Гравитация может разрываться и снова соединяться подобно магнитным полям

Фото из открытых источников

Везде во Вселенной существует гравитация. Оно неразрывно вплетено в свою ткань, формируя звезды и планеты и управляя танцем галактик.

Именно гравитация удерживает наш мир вместе и нас на нём – и всё же, даже после более чем столетия изучения гравитации с помощью теории общей относительности Эйнштейна, учёные всё ещё открывают удивительные новые способы её проявления.

Однако новое открытие физиков Луки Комиссо из Колумбийского университета и Фелипе А. Асенхо из Университета Адольфо Ибаньеса в Чили может перевернуть теорию относительности с ног на голову. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review D.

Их новые расчеты предполагают, что гравитационные поля могут разрываться и снова соединяться в новых конфигурациях – подобно тому, как это происходит с магнитными полями на Солнце.

«Мы не модифицируем общую теорию относительности и не вводим новые физические принципы, выходящие за её рамки. Скорее, мы выявляем физические принципы, которые оставались непризнанными более века», — сказал Комиссо.

В повседневной жизни мы ощущаем гравитацию как силу, которая более или менее удерживает нас на земле. Но дело не только в притяжении. Согласно теории относительности, гравитация описывается полем — искривлением пространства-времени, вызванным массой и энергией, которое влияет на движение материи и света во Вселенной.

Уравнения, описывающие эту кривизну, — шедевр физики, позволяющий физикам предсказывать всё: от искривления света звёзд до гравитационных волн, возникающих при столкновении чёрных дыр, — и они выдержали множество проверок в классической Вселенной.

Но во Вселенной существуют и другие виды полей.

Достаточно взглянуть на Солнце, чтобы увидеть некоторые из них – обширные магнитные поля, пронизывающие заряженную солнечную плазму, чьи запутанные нити могут разрываться и снова соединяться в процессе, называемом магнитным пересоединением, высвобождая энергию, питающую солнечные вспышки.

И, как теперь математически продемонстрировали Комиссо и Асенхо, гравитация, возможно, имеет в своем арсенале аналогичный трюк.

«Мы подозревали, что гравитация может обладать некоторыми свойствами, сходными с магнитными полями, поскольку давно известно, что уравнения Эйнштейна можно переписать в форме, напоминающей уравнения электромагнетизма», — пояснил Комиссо. «Однако мы не знали, насколько далеко распространится эта аналогия. Только после пошаговых аналитических расчетов за доской мы поняли, насколько точно гравитационные поля могут следовать тем же принципам, которые управляют магнитными полями в плазме».

Началось все с более ранней статьи, опубликованной этими учеными совместно с третьим соавтором, физиком Марикармен А. Винклер из Университета Адольфо Ибаньеса.

Их расчеты показали, что при определенных условиях гравитационные поля могут вести себя так, как будто их связи зафиксированы, сохраняя контакты между различными областями даже при эволюции пространства-времени.

Они поняли, что это поведение имеет поразительный аналог в магнитных полях электрически заряженной плазмы, где силовые линии могут оставаться соединенными, даже когда плазма течет и меняет форму.

Но, как мы уже установили, магнитные поля не всегда ведут себя таким образом. Когда условия, поддерживающие связь между силовыми линиями, нарушаются, эти связи могут перестраиваться посредством магнитной пересоединения, изменяя, какие области связаны магнитным полем.

Поэтому вполне естественно было задаться вопросом, может ли то же самое быть справедливо и для гравитации.

Чтобы это выяснить, Комиссо и Асенхо вернулись к уравнениям Эйнштейна, используя математическую формулировку, которая выявляет сходство между гравитацией и электромагнетизмом.

Они исследовали, что происходит, когда нарушаются условия, сохраняющие связи гравитационного поля, и обнаружили, что при определенных обстоятельствах поля могут пересоединяться в новых конфигурациях — процесс, который они называют гравитационным пересоединением.

«Вместо линий, простирающихся через трехмерное пространство, гравитационное поле образует плоскости, простирающиеся через четырехмерное пространство-время (три измерения пространства и одно измерение времени)», — пояснил Комиссо. «Подобно линиям магнитного поля, эти слои не являются физическими объектами, а представляют собой математические структуры, помогающие нам визуализировать гравитационное поле. По мере эволюции пространства-времени эти слои могут растягиваться, изгибаться и, при определенных условиях, разрываться и снова соединяться, образуя новую конфигурацию. «Это не означает, что само пространство-время разрывается, а скорее, что гравитационное поле изменяет то, как связаны различные области пространства-времени».

Если подобный процесс происходит во Вселенной, его последствия не обязательно будут чем-то, что мы сможем увидеть или даже почувствовать. Даже гравитационные волны от столкновений черных дыр — пожалуй, самых мощных событий, которые может вызвать Вселенная, — изменяют длину 4-километровых рукавов LIGO менее чем на ширину протона.

Но вот физические аспекты — вот тут-то мы и говорим по существу.

В настоящее время физики могут использовать суперкомпьютеры для моделирования резких изменений пространства-времени, сопровождающих масштабные события, такие как столкновения черных дыр или сверхновые с коллапсом ядра.

Однако умение рассчитать, как эволюционирует пространство-время, не обязательно раскрывает лежащие в основе физические механизмы, ответственные за передачу энергии.

Здесь может пригодиться гравитационное пересоединение, а магнитное пересоединение на Солнце дает реальный пример. Физики могут моделировать поведение солнечной плазмы, но выявление магнитного пересоединения как механизма, ответственного за высвобождение ее энергии, позволяет им глубже понять, что происходит и почему.

«Что меня особенно примечательно, так это то, что эти принципы дают нам новый способ понять сложную динамику пространства-времени в относительно простых физических терминах», — сказал Комиссо. «Подобно тому, как магнитное пересоединение изменило наше понимание того, как магнитная энергия высвобождается в плазме, гравитационное пересоединение может предоставить столь же мощную основу для понимания того, как гравитационные поля эволюционируют и обмениваются энергией и импульсом с материей».

Однако многое еще предстоит узнать. На данный момент гравитационное пересоединение — это теоретическая возможность, а не явление, которое ученые наблюдали в природе.

Исследователи полагают, что гравитационное пересоединение может происходить в различных астрофизических условиях, например, при слиянии черных дыр или коллапсе звезд.

По словам Комиссо, численное моделирование может помочь определить условия, при которых это происходит, и охарактеризовать, как разворачивается этот процесс.

Особенно заманчивой является возможность того, что гравитационное пересоединение может оставить характерный след в гравитационных волнах, излучаемых сталкивающимися черными дырами. Если это так, то эти модели могут показать, что именно следует искать в данных LIGO-Virgo-KAGRA.

«Наша работа закладывает теоретические основы для гравитационного пересоединения, но нам еще предстоит определить точные условия, при которых оно происходит в природе, и понять его роль в астрофизических явлениях», — сказал Комиссо. «Для нас это один из самых интересных вопросов, которые открыли наши исследования, и мы с нетерпением ждём возможности изучить его подробнее».