Las gravastars, hipotéticas alternativas a los agujeros negros, podrían terminar encajadas unas dentro de otras como una muñeca matrioska rusa, según nuevos cálculos que combinan la mecánica cuántica con la teoría general de la relatividad de Einstein. Si tales objetos exóticos existen, podrían revelar su presencia en señales de ondas gravitacionales.

Los agujeros negros se forman por el colapso gravitacional de una gran estrella, o posiblemente de una nube de gas, en una pequeña región donde la gravedad es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar.

En 2001, los físicos radicados en Estados Unidos Pawel Mazur y Emil Mottola demostró que, en teoría, otro objeto podría formarse de tal colapso. Lo hicieron combinando las ecuaciones de campo de Einstein (que describen cómo la materia y la energía afectan la geometría del espacio-tiempo) con la mecánica cuántica. Su análisis reveló que las fluctuaciones cuánticas podrían impedir la formación de una singularidad de agujero negro durante las etapas finales del colapso gravitacional, al menos en principio. Más bien, se formaría un tipo nuevo y extraño de objeto llamado gravastar.

Sin horizonte de eventos

Gravastar es una contracción de una estrella condensada de vacío gravitacional. En cierto modo, un gravastar es como un agujero negro. Ambos tienen campos gravitacionales extremadamente fuertes y ambos pueden emitir radiación de Hawking. Sin embargo, una gravastar no tiene una singularidad en su corazón, ni un horizonte de sucesos más allá del cual la luz, la materia y la información puedan pasar pero nunca regresar.

En cambio, una gravastar es una burbuja del espacio de Sitter, que es una descripción matemática del espacio lleno de energía negativa. Como tal, proporciona un modelo simple que es consistente con un universo en expansión impulsado por energía oscura. En el modelo gravastar convencional, esta burbuja del espacio de De Sitter se crea inicialmente mediante fluctuaciones cuánticas y está limitada por una capa de materia infinitamente delgada.

"El espacio-tiempo de De Sitter quiere expandirse, pero en una gravastar está rodeado por una capa de materia que, en cambio, quiere colapsar", dice Luciano Rezolla, catedrático de astrofísica teórica en la Universidad Goethe de Frankfurt. "Equilibrar los dos comportamientos opuestos conduce a un gravastar estable".

gravastars anidados

Ahora, el estudiante de posgrado de Rezolla, Daniel Jampolski, ha encontrado una nueva solución a las ecuaciones de campo que describe cómo dos o más gravastars pueden anidarse uno dentro del otro como una muñeca Matryoshka cósmica.

Jampolski y Rezolla llaman a este fenómeno nestar, que es la abreviatura de estrella anidada. La estructura interior de un nestar presentaría una burbuja de espacio de Sitter, rodeada por una capa de materia, que luego está rodeada por otro volumen de espacio de Sitter que está encerrado por otra capa de materia, y así sucesivamente. Además, en lugar de ser infinitamente delgadas, las capas de materia podrían tener un espesor sustancial, llegando en algunos casos a prácticamente todo el radio del nestar.

“Hay algunas configuraciones de Nestar que están dadas por un interior de De Sitter infinitamente pequeño – solo un punto – seguido por un interior de materia que esencialmente llena todo el Nestar, y luego hay dos capas delgadas cerca de la superficie, una hecha de espacio de Sitter. –el tiempo, el otro de la materia”, cuenta Rezzolla Mundo de la física. "Debido a que en este caso la nestar estaría compuesta principalmente de materia, su formación puede ser menos exótica que en el caso de un interior completo de De Sitter".

Sin embargo, los gravastars siguen siendo hipotéticos sin evidencia observacional de que existen, lo que debería llevar a cierta precaución, dice Paolo Pani, profesor de física teórica en la Universidad Sapienza de Roma, que no participó en el estudio.

"Una pregunta fundamental es cómo se pueden formar dinámicamente tales soluciones (gravastars ordinarias o anidadas), ya que actualmente no tenemos un modelo consistente", dice Pani.

Sonando como una campana

Sin embargo, no saber cómo se forman los gravastars no excluye su existencia. De hecho, podrían existir en sistemas binarios compactos que se fusionen y produzcan ondas gravitacionales.

Cuando dos objetos masivos compactos (como agujeros negros o estrellas de neutrones) entran en espiral entre sí, emiten una señal de onda gravitacional distintiva llamada chirrido. Cuando los objetos se fusionan para crear un agujero negro, las ondas gravitacionales que se emiten se asemejan al repique de una campana que se desvanece. Los detectores de ondas gravitacionales LIGO-Virgo-KAGRA han observado tanto el chirrido como el timbre de tales fusiones.

Una fusión de este tipo también podría crear un gravastar o un nestar, y Jampolski y Rezolla dicen que estos tendrían señales de llamada distintivas. Rezolla añade: "Una nestar sonaría de manera diferente que una gravastar de la misma masa debido a su estructura interna". Específicamente, las diversas capas donde la materia y la interfaz espacial de De Sitter oscilarían de una manera particular, distinta de una gravastar normal.

Con 90 eventos de ondas gravitacionales Habiendo sido detectado hasta el momento, y otra ejecución de observación actualmente en curso, ha habido muchos datos para buscar una firma gravastar.

"Todas las observaciones de ondas gravitacionales hasta ahora son coherentes con la hipótesis de que se trata de agujeros negros o estrellas de neutrones", afirma Pani. “Sin embargo, es difícil medir con precisión el ringdown”, añade, lo que deja cierto margen de incertidumbre.

Calentar la cáscara

Otra forma en que una gravastar podría revelarse es mediante la acumulación de materia en su superficie. En el caso de un agujero negro, la materia y la luz desaparecen más allá del horizonte de sucesos, que es lo que el Telescopio del horizonte del evento vio cuando tomó imágenes de las “sombras” de los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias M87 y la Vía Láctea. Los Gravastars se diferencian en que no tienen horizonte. Si bien algo de materia podría atravesar la capa exterior para ser absorbida por el espacio-tiempo interior de De Sitter, más materia podría impactar la capa superficial, haciéndola más gruesa y provocando que se caliente y emita luz. Si el Telescopio del Horizonte de Sucesos alguna vez obtuviera imágenes de una gravastar en acreción activa, vería esta emisión, aunque muy desplazada al rojo por la gravedad.

Rezzolla admite que, si bien las matemáticas podrían funcionar, todavía se nos escapa un modelo físico que describa cómo podrían existir en realidad los gravastars y nestars.

"Realmente no tenemos una buena idea sobre cómo se forman los gravastars [y] dado que sabemos tan poco sobre la materia que los constituye, estas suposiciones son difíciles de probar", dice Rezzolla.

Jampolski y Rezzolla describen en la revista su nueva solución a las ecuaciones de campo de Einstein Gravedad Clásica y Cuántica.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/could-gravastars-be-nested-inside-one-another-like-a-russian-doll/