Un nou model per a gravastars

La gravetat és, sens dubte, una força molt diferent a totes les altres. Entre altres coses és la més feble de totes les forces. Només cal fregar un tros de plàstic amb un drap perquè atregui per electricitat estàtica a petits trossos de paper, davant de la gravetat provocada per un planeta sencer. L'electromagnetisme és molt més poderós que la gravetat, a més permet l'existència d'àtoms, de molècules, de química i de la vida. La força forta permet l'existència dels nuclis atòmics i de les reaccions nuclears. Sense aquesta força no hi hauria elements, només una sopa de partícules. La força nuclear feble és responsable de les desintegracions i, encara que és concebible un Univers amb vida sense ella, també és fonamental.

Però la força que construeix l'Univers a gran escala és la gravetat. Potser, el problema dels últims 100 anys de la Física teòrica hagi estat desenvolupar una teoria del tot en què la gravetat estigui en peu d'igualtat a les altres forces. Potser tot plegat sigui un producte de la nostra ment, dels nostres prejudicis de d'anomenar força a ens que són molt diferents.
Tot i que la gravetat és dèbil, el creixement de massa-energia fa que aquesta força acabi al final guanyant a qualsevol altra cosa, excepte, potser, a l'energia fosca.
En una estrella hi ha tal acumulació de massa que la gravetat és immensa. Una estrella és una esfera de plasma en equilibri. L'agitació de les partícules de l'interior, a causa de l'elevadíssima temperatura, provoca una pressió cap a l'exterior que contraresta la gravetat i impedeix el col·lapse. Si l'estrella es refreda, la gravetat contreu l'estrella i augmenta la temperatura del seu nucli.

L'estrella pot anar passant a fusionar elements cada vegada més pesats fins que no pot més. Si es tracta d'una estrella lleugera com el Sol, o encara més petita, acaba sortint de la seqüència principal i es torna una geganta vermella, mentre que el seu nucli es transformarà en una nana blanca que finalment serà una nana negra un cop es refredi del tot.
Si té suficient massa, les reaccions de fusió arriben fins al ferro, la fusió no proporciona energia i, per tant, no es genera calor i no es pot impedir el col·lapse per gravetat. Part de la massa en caiguda lliure rebota empesa amb un gran flux de neutrins en el que constitueix una supernova de tipus II. La resta tindrà un final que dependrà de la massa restant del romanent que hagi quedat. Si és poca massa s'obté un estel de neutrons, bàsicament un objecte d'uns 10 km amb una densitat de nucli atòmic sota una gravetat intensíssima. Les partícules de l'estrella de neutrons (bàsicament neutrons) impedeixen el col·lapse a causa del principi d'exclusió de Pauli a ser fermions.

Però si la massa és superior a aquesta massa, llavors se suposa que no hi ha res que impedeixi el col·lapse total i es forma un forat negre, una singularitat de densitat infinita voltant de la qual la curvatura de l'espai també s'ha fet infinita i que estigui envoltada per un horitzó de successos que impedeix a la resta de l'Univers contemplar aquesta singularitat. A causa de la curvatura de l'espai que envolta al forat, bàsicament amb forma d'embut afilat, res a encreuament l'horitzó pot tornar a sortir, ni tan sols la llum.
Un forat negre sembla l'inevitable fi de les estrelles de gran massa. L'únic més enllà d'una estrella de neutrons és el forat negre. No obstant això, des de fa un parell de dècades es ve especulant amb la possibilitat d'un cas intermedi: 1 gravastar o un estel negre, uns objectes ultradensos i iguals a un forat negre en aparença, però sense singularitat central ni horitzó de successos. La paraula gravastar és un acrònim de l'anglès (Gravitational Vacuum Star, estrella de buit gravitacional).

En principi es van suggerir aquests ens com una solució al problema de destrucció d'informació que representen els forats negres i tema sobre el qual, a dia d'avui, no hi ha una solució satisfactòria.
La qüestió és si realment aquest tipus d'objectes es poden formar i com. Per a això es necessita algun mecanisme que pari el col·lapse irremeiable.
Ara, Raúl Carballo-Rubio (Escola Internacional d'estudis avançats d'Itàlia) publica un estudi que proporciona un nou model que podria permetre l'existència d'una alternativa als forats negres.
Com tots sabem ja, la teoria quàntica de camps permet l'existència fluctuant de partícules virtuals que omplen l'espai i que apareixen i desapareixen contínuament. D'aquesta manera, el buit no està buit del tot.
En estudis previs es va comprovar que sota les energies implicades en els col·lapses abans descrits, aquestes partícules virtuals poden polaritzar i disposar-entre elles segons les seves propietats a la manera com ho poden fer un conjunt d'imants.
Carballo-Ros va calcular que la polarització d'aquestes partícules pot produir un efecte col·lateral que generaria una força que és de repulsió en lloc d'atracció, alguna cosa similar a com funciona l'energia fosca. Aquesta força impediria el col·lapse total i la formació d'un forat negre tradicional. En el seu lloc es produiria un gravastar.
L'efecte repulsiu es basa en que quan les partícules virtuals estan polaritzades, el buit que ocupen té energia negativa i aquesta energia negativa corba l'espai en sentit contrari a la massa-energia tradicional.
En altres models previs s'arribava a dos casos diferents. En un d'ells un buit d'aquest tipus que estaria envoltat d'una petxina de matèria, en el que seria un gravastar pròpiament dit. Un altre model suggeria un objecte constituït matèria i energia de buit entrellaçats formant el que s'ha anomenat una estrella negra. En tots dos casos es tractaria d'objectes molt densos que curvarien fortament l'espai que els envoltés, afectat a la llum que passés a prop. Serien bastant indistingibles d'un forat negre tradicional, sobretot per la seva negror.

El model de Carballo-Ros dóna com a resultat un objecte mixt o híbrid entre aquests dos objectes, un en què la matèria i el buit quàntic polaritzat s'estenen per l'espai, però amb la matèria més concentrada en la capa externa que en el nucli central.
Aquest resultat proporciona una nova solució a les equacions d'Einstein de la Relativitat General per objectes ultradensos en col·lapse que són diferents a les típiques dels forats negres i que no presenta singularitats ni horitzons de successos.
Potser aquest tipus d'objectes exòtics siguin matemàticament possibles, això no vol dir necessàriament que hi hagi a la Natura. No està clar que un romanent estel·lar pugui evolucionar fins a tenir aquest tipus d'estructura. I, si s'arriba, tampoc està clar que sigui estable i que més tard no es produeixi un col·lapse cap a un forat negre. A més, no se sap si l'efecte és o no prou intens com per permetre la suficient pressió que s'oposi a la gravetat.
La millor manera de comprovar si aquest tipus d'objectes existeixen en la realitat és a través de les ones gravitacionals (OG) que es generarien en el xoc entre dos d'ells i que es podrien detectar ara amb LIGO i Virgo. En no haver-hi horitzó de successos en aquest cas, les OG generades rebotarien sobre ells (en lloc de ser absorbides), produint ecos que podrien ser registrats. Ecos que en els esdeveniments detectats fins ara no s'han vist, però que es podran veure en el futur.

Font: Cornell University Library