Подобно поверхности океана, ткань Вселенной постоянно колеблется от бесконечного количества гравитационных волн, распространяющихся по космосу.
Мы можем посчитать трехзначным числом эту рябь, которую мы обнаружили на сегодняшний день – и большинство из них связано со столкновениями между черными дырами, самыми плотными объектами во Вселенной.
Но откуда мы знаем, что каждое столкновение, приписываемое черным дырам, является именно тем, на что оно похоже? А что насчет гравитационных волн, которые нам еще предстоит обнаружить?
Что, если есть что-то еще, что может заставить Вселенную петь? Что, если сталкивающиеся червоточины могут вызвать подобный всплеск – и как мы его распознаем, когда обнаружим?
По крайней мере, для одного конкретного типа червоточин новые симуляции предполагают, что столкновения будут очень странными и могут оставить характерные следы в ткани пространства-времени.
Согласно препринту, авторами которого являются физик Никита Широков из Московского физико-технического института и инженер машинного обучения Илья Начевский из Высшей школы экономики в России, при взаимодействии бинарных червоточин Эллиса-Бронникова может произойти несколько вещей — и большинство из них чрезвычайно странные.
Когда вы думаете о червоточинах, вы, вероятно, в первую очередь думаете о научной фантастике — прыжковых вратах, гиперпространстве, туннелях через космические закоулки, которые обеспечивают кратчайший путь из одного региона в другой.
Но, как и многие идеи, представленные в Звездный путь и ПространствоЧервоточины прочно укоренились в реальной научной теории – математической возможности, вытекающей из общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает гравитацию как искривление пространства-времени.
Теоретически пространство-время может быть искривлено таким образом, что две отдаленные области соединятся туннелем или горлом – это червоточина.
Могла ли такая структура действительно существовать во Вселенной, остается открытым вопросом.
Вы, наверное, слышали термин «мост Эйнштейна-Розена». Это тип червоточины, через которую невозможно пройти. Другая модель — червоточина Эллиса-Бронникова — проходимый проход, удерживаемый так называемым фантомным скалярным полем.
Это гипотетическое поле обладает необычными свойствами отрицательной энергии, которые не позволяют горлу сжиматься.
Проходимость что-то значит мог пройти через это, но это не значит стабильно, так ли человек должен пройти через это – другое дело.
Это особенно справедливо для червоточин Эллиса-Бронникова.
Хотя фантомное скалярное поле может удерживать глотку червоточины открытой, даже небольшое возмущение может нарушить хрупкий баланс. Горло может схлопнуться, образуя черную дыру, или начать расширяться в результате безудержного процесса, называемого инфляцией.
Итак, можно было бы ожидать, что если пути двух из этих нестабильных структур каким-то образом пересекутся, может произойти что-то весьма разрушительное.
Чтобы выяснить, как могут выглядеть эти фейерверки, Широков и Начевский провели трехмерное моделирование пар червоточин Эллиса-Бронникова, варьируя их начальное расстояние, траектории и свойства фантомных скалярных полей, удерживающих их открытыми.
Результаты оказались на удивление разнообразными.
В зависимости от конфигурации червоточины могут притягивать или отталкивать друг друга. Некоторые прошли достаточно близко, чтобы взаимодействовать, прежде чем разлететься, их глотки при этом резко расширялись.
Frameborder=”0″allow=”акселерометр; автозапуск; буфер обмена-писать; зашифрованные носители; гироскоп; картинка в картинке; web-share” Referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin”allowfullscreen>Другие бросились навстречу друг другу, но вместо того, чтобы слиться в одну большую червоточину, произошло нечто гораздо более странное.
Общий видимый горизонт, похожий на горизонт событий черной дыры, сформировался вокруг обоих глоток, заключая их вместе внутри развивающейся черной дыры.
Frameborder=”0″allow=”акселерометр; автозапуск; буфер обмена-писать; зашифрованные носители; гироскоп; картинка в картинке; web-share” Referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin”allowfullscreen>Здесь все стало еще более странным – потому что этот видимый горизонт сделал то, чего не должны делать горизонты черных дыр.
Оно уменьшилось.
Когда фантомное скалярное поле упало в сжимающуюся область пространства, горизонт потерял около 28 процентов своей площади.
Согласно теореме о площади черной дыры, предложенной Стивеном Хокингом в 1971 году, при обычных обстоятельствах площадь поверхности горизонта событий черной дыры может только увеличиваться или оставаться неизменной.
Но эта теорема основана на предположениях о поведении энергии, которое нарушает фантомное скалярное поле. Его экзотические свойства отрицательной энергии позволяют моделируемому горизонту скорее сжиматься, чем расти.
Это не противоречит теореме о площади, поскольку в моделировании используется видимый горизонт, а не горизонт событий, и поле, которое нарушает предположения теоремы. Но это все равно поразительный результат.
Теперь, в этот момент, вы, вероятно, задаетесь вопросом, какое отношение все это имеет к гравитационным волнам.
Когда массивные объекты, такие как черные дыры, приближаются к столкновению, их изменяющееся движение вызывает рябь в пространстве-времени, как след лодки в океане. Вот что такое гравитационные волны.
Червоточины, по крайней мере, массивные червоточины Эллиса-Бронникова, смоделированные в этом исследовании, также должны генерировать гравитационные волны при движении и взаимодействии.
Но исследователи обнаружили, что полученные сигналы будут сильно отличаться от сигналов, создаваемых парой черных дыр, движущихся навстречу друг другу.
Пара спиральных черных дыр имеет характерный сигнал, называемый чирпом, частота которого становится сильнее и выше по мере сближения двух объектов.
Напротив, моделирование столкновений с червоточинами, проведенное исследователями, привело к коротким и резким вспышкам гравитационных волн.
Точная форма и сила сигнала зависели от того, ныряли ли червоточины навстречу друг другу или просто задевали друг друга мимоходом.
Frameborder=”0″allow=”акселерометр; автозапуск; буфер обмена-писать; зашифрованные носители; гироскоп; картинка в картинке; web-share” Referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin”allowfullscreen>Интересно, что некоторые из ближайших пролетов произвели особенно сильные всплески гравитационных волн, даже без образования общего видимого горизонта.
Это не означает, что всплеск гравитационной волны без чирпа является свидетельством существования червоточин. Черные дыры также могут производить такие сигналы при определенных обстоятельствах.
Один особенно необычный сигнал, GW190521, был обнаружен в 2019 году и с тех пор исследуется как возможный признак экзотической физики пространства-времени.
Это не означает, что оно было создано червоточиной, и новые симуляции не устанавливают связи с этим событием. Но это показывает, почему стоит понимать возможные сигнатуры гипотетических объектов.
Однако есть еще одна загвоздка. Исследователи отмечают, что червоточины, образовавшиеся в ранней Вселенной, будут генерировать сигналы, растянутые за счет космического расширения до частот, намного ниже тех, которые могут быть обнаружены гравитационно-волновыми обсерваториями, такими как LIGO и планируемой миссией LISA.
Чтобы эти конкретные сигналы можно было обнаружить, червоточины должны были сформироваться гораздо позже в космической истории – и ученые в настоящее время не знают, как это могло произойти.
Тем не менее, Вселенная уже удивляла нас раньше. И теперь, если нам каким-то образом удастся записать сигнал о столкновении червоточин Эллиса и Бронникова, у нас будет лучшее представление о том, что мы можем наблюдать.
Исследование, которое еще не прошло рецензирование, доступно на сервере препринтов arXiv.
Эта статья была проверена Фионой Макдональд и отредактирована Фионой Макдональд. Хотя мы гордимся своим процессом, мы всего лишь люди. Если вы заметили ошибку, пожалуйста, сообщите нам.
