Спустя более века после того, как Эйнштейн впервые разработал уравнения, описывающие гравитацию, физики все еще находят новые способы их интерпретации.
Лука Комиссо, научный сотрудник факультетов астрономии и физики Колумбийского университета и Колумбийской астрофизической лаборатории, и Фелипе А. Асенхо из Университета Адольфо Ибаньеса в Чили, недавно нашли новый способ взглянуть на уравнения Эйнштейна, который обнаруживает поразительную аналогию с «магнитным пересоединением» в плазме, которое происходит, когда линии магнитного поля разрываются и снова соединяются, вызывая взрывные явления, такие как солнечные вспышки.
Их работа показывает, что нечто подобное может произойти и с гравитацией: при правильных условиях структуры гравитационного поля также могут разрушаться и повторно соединяться — процесс, который они называют «гравитационным пересоединением». Когда это происходит, энергия выходит из гравитационного поля в материю.
Результаты могут помочь физикам лучше понять некоторые из самых экстремальных событий во Вселенной, включая столкновение черных дыр. В этих средах гравитация настолько сильна, что пространство-время сильно искажается, что делает расчет его поведения чрезвычайно трудным. Подход исследователей предлагает способ определить фундаментальные правила, управляющие поведением гравитационных полей, потенциально раскрывая идеи, которые одно лишь обычное компьютерное моделирование не может обеспечить.
Чтобы понять, как работает гравитационное пересоединение, полезно начать с более знакомого явления: магнитного пересоединения. Большинство людей видели изображение линий магнитного поля: дуги железных опилок вокруг стержневого магнита или петли, вырывающиеся из поверхности Солнца. В плазме эти линии перетаскиваются, растягиваются и скручиваются. Иногда стресс становится слишком сильным.
«Магнитное пересоединение — это когда эти силовые линии в какой-то конкретной конфигурации разрываются и снова прикрепляются в другой конфигурации», — сказал Комиссо. «Когда они разрываются и снова соединяются, они высвобождают энергию». Это процесс, лежащий в основе солнечных вспышек, и один из наиболее важных механизмов выделения энергии во всей астрофизике. «Он берет энергию из магнитного поля и передает ее частицам плазмы, производя взрывы, энергетические события».
Гравитация, утверждают исследователи, может делать нечто подобное. Но геометрия другая, потому что пространство-время Эйнштейна имеет четыре измерения, а не три, которые описывают только пространство.
«Поскольку пространство-время является четырехмерным, а не трехмерным, гравитация включает в себя что-то вроде «листов» поля, а не линий поля», — объяснил Комиссо. «Добавив одно измерение к линии, вы получите плоскость. Вы можете думать об этом как о соединении множества линий в «лист».
Таким образом, вместо линий магнитного поля, которые растягиваются, пересоединяются и выделяют энергию, гравитационное поле принимает форму листов, которые движутся, пересоединяются и выделяют энергию. Эти листы представляют собой скорее математические структуры, чем физические объекты, но их повторное соединение описывает процесс, посредством которого энергия может передаваться из гравитационного поля в материю.
Открытие стало результатом нетрадиционного взгляда на уравнения Эйнштейна, основанного на более ранних исследованиях фундаментальных правил, управляющих эволюцией пространства-времени.
Статья Комиссо и Асенджо «Воссоединение гравитационных полей», которая была опубликована сегодня в Physical Review D, научном журнале, издаваемом Американским физическим обществом, основана на более ранней статье, опубликованной в Physical Review Letters с Марикармен А. Винклер. Это исследование выявило ряд ранее непризнанных правил, ограничивающих то, как пространство-время может изгибаться, растягиваться и развиваться.
«Уравнения Эйнштейна содержат ограничения на то, как может развиваться пространство-время, которые не очевидны сразу», — сказал Асенджо. «Открывая эти скрытые новые свойства, мы можем начать понимать фундаментальные правила, управляющие тем, как ведет себя этот процесс гравитационного воссоединения».
В своей последней статье Комиссо и Асенджо показывают, как связи гравитационных полей могут измениться, когда идеальные условия, которые их сохраняют, разрушаются — процесс, который они называют гравитационным пересоединением.
«Некоторые последствия скрыты в уравнениях, и их нелегко уловить, просто взглянув на них», — сказал Комиссо. «Вам нужно переписать их по-другому, и тогда вы сможете использовать это поведение».
Переписывание — суть работы. За последние несколько лет физики разработали новую формулировку уравнений Эйнштейна, математически эквивалентную оригиналам, но выраженную в других переменных. Написанные таким образом, уравнения гравитации начинают во многом напоминать уравнения, управляющие плазмой: газы, из которых состоит Солнце, топливо для экспериментов по термоядерному синтезу и заполняют большую часть пространства между звездами.
Комиссо посвятил свою карьеру изучению плазмы. Признав сходство, он и его коллеги применили методы физики плазмы к гравитации.
«Это помогает нам предсказать некоторые закономерности пространства-времени», — сказал Комиссо. «Даже не проводя полных расчетов, мы знаем, что пространство-время должно вести себя определенным образом, что оно должно удовлетворять этим ограничениям».
Это важно из-за того, как обычно делается такая физика. Когда астрофизики хотят знать, что происходит при столкновении двух черных дыр, они запускают огромные суперкомпьютерные симуляции: выбирают набор начальных условий, позволяют компьютеру двигаться вперед и наблюдают, что получится.
Результаты используются для прогнозирования формы сигнала гравитационных волн, для измерения которых предназначены такие детекторы, как Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), обсерватория, предназначенная для обнаружения пульсаций в пространстве-времени от таких событий, как сталкивающиеся черные дыры.
На данный момент гравитационное пересоединение остается теоретическим открытием. Следующая задача — изучить, как этот процесс может разворачиваться в конкретных астрофизических условиях, таких как слияние черных дыр, и дает ли он измеримые эффекты. Комиссо надеется, что этот подход в конечном итоге поможет исследователям предсказать, сколько энергии высвобождается в результате таких событий и какие следы они могут оставить в гравитационных волнах.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом и НАСА.
/ Публичный выпуск. Этот материал от исходной организации/автора(ов) может носить характер на определенный момент времени и отредактироваться для ясности, стиля и объема. Mirage.News не занимает институциональных позиций или сторон, и все взгляды, позиции и выводы, выраженные здесь, принадлежат исключительно автору(ам). Полный текст можно посмотреть здесь.
