Galactic microlensing by Lobo-Parsaei-Riazi phantom wormhole: Paczynski light curves and probabilistic features

In de uitgestrekte, donkere buurten tussen de sterren hebben astronomen lang vermoed dat onzichtbare objecten door de melkweg kunnen dwalen. Sommige hiervan zijn bekend als zwarte gaten, de ingestorte resten van dode sterren die het licht in hun greep houden. Anderen zijn theoretische vreemdheden die wormgaten worden genoemd, die lijken op tunnels in het weefsel van de ruimte en verre regio's van het universum met elkaar kunnen verbinden. Terwijl zwarte gaten een bevestigd onderdeel zijn van ons kosmische inventaris, blijven wormgaten een hypothese, een oplossing voor de vergelijkingen van de zwaartekracht die nog nooit direct is waargenomen. De uitdaging voor wetenschappers is dat zowel zwarte gaten als wormgaten het licht van achtergrondsterren op vergelijkbare manieren kunnen buigen, waardoor ze er bijna identiek uitzien wanneer ze voor een verre ster langs trekken. Dit fenomeen, bekend als gravitationele microlensing, werkt als een kosmische loep die een ster tijdelijk doet oplichten terwijl een onzichtbaar object tussen de ster en de aarde door beweegt. De vraag die onderzoekers heeft beziggehouden, is of de subtiele details van deze verheldering de ware aard van de onzichtbare lens zouden kunnen onthullen, om zo een zwart gat van een wormgat te onderscheiden.

Een team van onderzoekers heeft een frisse blik geworpen op dit probleem door zich te richten op een specifiek type theoretisch wormgat dat bekend staat als het Lobo-Parsaei-Riazi-model. Deze objecten worden ondersteund door een vreemde vorm van materie genaamd fantoommaterie, die naar verluidt verantwoordelijk is voor de versnellende expansie van het universum. In tegenstelling tot normale materie heeft deze fantoomsubstantie ongebruikelijke eigenschappen die een wormgat in staat stellen open te blijven zonder in te storten. De onderzoekers zetten zich het doel voor om exact te berekenen hoe een dergelijk wormgat licht zou buigen terwijl het over de hemel beweegt, waarbij ze specifiek keken naar scenario's waarin het wormgat zich in ons eigen sterrenstelsel bevindt en sterren in de dichte centrale bol van de Melkweg of in de Grote Magelhaense Wolk, een naburige sterrenstelsel, lens. Ze keken niet alleen naar het eenvoudigste geval; ze voerden een zeer gedetailleerde berekening uit van het pad van het licht, waarbij rekening werd gehouden met subtiele correcties die belangrijk worden wanneer het licht zeer dicht bij het wormgat passeert.

De studie laat een duidelijk onderscheid zien tussen wormgaten met massa en die zonder massa. Voor de massieve wormgaten, die het hoofdonderwerp van dit werk vormen, lijken de lichtcurves — de grafieken die laten zien hoe de helderheid van een ster in de loop van de tijd verandert — opmerkelijk veel op die geproduceerd door een zwart gat. Terwijl het wormgat voor een ster langs trekt, wordt de ster helderder tot een piek en vervaagt daarna in een vloeiende, symmetrische curve. Deze gelijkenis bestaat omdat deze massieve objecten, voor de primaire manier waarop ze licht buigen, proportioneel zijn aan de inverse van de afstand, een gedrag dat zij delen met zwarte gaten. De onderzoekers ontdekten echter dat de specifieke vorm van de keel van het wormgat en de eigenschappen van de fantoommaterie erin een subtiel vingerafdruk achterlaten. Door de exacte timing en de exacte hoogte van de helderheidspiek te analyseren, is het theoretisch mogelijk om een massief wormgat van een zwart gat te onderscheiden, hoewel het verschil subtiel is en zeer nauwkeurige metingen vereist.

De situatie verandert drastisch als het wormgat geen massa heeft. In dit massaloze scenario is het gedrag van het licht fundamenteel anders. In plaats van een vloeiende, enkele piek in helderheid, ontwikkelt de lichtcurve een dip of een dal op het moment van de dichtstbijzijnde passage. De ster kan oplichten, dan kortstondig minder helder worden dan de normale helderheid, en dan weer oplichten. Deze "geul" in de lichtcurve is een uniek kenmerk dat niet voorkomt bij de lensing veroorzaakt door zwarte gaten of massieve wormgaten. De onderzoekers berekenden dat voor een massaloos wormgat deze dip zou voorkomen over een zeer korte periode, die slechts een fractie van een dag duurt, terwijl het massieve geval een veel langer evenement betreft. Dit onderscheidende kenmerk biedt een potentiële manier om een massaloos wormgat te identificeren als men er ooit een zou spotten, aangezien geen enkel zwart gat ooit een dergelijke dip zou produceren.

Naast de vorm van de lichtcurve schatten de onderzoekers ook in hoe vaak deze gebeurtenissen zouden kunnen plaatsvinden en hoe waarschijnlijk het is dat ze gezien worden. Ze gingen ervan uit dat deze wormgaten aan ons sterrenstelsel gebonden zijn en dwalen in de halo van donkere materie die ons omringt. Met behulp van een vereenvoudigd model berekenden ze de waarschijnlijkheid dat een wormgat voor een achtergrondster langs trekt en de snelheid waarmee dergelijke gebeurtenissen plaatsvinden. De resultaten laten zien dat hoewel deze gebeurtenissen zeldzaam zijn, ze niet onmogelijk te detecteren zijn met huidige of toekomstige surveys. De waarschijnlijkheid om een gebeurtenis te zien hangt sterk af van de grootte van de keel van het wormgat en de specifieke eigenschappen van de fantoommaterie. Voor grotere wormgaten neemt de kans op detectie toe, maar de gebeurtenissen blijven vluchtig. De onderzoekers benadrukten dat deze cijfers illustratief zijn, bedoeld om te laten zien hoe de waarschijnlijkheid schaalt met de grootte en het type van het wormgat, in plaats van een definitieve voorspelling te doen van hoeveel er gevonden zullen worden.

Het werk onderstreept dat hoewel wormgaten en zwarte gaten elkaar kunnen imiteren, ze geen identieke tweelingen zijn. De massieve wormgaten die hier werden bestudeerd, gedragen zich veel als zwarte gaten in de manier waarop ze sterren doen oplichten, maar de massaloze versies bieden een totaal ander kenmerk met hun karakteristieke dips in helderheid. De studie beweert niet een wormgat te hebben gevonden, noch bewijst het dat ze bestaan. In plaats daarvan biedt het een gedetailleerde kaart van waar naar te zoeken. Als astronomen ooit een microlensing-evenement spotten dat een dip in helderheid vertoont of een lichtcurve die overeenkomt met de specifieke voorspellingen voor deze fantoomwormgaten, zou dat het eerste observationele bewijs kunnen zijn van deze exotische tunnels in de ruimte. Tot die tijd gaat de zoektocht door, geleid door deze theoretische blauwdrukken die ons precies vertellen hoe het universum zijn meest verborgen geheimen aan ons zou kunnen onthullen.