D'étranges « étoiles de poupées russes » prédites avec les équations de la relativité générale d'Einstein


Une solution récemment développée aux équations au cœur de la théorie la plus révolutionnaire d'Albert Einstein suggère que des étoiles hypothétiques appelées « nestars » pourraient être fabriquées à partir d'étoiles gravitationnelles empilées, ou « gravastars », comme les poupées de thé russes, également connues sous le nom de poupées matriochka.

L’une des choses les plus impressionnantes de la théorie de la gravité d’Einstein de 1915, la relativité générale, est le nombre incroyable d’objets cosmiques que ses équations centrales ont prédit.

En plus de prédire que la gravité résulte d'objets de masse courbant le tissu de l'espace-temps, la relativité générale a engendré des théories sur les trous noirs et les ondulations qu'ils créent dans ce tissu appelées ondes gravitationnelles. L’existence de ces deux choses a été confirmée par l’observation ; Les trous anti-noirs appelés trous blancs et les « trous de ver » qui les relient potentiellement aux trous noirs sont d'autres idées basées sur la relativité générale qui sont cependant restées purement théoriques. Seul le temps nous dira si Einstein pourra à nouveau avoir raison sur ce front.

À cette fin, une autre idée théorique issue de la relativité générale en 2001 est le concept de « gravistars », ou corps compacts dotés de noyaux d’énergie sombre. L'énergie sombre est la force qui semble accélérer l'expansion de l'univers. Dans les gravastars, les scientifiques pensent que l’énergie noire exercerait une pression négative pour protéger les étoiles contre leurs propres forces gravitationnelles intérieures.

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Et maintenant, une nouvelle solution à la relativité générale suggère un autre aspect intéressant de ces soi-disant gravistars. Ils pourraient être empilés les uns dans les autres pour créer une séquence de « nestars ».

« Le nestar est comme une poupée matriochka ; notre solution aux équations de champ permet de créer toute une série de gravistars imbriquées », a déclaré l'un des développeurs de la solution, Daniel Jampolski, physicien théoricien à l'Université Goethe, dans un communiqué.

Rencontrez des gravastars (comme des trous noirs, mais différents)

Juste un an après que la théorie de la relativité générale ait été diffusée auprès de la communauté scientifique au sens large, et alors qu'il était en première ligne de la Première Guerre mondiale, le physicien allemand Karl Schwarzschild a développé la première solution à ses équations de champ, stupéfiant même Einstein qui croyait qu'une solution prendrait du temps. années pour se développer.

La solution de Schwarzschild contenait deux caractéristiques qui donneraient naissance au concept de trou noir. Le physicien allemand a prédit qu’à un certain rayon d’un corps ayant une masse, la vitesse nécessaire pour s’échapper de ce corps devrait augmenter jusqu’à dépasser la vitesse de la lumière.

Pour la plupart des corps, ce soi-disant rayon de Schwarzschild serait profondément sous leur surface ; pour le soleil, par exemple, il serait situé à 3 kilomètres du cœur de notre étoile, qui a un rayon global de 434 000 milles (700 000 kilomètres). Mais si une étoile pouvait s'effondrer et que son rayon diminuait en dessous du rayon de Schwarzschild, cela donnerait un corps avec un extérieur frontière d’où même la lumière ne pouvait s’échapper. Cela a conduit au concept d’horizon des événements de trou noir.

Plus curieusement encore, la solution de Schwarzschild suggérait qu'il pourrait y avoir un point où la matière serait si dense que même les équations de la relativité générale elles-mêmes devraient s'effondrer. C’est ce qui est devenu connu comme la singularité centrale d’un trou noir, où toutes les théories physiques connues cessent d’avoir du sens.

Ces concepts ont été vérifiés en 1971 lorsque l'humanité a découvert le premier trou noir, suivi dans les années 2000 par la découverte qu'une puissante source radio au cœur de la Voie lactée est bien un trou noir supermassif d'une masse 4,5 millions de fois supérieure à celle du soleil. Cet énorme vide dans notre galaxie s'appelle Sagittaire A* (Sgr A*.)

La forme visuelle des trous noirs, telle que peinte par la relativité générale, a également été incroyablement confirmée en 2019 lorsqu'une image d'un anneau de matière brillant autour du trou noir supermassif au cœur de la galaxie Messier 87 a été révélée au public par Event Horizon. Collaboration au télescope.

Le télescope Event Horizon a capturé cette image du trou noir supermassif au centre de la galaxie M87, confirmant l'image des trous noirs peinte par la relativité générale.

Les gravistars, ou « étoiles gravitationnelles à condensats », ont été théorisées par Pawel Mazur et Emil Mottola en 2001 comme alternative aux trous noirs.

Du point de vue des physiciens théoriciens, les gravistars présentent plusieurs avantages par rapport aux trous noirs. Ils sont presque aussi compacts que les trous noirs et ont une influence gravitationnelle à leur surface qui est essentiellement aussi forte que celle d'un trou noir, présentant ainsi une forte ressemblance. Mais il existe des différences essentielles. D’une part, les gravistars n’ont pas d’horizons d’événements et ne scellent donc pas la lumière, et donc les informations, derrière un « écran » à sens unique. Deuxièmement, il n’y aurait pas de singularité au cœur des gravistars, qui auraient plutôt un cœur d’énergie sombre.

Cette recette de gravastars concoctée par Mazur et Mottola comprend une peau presque infiniment fine de matière ordinaire difficile à expliquer pour les scientifiques. Les Nestars suppriment cela, suggérant que le bit « empilement » conduirait à une coque de matière un peu plus épaisse.

« Il est un peu plus facile d'imaginer que quelque chose comme ça puisse exister », a déclaré Jampolski.

Bien sûr, ce n’est pas parce que les équations du champ de la relativité générale permettent à un objet d’exister dans le cosmos que cet objet doit exister.

« Malheureusement, nous n'avons toujours aucune idée de la façon dont un tel gravastar pourrait être créé », a déclaré Luciano Rezzolla, co-développeur de la théorie Nestar et physicien théoricien de l'Université Goethe, dans le communiqué. « Mais même si les nestars n'existent pas, l'exploration des propriétés mathématiques de ces solutions nous aide finalement à mieux comprendre les trous noirs. »

Des recherches comme celle-ci sont également utiles, même si la théorie principale ne se concrétise pas, car elles révèlent de merveilleuses avenues nées d'une théorie qui a été envisagée pour la première fois il y a plus d'un siècle.

« C'est formidable que même 100 ans après que Schwarzschild ait présenté sa première solution aux équations de champ d'Einstein issues de la théorie de la relativité générale, il soit encore possible de trouver de nouvelles solutions », a conclu Rezzolla. « C'est un peu comme trouver une pièce d'or sur un chemin qui a déjà été exploré par beaucoup d'autres. »

Cette recherche a été publiée le 15 février dans la revue Classical and Quantum Gravity.

Initialement publié sur Espace.com.

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