ستاره‌های منجمد؛ فرضیه‌ای جدید برای توجیه ماهیت سیاه‌چاله‌ها

سیاه‌چاله‌ها منابع عظیم گرانشی هستند که وجودشان در نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی شده است. این اجرام دارای منطقه‌ای بیرونی به نام افق رویداد هستند که از این نقطه هیچ چیز حتی نور نمی‌تواند بگریزد. به‌علاوه، براساس پیش‌بینی‌ها سیاه‌چاله‌ها نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت دارند که در آن‌ها درک فعلی ما از فیزیک نقض می‌شود.

همچنین مسئله‌ای به نام تناقض اطلاعاتی سیاه‌چاله وجود دارد. اگر سیاه‌چاله‌ای دارای جرم باشد (که مقدار زیادی از آن را دارد) براساس قانون اول ترمودینامیک می‌تواند دما داشته باشد و هم‌راستا با قانون دوم ترمودینامیک باید از خود گرما منتشر کند.

استیون هاوکینگ نشان داد که سیاه‌چاله‌ها نیز پرتوهایی منتشر می‌کنند که در مرز سیاه‌چاله شکل می‌گیرند. این نظریه امروزه با عنوان تابش هاوکینگ شناخته می‌شود. ژان پیر لومینت، اخترفیزیکدان فرانسوی در مقاله‌ی سال ۲۰۱۶ توضیح می‌دهد:

هاوکینگ به یک تناقض اشاره می‌کند. اگر سیاه‌چاله بتواند تبخیر شود، بخشی از اطلاعات درون آن برای همیشه از بین می‌روند. اطلاعات درون پرتوهای گرمایی منتشرشده از سیاه‌چاله رو به زوال می‌روند. سیاه‌چاله اطلاعات مربوط به مواد بلعیده‌شده را دوباره پدید نمی‌آورد. ازدست‌رفتن بازگشت‌ناپذیر اطلاعات در تضاد با یکی از مبانی بنیادی مکانیک کوانتوم است. براساس معادله شرودینگر، سیستم‌های فیزیکی که درطول زمان تغییر می‌کنند نمی‌توانند اطلاعات را ایجاد کنند یا از بین ببرند. به این خاصیت یکپارچگی می‌گویند.

به‌طور خلاصه، احتمالا چیزی را از قلم انداخته‌ایم. از زمانی که کارل شوارتزشیلد در سال ۱۹۱۵، فرضیه سیاه‌چاله غیرچرخان را مطرح کرد، فیزیکدان‌ها به طور پیوسته در حال کار روی این معما هستند.

با اینکه می‌دانیم اجرام سیاه‌چاله‌مانند وجود دارند، برخی فیزیکدان‌ها توضیح‌های جایگزینی برای سیاه‌چاله‌ها دارند. براساس یک مدل، این اجرام در واقع سیاه‌چاله‌هایی نیستند که برای اولین‌بار در معادلات اینشتین توصیف شدند، بلکه اجرام فرافشرده (UCO) موسوم به ستاره‌های منجمد هستند (گرچه قدمت فرضیه‌ی سیاه‌چاله به بیش از ۱۰۰ سال پیش از اینشتین بازمی‌گردد). به گفته‌ی رمی بروستین، استاد فیزیک:

ستاره‌های منجمد نوعی مقلد سیاه‌چاله هستند: اجرام اخترفیزیکی فرافشرده که تکینگی و افق ندارند بلکه تمام خواص دیدنی سیاه‌چاله‌ها را تقلید می‌کنند. اگر این اجرام وجود داشته باشند، نیاز به تغییرات بنیادی در نظریه‌های نسبیت عام اینشتین را نشان می‌دهند.

یکی از روش‌هایی که فیزیکدان‌ها برای پیشگیری از تکنیگی (مناطقی با چگالی بی‌نهایت داخل سیاه‌چاله) به کار می‌برند استفاده از اصل عدم قطعیت کوانتومی است. به‌طور خلاصه اصل عدم قطعیت هایزنبرگ می‌گوید هر چه بیشتر درباره‌ی موقعیت یک ذره بدانید، کمتر از تکانه آن مطلع هستید.

وقتی ماده‌ی درون سیاه‌چاله در نقطه‌ای واحد متراکم شود، ذرات در برابر فشرده‌شدن در یک نقطه‌ی دقیق مقاومت می‌کنند و نوعی فشار کوانتومی به سمت بیرون ایجاد می‌کنند که مانع از تکینگی می‌شود. با اینکه ستاره‌های منجمد به سیاه‌چاله‌هایی که می‌بینیم شباهت دارند، تفاوت‌هایی بین آن‌ها و سیاه‌چاله‌ها وجود دارد. پژوهشگرها در مقاله‌ی خود می‌نویسند:

مدل پلیمری بر اساس این مفهوم ساخته شده است که فضای داخلی هر جرم عادی که با موفقیت از سیاه‌چاله تقلید می‌کند، باید در یک وضعیت به شدت غیرکلاسیک قرار داشته باشد. این قاعده مبتنی بر اصل عدم قطعیت است که از فروپاشی ماده به تکینگی جلوگیری می‌کند؛ همان‌طور که اتم هیدروژن کوانتومی در برابر فروپاشی پایدار است.

وضعیت به‌شدت غیرکلاسیک مساوی است با داشتن حداکثر چگالی آنتروپی که به نوبه‌ی خود به‌معنای فشار شعاعی حداکثر مثبت برای حالت چگالی انرژی ثابت است. هدف از مدل ستاره‌ی منجمد، تقلید خواص این وضعیت به شدت کوانتومی از دیدگاه یک هندسه کلاسیک است که درست به وارونه‌سازی فشار شعاعی از حداکثر مثبت به حداکثر منفی شباهت دارد.

نظر‌یه‌ی جایگزین سیاه‌چاله که از نظریه ریسمان الهام گرفته شده است، در مقاله از دیدگاه ریاضی شرح داده شده است و درست سیاه‌چاله‌ای مشابه نمونه‌های آشنا را توصیف می‌کند که از نظر پرتوهای گرمایی و آنتروپی تفاوتی ندارد اما فاقد تکینگی است که باعث دردسر زیاد می‌شود. این مدل جایگزین همچنین نشان می‌دهد که ستاره‌های منجمد می‌توانند درون خود دیوار آتشین در یک وضعیت به شدت برانگیخته داشته باشند که از فروپاشی جلوگیری می‌کند. مهم‌تر از همه این تفاوت‌ها را احتمالا بتوان با تشخیص امواج گرانشی که حاصل برخورد دو سیاه‌چاله هستند، شناسایی کرد.

با اینکه نظریه‌ی جدید جذاب است و ارزش بررسی با سیاه‌چاله‌های مدل استاندارد را دارد، پیش از مراحل آزمایش و نتیجه‌گیری، به پژوهش‌های بیشتر نیاز دارد.

پژوهش در Physical Review D منتشر شده است.