När jättestjärnor dör försvinner de inte bara. De kollapsar och lämnar en komprimerad stjärnrest kvar, vanligtvis storleken på en metropol, som är en supertät boll av neutroner som kallas en neutronstjärna.
De flesta teoretiker tror att en jätte döende stjärna i undantagsfall bildar ett svart hål - en punkt "singularitet" med praktiskt taget oändlig densitet och ett gravitationsfält så kraftfullt att det inte ens finns ljus, det snabbaste i universum.
Den nya studien erbjuder en alternativ uppfattning att hypotetiska föremål som svarta stjärnor eller gravastars skulle kunna existera halvvägs mellan neutronstjärnor och svarta hål. Om så är fallet, bör exotiska stjärnkroppar vara nästan identiska med svarta hål, förutom en viktig omständighet - de absorberar inte oåterkalleligt ljus.
Det finns goda skäl att leta efter sådana alternativ eftersom svarta hål ger upphov till många teoretiska problem. Till exempel är deras singulariteter förmodligen dolda bakom osynliga gränser som kallas händelsehorisonter. Kasta något i ett svart hål, och så snart det passerar händelsehorisonten försvinner det för alltid. Men det finns fysiklagar som föreslår att information inte kan förstöras, inklusive information kodad i allt som faller i svarta hål.
Modeller av svarta stjärnor och gravastars som utvecklats under de senaste två decennierna tyder på att dessa objekt inte kommer att ha singulariteter och händelsehorisonter. Men det är fortfarande oklart om sådana objekt faktiskt kan bildas och förbli stabila.
Ny forskning av teoretisk fysiker Raul Carballo-Rubio från International School of Advanced Research i Italien föreslår en mekanism som gör att svarta stjärnor och gravastars kan existera.
Forskaren undersökte ett ovanligt fenomen som kallas kvantvakuumpolarisering. Kvantfysik, som ger den bästa beskrivningen av hur alla kända subatomära partiklar beter sig, antar att verkligheten är osäker, vilket begränsar hur exakt du kan känna till egenskaperna hos de mest grundläggande materienheterna - till exempel kan du aldrig absolut känna till en partikelns position och momentum i en och samma samma tid. En konstig konsekvens av denna osäkerhet är att vakuumet aldrig är helt tomt utan har så kallade "virtuella partiklar" som kontinuerligt svänger när de går in och ut ur existensen.
Kampanjvideo:
Med en enorm mängd energi som frigörs genom explosionen av en enorm stjärna kan dessa virtuella partiklar polariseras eller beställas beroende på deras egenskaper, precis som magneter har nord- och sydpoler. Carballo-Rubio beräknade att polariseringen av dessa partiklar kan skapa en fantastisk effekt inuti de kraftfulla gravitationsfälten hos döende jättestjärnor - ett fält som stöter bort, lockar inte.
Enligt Einsteins allmänna relativitetsteori leder den materiella och energiska krökningen av rymdtid till bildandet av gravitationsfält. Planeter och stjärnor har en positiv mängd energi, och de resulterande gravitationsfälten är attraktiva i naturen.
"När virtuella partiklar är polariserade kan emellertid vakuumet de upptar i genomsnitt ha negativ energi och de förvränger rymdtiden på ett sådant sätt att tillhörande gravitationsfält blir motbjudande", säger Carballo-Rubio.
Detta kan naturligtvis förhindra bildandet av ett svart hål. Detta fenomen orsakar att relativt lätta stjärnrester bildar neutronstjärnor istället för svarta hål. Deras gravitationsfält är inte tillräckligt starka för att förstöra neutroner i singularitet.
Två tidigare modeller föreslog att avstötande tyngdkraft kunde orsaka att stjärnrester kollapsade för att bilda svarta hål. En av de simulerade stjärnresterna bildade istället gravastars - objekt fyllda med ett kvantvakuum täckt med ett tunt skal av materia. En annan modell föreslog att dessa kollapsar resulterade i svarta stjärnor, där materia och kvantvakuum alternerar i hela strukturen i noggrann balans. Båda föremålen har fortfarande kraftfulla gravitationsfält som förvränger djupt ljus, vilket gör att de verkar lika mörka som svarta hål.
Enligt Carballo-Rubio fanns det tidigare stor osäkerhet om egenskaperna hos svarta stjärnor och gravaster. I ett nytt verk skapade han en matematisk ram som innehåller effekterna av avstötande gravitation i ekvationer som beskriver expansion och sammandragning av stjärnor. Tidigare trodde man att detta bara kunde tolkas med hjälp av datorer. Hans nya modell antar att det finns en hybrid av en svart stjärna och gravastar - ett objekt där materia och kvantvakuum fördelas genom hela strukturen, men med materia i högre koncentrationer i kuvertet än i kärnan.
Forskningen publiceras i tidskriften Physical Review Letters.