvanttigravitaation vaikutukset tai tuntemattomat vuorovaikutukset voivat muuttaa kehityskulkua. Jampolski itse huomauttaa, että sisäinen alkuräjähdys on helpointa kuvitella romahduksen myöhäisessä vaiheessa, kun puristuminen on muovannut olosuhteet sellaisiksi, joita emme voi toistaa laboratoriossa.

Rezzolla korostaa varovaisesti, että vaihtoehtojen ehdottaminen ei tarkoita mustien aukkojen hylkäämistä. Mustat aukot ovat edelleen yksinkertaisin ja menestynein malli monille havaituille kompakteille kohteille. Tieteellinen edistys kuitenkin usein syntyy eksoottisten ajatusten pohtimisesta ja niiden vertaamisesta havaintoihin. Voisivatko jotkut havaitut mustien aukkojen ehdokkaat ollakin gravastareja? Jos voisivat, miten niiden gravitaatioaaltosignaalit tai varjokuvat poikkeaisivat kanonisista ennusteista? Nuo ovat kysymyksiä, joihin havainnoilla voi antaa vastauksen.

Elämme aikaa, jolloin teoria ja havainnot voivat kaventaa kuilua. Gravitaatioaaltodetektorit, horisontin mittakaavan kuvantaminen ja korkeaenerginen astrofysiikka terävöittävät näkökenttäänsä. Jos gravastari piileskelee havaintokatalogeissa, sen sormenjäljet voivat olla hienovaraisia mutta havaittavissa: pieniä poikkeamia aaltomuodon kaikujen muodossa, hieman muuttunut valon taivutus pinnan lähellä tai jäännöskuoren epätavallinen jäähtymiskäyttäytyminen.

Onko luonnossa gravastareja todella syntyy, on yhä epäselvää. Mutta ajatus siitä, että kuoleva tähti voisi istuttaa uuden, kompaktin avaruusaikapläntin, tuntuu sellaiselta idealta, joka ohuistaa rajaa spekulaation ja löytämisen välillä. Seuraa simulaatioita ja seuraavan sukupolven havaintoja; ne kertovat meille, päättyvätkö tähdet joskus kuiskaukseen vai pieneen, itsepäiseen pamaukseen.