On the possibility of ultracompact stars in semiclassical gravity

Abstract

In broad terms, compact stars are astrophysical objects that are stabilized by the pressure of degenerate matter. Driven by the rising gravitational-wave era in astronomy we can find a renewed interest in theoretical scenarios where new classes of highly compact objects could emerge. Recently a generalization of the Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV) equation has been proposed by analyzing the hydrostatic equilibrium through a framework known as semiclassical gravity, a minimal extension of general relativity that incorporates the quantum behavior of matter but still treats gravity classically. In this work some models for highly dense matter available in the literature are revisited by applying the semiclassical picture for stellar equilibrium. In particular, the goal is to verify the possibility of achieving ultracompact solutions, a class of hypothetical compact stars where the stellar radius is less than one and a half times the Schwarzschild radius. The extreme gravity of such bodies provide them a distinctive feature in comparison to regular compact stars, namely, ultracompact stars exhibit circular photon orbits called photon spheres. Although the quantum corrections furnished by semiclassical gravity are negligible in most scenarios, for ultracompact configurations where the star is not much larger than its gravitational radius such effects may be relevant. Since any object that undergoes complete gravitational collapse passes through an ultracompact phase, the semiclassical corrections can create a midterm solution between regular compact stars and black holes. Distinct models indicate a considerable increase of the compactness parameter when semiclassical gravity is considered, motivating future studies.

Em termos gerais, estrelas compactas sao objetos astrofísicos que são estabilizados pela pressão da matéria degenerada. Impulsionado pelo surgimento da era das ondas gravitacionais na astronomia podemos observar um interesse renovado em cenários teóricos nos quais novas classes de objetos altamente compactos podem emergir. Recentemente, uma generalização da equação de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV) foi proposta analisando o equilíbrio hidrostático através de um formalismo conhecido como gravitação semiclássica, uma extensão mínima da relatividade geral que incorpora o comportamento quântico da matéria, mas que ainda trata a gravidade classicamente. Neste trabalho alguns modelos para matéria altamente densa disponíveis na literatura sao revisitados aplicando a representação semiclássica para o equilíbrio estelar. Em particular, o objetivo é verificar a possibilidade de alcançar soluções ultracompactas, uma classe de estrelas compactas hipotéticas onde o raio estelar é menor que uma vez e meia o raio de Schwarzschild. A extrema gravidade de tais corpos fornece uma característica distintiva em comparação com estrelas compactas regulares, a saber, estrelas ultracompactas exibem órbitas circulares de fótons chamadas de fotoesferas. Embora as correções quânticas fornecidas pela gravitação semiclássica são desprezíveis na maioria dos cenários, para configurações ultracompactas onde a estrela não é muito maior que seu raio gravitacional tais efeitos podem ser relevantes. Tendo em vista que qualquer objeto que passa por um colapso gravitacional completo passa por uma fase ultracompacta, as correções semiclássicas podem criar uma solução intermediária entre estrelas compactas regulares e buracos negros. Modelos distintos indicam um aumento considerável do parâmetro de compacidade quando a gravitação semiclássica é considerada, motivando estudos futuros.