Två forskare från University of Hawaii i Manoa har identifierat och korrigerat ett subtilt fel som gjordes när man använde Einsteins ekvationer för att modellera universums tillväxt.

Fysiker brukar anta att ett kosmologiskt stort system, som universum, är okänslig för detaljer i de små systemen som finns i den. Kevin Croker, en postdoktor vid institutionen för fysik och astronomi, och Joel Weiner, en fakultetsmedlem vid institutionen för matematik, har visat att detta antagande kan misslyckas för de kompakta objekt som finns kvar efter kollapsen och explosionen av mycket stora stjärnor.

"I 80 år, vi har i allmänhet arbetat under antagandet att universum, i stora drag, påverkades inte av de särskilda detaljerna i någon liten region, " sade Croker. "Det är nu klart att allmän relativitet kan observerbart koppla samman kollapsade stjärnor – regioner lika stora som Honolulu – till universums beteende som helhet, över tusen miljarder miljarder gånger större."

Croker och Weiner visade att universums tillväxthastighet kan bli känslig för det genomsnittliga bidraget från sådana kompakta objekt. Likaså, objekten själva kan bli kopplade till universums tillväxt, få eller förlora energi beroende på föremålens sammansättning. Detta resultat är betydelsefullt eftersom det avslöjar oväntade samband mellan kosmologisk och kompakt objektfysik, vilket i sin tur leder till många nya observationsförutsägelser.

En konsekvens av denna studie är att universums tillväxthastighet ger information om vad som händer med stjärnor i slutet av deras liv. Astronomer antar vanligtvis att stora stjärnor bildar svarta hål när de dör, men detta är inte det enda möjliga resultatet. 1966, Erast Gliner, en ung fysiker vid Ioffe Physico-Technical Institute i Leningrad, föreslog en alternativ hypotes att mycket stora stjärnor skulle kollapsa till vad som nu skulle kunna kallas Generic Objects of Dark Energy (GEODEs). Dessa verkar vara svarta hål när de ses utifrån men, till skillnad från svarta hål, de innehåller mörk energi istället för en singularitet.

1998, två oberoende team av astronomer upptäckte att universums expansion accelererar, överensstämmer med närvaron av ett enhetligt bidrag av mörk energi. Det kändes inte igen, dock, att GEODEs kunde bidra på detta sätt. Med den korrigerade formalismen, Croker och Weiner visade att om en bråkdel av de äldsta stjärnorna kollapsade till GEODEs, istället för svarta hål, deras genomsnittliga bidrag idag skulle naturligtvis producera den nödvändiga enhetliga mörka energin.

Resultaten av denna studie gäller även för de kolliderande dubbelstjärnsystem som kan observeras genom gravitationsvågor av LIGO-Virgo-samarbetet. 2016, LIGO tillkännagav den första observationen av vad som verkade vara ett kolliderande dubbelsvarthålssystem. Sådana system förväntades finnas, men objektparet var oväntat tungt - ungefär 5 gånger större än de svarta hålsmassorna som förutspåddes i datorsimuleringar. Med hjälp av den korrigerade formalismen, Croker och Weiner funderade på om LIGO-Jungfrun observerar dubbla GEODE-kollisioner, istället för dubbla svarta hålskollisioner. De fann att GEODE växer tillsammans med universum under tiden som leder fram till sådana kollisioner. När kollisioner inträffar, de resulterande GEODE-massorna blir 4 till 8 gånger större, i grov överensstämmelse med LIGO-Jungfruns observationer.

Croker och Weiner var noga med att separera sina teoretiska resultat från observationsstöd för ett GEODE-scenario, betonar att "svarta hål verkligen inte är döda. Vad vi har visat är att om GEODE existerar, då kan de lätt ge upphov till observerade fenomen som för närvarande saknar övertygande förklaringar. Vi förutser många andra observationskonsekvenser av ett GEODE-scenario, inklusive många sätt att utesluta det. Vi har knappt börjat skrapa på ytan."

Studien, Implikationer av symmetri och tryck i Friedmanns kosmologi:I. Formalism, publiceras den 28 augusti, 2019 års nummer av The Astrofysisk tidskrift och är tillgänglig online.