爱因斯坦广义相对论方程预测奇异的“俄罗斯娃娃星”

阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的一种新解决方案表明，看起来像黑洞的假想引力星可以相互嵌套。

阿尔伯特·爱因斯坦最具革命性的理论核心方程的一个新开发的解决方案表明，被称为“nestars”的假设恒星可以由堆叠的引力恒星或“gravastars”制成，就像俄罗斯茶娃娃，也称为俄罗斯套娃。

爱因斯坦 1915 年提出的引力理论（广义相对论）最令人印象深刻的事情之一就是它的中心方程预测了多少令人难以置信的宇宙物体。

除了预测引力来自弯曲时空结构的质量物体外，广义相对论还催生了黑洞理论以及黑洞在时空结构中产生的称为引力波的涟漪的理论。这两件事都已通过观察证实了它们的存在；然而，称为白洞的反黑洞，以及可能将它们与黑洞联系起来的“虫洞”，是其他基于广义相对论的想法，但这些想法仍然纯粹是理论上的。只有时间才能证明爱因斯坦在这方面是否能再次被认为是正确的。

为此，2001 年广义相对论中出现的另一个理论想法是“引力星”的概念，即具有暗能量核心的致密天体。 暗能量是一种似乎正在加速宇宙膨胀的力量。科学家相信，在重力星中，暗能量会施加负压，以保护恒星免受自身向内引力的影响。

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现在，广义相对论的一个新解决方案提出了这种所谓的重力星的另一个有趣的方面。它们可以一个一个地堆叠起来，形成一系列“巢星”。

解决方案开发者之一、歌德大学理论物理学家丹尼尔·詹波尔斯基 (Daniel Jampolski) 在一份声明中表示：“内斯塔就像一个俄罗斯套娃；我们对场方程的解决方案允许出现一系列嵌套的格拉瓦星。”

认识格拉瓦星（类似黑洞，但不同）

就在广义相对论向更广泛的科学界发布一年后，在第一次世界大战的前线服役时，德国物理学家卡尔·史瓦西 (Karl Schwarzschild) 提出了其场方程的第一个解，甚至令爱因斯坦感到震惊，因为他相信解决方案需要花费很长时间。年发展。

史瓦西解中有两个特征最终催生了黑洞概念。这位德国物理学家预测，在距离具有质量的物体一定半径处，逃离该物体所需的速度必须增加到超过光速。

对于大多数天体来说，这个所谓的史瓦西半径将位于其表面深处。以太阳为例，它距离恒星中心 1.9 英里（3 公里），恒星的总半径为 434,000 英里（700,000 公里）。但是，如果一颗恒星可能会塌陷，并且其半径缩小到史瓦西半径以下，那么就会产生一个具有外部边界的物体，甚至连光也无法逃脱。这导致了黑洞事件视界的概念。

更奇怪的是，史瓦西解表明，可能存在一个物质密度如此之大的点，以至于广义相对论方程本身也必须崩溃。这被称为黑洞的中心奇点，所有已知的物理理论都不再具有任何意义。

这些概念在1971年人类发现第一个黑洞时得到了验证，随后在2000年代发现银河系中心的强射电源确实是一个质量为太阳450万倍的超大质量黑洞。我们银河系中这个巨大的空洞被称为人马座 A* (Sgr A*)。

广义相对论所描绘的黑洞的视觉形式也在 2019 年得到了令人难以置信的证实，当时事件视界向公众展示了梅西耶 87 星系中心超大质量黑洞周围发光物质环的图像望远镜合作。

Gravastars，或者说“引力凝聚星”，是 Pawel Mazur 和 Emil Mottola 于 2001 年提出的理论，作为黑洞的替代品。

从理论物理学家的角度来看，引力星比黑洞有几个优势。它们几乎与黑洞一样紧凑，并且其表面的引力影响基本上与黑洞一样强，因此具有很强的相似性。但是，存在一些关键差异。其一，重力星没有事件视界，因此不会将光和信息密封在单向“屏幕”后面。其次，格拉瓦星的心脏不会有奇点，而是被认为拥有暗能量的心脏。

马祖尔和莫托拉炮制的格拉瓦星的配方包括一层近乎无限薄的普通物质外皮，科学家很难解释这一现象。内斯塔斯消除了这一点，认为“堆叠”位会导致物质的外壳稍微厚一些。

“更容易想象这样的东西可能存在，”詹波尔斯基说。

然而，当然，仅仅因为广义相对论场方程允许某些物体存在于宇宙中，并不意味着该物体必须存在。

内斯塔理论共同开发者、歌德大学理论物理学家卢西亚诺·雷佐拉 (Luciano Rezzolla) 在声明中表示：“不幸的是，我们仍然不知道如何创造出这样的重力星。” “但即使巢星不存在，探索这些解决方案的数学特性最终也有助于我们更好地了解黑洞。”

即使主要理论没有成功，这样的研究也很有用，因为它揭示了一个多世纪前首次考虑的理论所诞生的奇妙途径。

“令人高兴的是，即使在史瓦西从广义相对论中提出爱因斯坦场方程的第一个解 100 年后，仍然有可能找到新的解，”雷佐拉总结道。 “这有点像沿着许多其他人曾经探索过的道路找到金币。”

这项研究于 2 月 15 日发表在《经典与量子引力》杂志上。

最初发布于Space.com。