ブラックホールの代替理論「グラバスター」はこんな姿をしている?

masapoco
投稿日
2024年2月20日 10:56
darkstar

一般相対性理論の中心的な予測のひとつは、最終的には重力が勝つというものだ。星は重力に対抗するために水素を融合して新しい元素を作り、一時的に重力に対抗することができる。電子と中性子は重力に対抗するために圧力をかけるが、その一定の引力に対する安定性によって、白色矮星や中性子星が持てる質量は制限される。この全ては、より多くの質量を集めることで対抗できる。約3太陽質量を超えると、重力が他のすべての力に打ち勝ち、質量はブラックホールに崩壊する。

ブラックホールの存在を証明する理論的、観測的証拠は数多くあるが、ブラックホールの理論に問題がないわけではない。ひとつは、一般相対性理論によれば、質量は物理法則が崩壊する無限に密度の高い特異点まで圧縮される。この特異点は事象の地平面によって覆われており、ブラックホールに食い尽くされたものは戻れない。この2つには問題があるため、それに代わるものを見つけようとする長い歴史がある。特異点と事象の地平面が形成されないようなメカニズムである。

そのひとつが、重力真空星あるいは重力凝縮星、通称グラバスター(gravastar)である。これは2001年に初めて提案されたもので、宇宙のエネルギーのほとんどが通常の物質でもダークマターでもなく、ダークエネルギーであるという事実を利用している。ダークエネルギーは宇宙膨張の原動力であるため、おそらく高密度の重力崩壊に対抗できるだろう。

当初のグラバスター・モデルは、通常の物質の薄い殻に囲まれたダークエネルギーのボース・アインシュタイン凝縮体のようなものが提案されていた。内部の凝縮体によってグラバスターに特異点がないことが保証され、一方、高密度の物質の殻によって、グラバスターが外から見るとブラックホールに似ていることが保証される。面白いアイデアだが、中心的な問題が2つある。ひとつは、特にグラバスターが回転している場合、殻が不安定になることだ。安定するように微調整する方法はあるが、そのような理想的な条件は自然界では起こりそうにない。2つ目の問題は、重力波による大天体合体の観測は、標準的なブラックホールモデルを裏付けているということだ。しかし、新しいグラバスターモデルなら、これらの問題のいくつかを解決できるかもしれない。

この新しいモデルは、基本的に複数のグラバスターをマトリョーシカ人形のように入れ子にしたものだ。エキゾチックなダークエネルギーを囲む単一の殻ではなく、ダークエネルギーを挟んだ殻が何層にも入れ子になっている。著者らはこのモデルをネスター(nestar)入れ子のグラバスターと呼んでいる。この代替モデルは、ダークエネルギーの張力と殻の重さがより釣り合うため、グラバスターをより安定させる。また、ネスターの内部構造は、ネスターとブラックホールの重力波がより似ていることを意味し、技術的にはその存在を否定することはできない。

とはいえ、著者たちも、ネスターを発生させる可能性のあるシナリオはないと述べている。それらは存在しない可能性が高く、我々がブラックホールとして観測しているものが真のブラックホールであることはほぼ確実である。しかし、今回のような研究は、一般相対性理論の限界を試すには最適である。一般相対性理論の枠内で何が可能かを理解する助けになり、ひいては重力物理学をより深く理解する助けになるのだ。


論文

研究の要旨

ブラックホールは通常、重力崩壊の終着点というイメージが強い。しかし、その代替案も提案されており、特に興味深いのは重力凝縮星(グラバスター)である。われわれはここでグラバスター・モデルを再検討し、異方的圧力を持つグラバスターのオリジナル・モデルに触発されつつも、驚くべき新機能を持つ新しい解を考察することによって、推測の度合いを高める。特に、2つのグラバスターを互いに入れ子にして、アインシュタイン方程式の新しい解を得ることが可能であることを示す。それぞれの重力スターは本質的に異なる自己重力平衡として振る舞うので、入れ子になった重力スターを構築するためには、大きく豊かなパラメータ空間が存在する。さらに、これらの入れ子型グラバスターの解は、簡単な再帰的関係で規定される処方で、任意の数の殻に拡張できることを示す。これらの超コンパクトな物体は非常にエキゾチックであることは認めるが、発見された解のいくつかは、特異点のない起源、完全な物質内部、時間のような物質表面、そしてコンパクトさを持つことによって、ブラックホールに代わる興味深い解を提供する。


この記事は、BRIAN KOBERLEIN氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。



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