Wszechświat powoli wyparowuje - nowe badanie zmienia nasze pojęcie o wieczności gwiazd

Od dziesięcioleci astrofizycy byli przekonani, że pozostałości po zmarłych gwiazdach, takie jak gwiazdy neutronowe czy białe karły, stanowią jeden z najbardziej stabilnych elementów architektury kosmosu. Według powszechnie przyjętych modeli, te niezwykle gęste obiekty miały istnieć w niezmienionej formie przez praktycznie nieskończony czas, chłodząc się powoli w rozszerzającym się Wszechświecie. Najnowsze badania międzynarodowego zespołu naukowców, na czele którego stoi Michael F. Wondrak z Uniwersytetu Radboud w Holandii, rzucają jednak zupełnie nowe światło na ostateczny los tych ciał niebieskich. Okazuje się, że nawet bez horyzontu zdarzeń, charakterystycznego dla czarnych dziur, pozostałości gwiezdne podlegają procesowi nieuchronnej destrukcji.

Rewolucyjne wnioski płyną z analizy zjawisk kwantowych zachodzących w silnie zakrzywionej czasoprzestrzeni. Dotychczas powszechnie uważano, że specyficzne promieniowanie termiczne, nazwane promieniowaniem Hawkinga, jest domeną wyłącznie czarnych dziur. Stephen Hawking przewidział w 1974 roku, że czarne dziury emitują cząstki i tracą masę w wyniku kwantowej produkcji par cząstka-antycząstka w bezpośrednim sąsiedztwie horyzontu zdarzeń. To odkrycie stało się fundamentem do rozważań na temat paradoksu informacji, który zadaje pytanie o los informacji o materii wchłoniętej przez czarną dziurę. Jeśli obiekt wyparuje całkowicie, informacja ta wydaje się być bezpowrotnie utracona, co stoi w sprzeczności z zasadami mechaniki kwantowej.

Nowa praca badawcza sugeruje, że horyzont zdarzeń wcale nie jest warunkiem koniecznym do wystąpienia tego zjawiska. Naukowcy wykazali, że samo zakrzywienie czasoprzestrzeni, generowane przez masywne ciało, może działać jak niewidzialny generator cząstek. Oznacza to, że każdy obiekt o dużej gęstości, w tym gwiazdy neutronowe i białe karły, powinien stopniowo tracić masę poprzez emisję par cząstek, takich jak fotony czy hipotetyczne grawitony. Proces ten, określany mianem grawitacyjnej produkcji par, sprawia, że żadne masywne ciało we Wszechświecie nie jest w rzeczywistości wieczne.

Aby zweryfikować tę hipotezę, zespół badawczy stworzył teoretyczny model gwiazdy o symetrii sferycznej i stałej gęstości, wykorzystując narzędzia teorii pola kwantowego w zakrzywionej czasoprzestrzeni. Uzyskane wyniki są jednoznaczne: obiekty te rzeczywiście ulegają powolnemu parowaniu. Kluczowym czynnikiem wpływającym na tempo tego procesu okazuje się gęstość obiektu. Im ciało jest gęstsze, tym szybciej traci swoją masę. Dla gwiazd neutronowych, których gęstość jest zbliżona do gęstości czarnych dziur, czas życia wynosi około 10⁶⁸ lat. Jest to czas niewyobrażalnie długi, porównywalny z czasem istnienia najmniejszych czarnych dziur.

W przypadku białych karłów, które posiadają niższą gęstość, proces ten przebiega znacznie wolniej, a szacowany czas ich parowania wydłuża się do 10⁷⁸ lat. Dla porównania, supermasywne czarne dziury, takie jak ta znajdująca się w centrum galaktyki M87, mogą przetrwać nawet 10⁹⁶ lat. Co zadziwiające, model ten zastosowano nawet do Ziemi i jej Księżyca. Zgodnie z obliczeniami, nasz naturalny satelita zniknie w wyniku tego zjawiska za około 10⁸⁹ lat, a rozproszone obłoki gazu międzygwiazdowego mogą potrzebować na wyparowanie aż 10¹²⁷ lat.

Oczywiście, te ramy czasowe mają charakter czysto teoretyczny i są znacznie dłuższe niż obecny wiek Wszechświata. W rzeczywistych warunkach astrofizycznych procesy takie jak akrecja, czyli pochłanianie materii z otoczenia, mogą znacznie przewyższyć tempo utraty masy wynikające z efektów kwantowych. Oznacza to, że w praktyce obiekty te mogą "dożyć" znacznie dłużej, niż sugeruje sam mechanizm parowania. Niemniej jednak, odkrycie to ma fundamentalne znaczenie dla fizyki teoretycznej.

Autorzy badania podkreślają, że ich model jest uproszczony – nie uwzględnia na przykład rotacji obiektów ani ich złożonej struktury wewnętrznej. Mimo to, pokazuje on, że grawitacyjne parowanie jest uniwersalnym i nieuniknionym zjawiskiem. W końcowej fazie istnienia obiekt może stać się niestabilny i eksplodować, uwalniając energię w postaci neutrin i cząstek wysokoenergetycznych. Jeśli teoria zostanie potwierdzona przez dalsze badania, może stanowić ważny krok w kierunku rozwiązania paradoksu informacyjnego czarnych dziur i budowy kompletnej teorii grawitacji kwantowej. Jak wyjaśnia astrofizyk Heino Falcke, jeden z autorów artykułu, zakrzywienie czasoprzestrzeni powoli "roztapia" gwiazdy, dowodząc, że nawet w skali kosmicznej nie ma czegoś takiego jak absolutna trwałość.

Źródła:

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad88... 

https://repository.ubn.ru.nl/bitstream/handle/2066/319240... 

https://arxiv.org/html/2410.14734v2 

https://www.creationresearch.org/review-stellar-remnants-... 

https://www.youtube.com/watch 

https://www.researchgate.net/publication/391678528_An_upp...