Физики смоделировали то, что может произойти при столкновении двух червоточин

Фото из открытых источников

Подобно поверхности океана, ткань Вселенной постоянно рябит бесконечным множеством гравитационных волн, распространяющихся по всему космосу.

Мы можем подсчитать, в сотнях процентов, количество таких рябей, которые мы обнаружили на сегодняшний день, — и большинство из них связаны со столкновениями черных дыр , самых плотных объектов во Вселенной.

Но как мы можем быть уверены, что каждое столкновение, приписываемое черным дырам, действительно таково, как кажется? И что можно сказать о признаках гравитационных волн, которые нам еще предстоит обнаружить?

А что, если существует нечто ещё, способное заставить Вселенную петь? Что, если столкновение червоточин может произвести подобный эффект — и как мы сможем распознать его, когда обнаружим?

По крайней мере, для одного конкретного типа червоточин новые модели показывают, что столкновения будут крайне необычными и могут оставлять характерные следы в ткани пространства-времени.

Согласно размещенному на arXiv препринту, авторами которого являются физик Никита М. Широков из Московского института физики и технологий и инженер по машинному обучению Илья Начевский из Высшей школы экономики в России, при взаимодействии бинарных червоточин Эллиса-Бронникова может происходить несколько вещей, и большинство из них крайне необычны.

Если задуматься о червоточинах, вероятно, в первую очередь на ум придет научная фантастика — прыжковые врата, гиперпространство, туннели в космических подземельях, обеспечивающие короткий путь из одного региона в другой.

Но, как и многие идеи, представленные в фантастических рассказах, червоточины прочно укоренены в реальной научной теории — это математическая возможность, вытекающая из теории общей относительности Эйнштейна, которая описывает гравитацию как искривление пространства-времени.

Теоретически, пространство-время может быть искривлено таким образом, что две, в противном случае, удаленные друг от друга области соединены туннелем или «горлом» — это червоточина.

Вопрос о том, может ли подобная структура действительно существовать во Вселенной, остается открытым.

Многие, вероятно, слышали термин «мост Эйнштейна-Розена». Это тип непроходимой червоточины. Другая модель — червоточина Эллиса-Бронникова — проходимый проход, удерживаемый открытым так называемым фантомным скалярным полем.

Это гипотетическое поле обладает необычными свойствами отрицательной энергии, которые препятствуют смыканию горла.

Проходимая означает, что через нее можно пройти, но это не означает стабильную, поэтому вопрос о том, следует ли человеку проходить через нее, — это уже другой вопрос.

Это особенно справедливо для червоточин Эллиса-Бронникова.

Хотя фантомное скалярное поле может удерживать горловину червоточины открытой, даже небольшое возмущение может нарушить хрупкое равновесие. Горловина может схлопнуться, образовав черную дыру, или начать расширяться в неуправляемом процессе, называемом инфляцией.

Поэтому можно предположить, что если две такие взрывоопасные структуры каким-то образом пересекутся, может произойти нечто поистине катастрофически разрушительное.

Чтобы выяснить, как могут выглядеть эти «фейерверки», Широков и Начевский провели трехмерные симуляции 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 могли притягиваться или отталкиваться друг от друга. Некоторые пролетали достаточно близко, чтобы взаимодействовать, после чего разлетались в разные стороны, при этом их «горла» значительно расширялись.

Другие устремились навстречу друг другу, но вместо того, чтобы слиться в одну большую червоточину, произошло нечто гораздо более странное.

Вокруг обоих «горловин» образовался общий видимый горизонт – подобный горизонту событий черной дыры – заключающий их вместе внутри развивающейся черной дыры.

Вот тут-то всё и стало ещё страннее – потому что этот видимый горизонт затем сделал то, чего горизонты чёрных дыр делать не должны.

Оно уменьшилось в размерах.

По мере того, как фантомное скалярное поле падало в область коллапса пространства, горизонт потерял около 28 процентов своей площади.

Согласно теореме о площади черной дыры, предложенной Стивеном Хокингом в 1971 году, при обычных условиях площадь поверхности горизонта событий черной дыры может только увеличиваться или оставаться неизменной.

Однако эта теорема основана на предположениях о поведении энергии, которые нарушает фантомное скалярное поле. Его экзотические свойства отрицательной энергии позволяют моделируемому горизонту сжиматься, а не расти.

Это не противоречит теореме о площади, поскольку моделирование включает в себя видимый горизонт, а не горизонт событий, и поле, которое нарушает предположения теоремы. Но это все равно поразительный результат.

На данном этапе логично задаться вопросом, какое отношение все это имеет к гравитационным волнам.

Когда массивные объекты, такие как черные дыры, движутся по спирали внутрь, приближаясь к столкновению, изменение их движения порождает рябь в пространстве-времени, подобную кильватерному следу от 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 своем движении и взаимодействии.

Однако исследователи обнаружили, что полученные сигналы будут существенно отличаться от сигналов, производимых парой черных дыр, движущихся по спирали навстречу друг другу.

Пара спирально вращающихся черных дыр издает характерный сигнал, называемый «чириканьем», который становится сильнее и чаще по мере сближения двух объектов.

Напротив, моделирование столкновений с червоточинами, проведенное исследователями, показало короткие, резкие всплески гравитационных волн.

Точная форма и сила сигнала зависели от того, сближались ли червоточины или лишь слегка касались друг друга при прохождении.

Интересно, что некоторые из самых близких пролётов вызвали особенно сильные всплески гравитационных волн, даже без образования общего видимого горизонта.

Это не означает, что всплеск гравитационных волн без характерного щелчка является доказательством существования червоточин. Черные дыры также могут излучать подобные сигналы при определенных условиях.

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 связь с этим событием. Но это иллюстрирует, почему важно понимать возможные признаки гипотетических объектов.

Однако есть еще один нюанс. Исследователи отмечают, что червоточины, образовавшиеся в ранней Вселенной, будут генерировать сигналы, растянутые космическим расширением до частот, значительно меньших, чем те, которые могут быть обнаружены гравитационно-волновыми обсерваториями, такими как LIGO и планируемая миссия LISA.

Для того чтобы эти конкретные сигналы стали обнаруживаемыми, червоточины должны были бы сформироваться гораздо позже в космической истории, а учёные в настоящее время не знают, как это могло бы произойти.

Тем не менее, Вселенная и раньше нас удивляла. А теперь, если нам каким-то образом удастся зарегистрировать сигнал столкновения червоточин Эллиса-Бронникова, у нас будет более четкое представление о том, что мы можем наблюдать.