Locally Rotationally Symmetric spacetimes of type II in $f(\mathcal{Q})$ gravity

Zwaartekracht wordt meestal beschreven als de kromming van ruimte en tijd door materie, een concept dat al meer dan een eeuw opmerkelijk goed standhoudt. In dit standaardbeeld wordt de geometrie van het universum gedefinieerd door een metriek, een wiskundige liniaal die afstanden meet, en de manier waarop deze liniaal verandert van punt tot punt creëert de kracht die we als zwaartekracht ervaren. Echter, natuurkundigen vragen zich al lang af of dit de enige manier is om het universum te beschrijven. Net zoals een kaart kan worden getekend met verschillende roostersystemen, zou de geometrie van de ruimtetijd beschreven kunnen worden met andere eigenschappen, zoals hoe de liniaal zelf van grootte of hoek verandert terwijl je door de ruimte beweegt. Deze alternatieve eigenschap wordt nonmetriciteit genoemd. Terwijl de standaardtheorie ervan uitgaat dat de liniaal consistent blijft, suggereren theorieën die nonmetriciteit bevatten dat de liniaal kan rekken of draaien, wat een nieuwe manier biedt om kosmische verschijnselen te verklaren zonder de noodzaak om onzichtbare deeltjes of krachten uit te vinden.

Een team van onderzoekers heeft nu een belangrijke stap gezet in het verkennen van deze alternatieve theorieën door een specifieke geometrische structuur toe te passen op een klasse zwaartekrachtmodellen die bekend staat als f(Q)-zwaartekracht. In deze benadering worden de kromming en de draaiing van de ruimte op nul gezet, waardoor nonmetriciteit de enige drijfveer van gravitationele effecten overlaat. De wetenschappers richtten hun onderzoek op lokaal rotationeel symmetrische ruimtetijden, modellen van het universum die er vanuit een centraal punt vanuit alle richtingen hetzelfde uitzien, vergelijkbaar met het oppervlak van een bol of de ruimte rond een ster. Door een methode te gebruiken die het universum onderverdeelt in een tijdsrichting, een voorkeursrichting in de ruimte en een plat vlak loodrecht op die richting, waren zij in staat om precies in kaart te brengen hoe nonmetriciteit de beweging en de vorm van de ruimte beïnvloedt. Hun werk biedt een volledige set regels voor hoe deze alternatieve theorieën zich gedragen in zowel het uitdijende universum als rond statische, sferische objecten zoals sterren.

De onderzoekers begonnen met het vaststellen van een gedetailleerde geometrische taal om te beschrijven hoe ruimte en tijd zich gedragen wanneer nonmetriciteit aanwezig is. Ze ontdekten dat de aanwezigheid van deze eigenschap de manier waarop objecten bewegen en hoe de ruimte uitdijt fundamenteel verandert. In de standaardzwaartekracht zijn de expansie van het universum en het rekken van de ruimte direct gekoppeld aan de verdeling van materie. In hun nieuwe kader toonden de onderzoekers aan dat nonmetriciteit extra termen introduceert die fungeren als verborgen versnellingen. Deze versnellingen kunnen ervoor zorgen dat de ruimte uitdijt of afschuurt (shear), zelfs in de afwezigheid van de gebruikelijke materiebronnen, waardoor de regels van het kosmische spel effectief worden gewijzigd. Ze demonstreerden dat deze effecten niet slechts kleine correcties zijn, maar de kinematische grootheden die de evolutie van het universum beschrijven, volledig kunnen hervormen.

Wanneer zij deze regels toepasten op modellen van een homogeen universum, vergelijkbaar met het universum dat wij op de grootste schalen observeren, ontdekten zij verschillende duidelijke manieren waarop het universum zou kunnen evolueren. Zij identificeerden specifieke condities waaronder het universum op een vlakke, uniforme manier zou uitdijen, vergelijkbaar met het standaard Big Bang-model, maar met een andere onderliggende structuur. Cruciaal was dat zij vonden dat het gedrag van het universum zwaar afhangt van de specifieke waarden van de nonmetriciteitscomponenten. Sommige oplossingen vereisten dat bepaalde componenten verdwenen, terwijl andere toelieten dat ze op complexe wijze met elkaar interageerden. Dit betekent dat de geschiedenis van ons universum in een ander script geschreven zou kunnen zijn als nonmetriciteit de ware drijfveer van de zwaartekracht is, wat leidt tot andere expansiesnelheden en andere relaties tussen materie en ruimte.

De studie richtte vervolgens haar aandacht op statische, sferische objecten, die de bouwstenen zijn van sterren en zwarte gaten. Hierbij zochten de onderzoekers of hun theorie de beroemde oplossingen kon reproduceren die de ruimte rond een ster beschrijven, zoals de Schwarzschild-oplossing. Zij vonden dat de theorie inderdaad deze vertrouwde vormen kan produceren, maar met een verrassende wending: dezelfde vorm van de ruimte kan worden gegenereerd door verschillende onderliggende verbindingen. Met andere woorden, twee verschillende configuraties van het nonmetriciteitsveld kunnen resulteren in exact dezelfde zwaartekracht en exact dezelfde buiging van het licht rond een ster. Dit suggereert dat het observeren van de beweging van planeten of licht misschien niet voldoende is om tussen de standaardzwaartekracht en deze nieuwe theorieën te onderscheiden, aangezien ze elkaars effecten in bepaalde scenario's perfect kunnen nabootsen.

De meest intrigerende bevinding betreft de mogelijkheid van "gravastars", wat hypothetische objecten zijn die worden voorgesteld als alternatieven voor zwarte gaten. Een gravastar is in essentie een compacte bal van donkere energie, omgeven door een dunne schil van materie, waardoor de vorming van een singulariteit in het centrum wordt vermeden. De onderzoekers toonden aan dat in hun kader de nonmetriciteitstermen natuurlijk kunnen fungeren als een kosmologische constante, een kracht die de ruimte uit elkaar duwt, zonder dat deze er handmatig aan toegevoegd hoeft te worden. Dit maakt de creatie van een gravastar-oplossing mogelijk waarbij een kern van donkere energie op zijn plaats wordt gehouden door een schil van gewone materie. Zij berekenden de eigenschappen van deze schil en vonden dat deze stabiel en fysiek consistent is, mits de energiedichtheid van de schil binnen een specifere reeks valt. Dit resultaat suggereert dat f(Q)-zwaartekracht een levensvatbaar pad biedt voor het creëren van stabiele, exotische objecten die potentieel zwarte gaten in ons kosmische inventarium kunnen vervangen.

Het werk beweert niet bewezen te hebben dat nonmetriciteit de ware aard van de zwaartekracht is, maar het heeft succesvol een robuuste gereedschapskist gebouwd om deze ideeën te testen. Door aan te tonen dat deze theorieën bekende oplossingen zoals de Schwarzschild-metriek kunnen reproduceren terwijl ze ook nieuwe mogelijkheden toestaan zoals gravastars, hebben de onderzoekers een nieuw venster voor observatie geopend. Hun bevindingen wijzen erop dat het universum flexibeler kan zijn dan voorheen gedacht, met een geometrie van de ruimte die in staat is om te rekken en te verschuiven op manieren die de standaardzwaartekracht niet toestaat. Voor astronomen en kosmologen betekent dit dat toekomstige observaties van de kosmische expansie of het gedrag van compacte objecten potentieel de subtiele vingerafdrukken van nonmetriciteit kunnen onthullen, waardoor een onderscheid wordt gemaakt tussen de standaard liniaal van de zwaartekracht en deze meer exotische alternatieven. Het artikel dient als een uitgebreide gids voor het navigeren door dit complexe landschap, waarbij heldere condities worden geboden waaronder deze nieuwe theorieën overeenstemmen met of afwijken van ons huidige begrip van het kosmos.