Фізики показали як гравітація розривається й з’єднується наново

Гравітація як поле в просторі-часі

У повсякденному досвіді гравітація сприймається як сила, що притягує нас до Землі. Але в загальній теорії відносності вона описується як поле — викривлення простору-часу масою та енергією, яке визначає траєкторії руху матерії та світла.

Рівняння Ейнштейна, що описують цю кривину, дозволяють передбачати, зокрема, відхилення світла поблизу масивних об’єктів і гравітаційні хвилі від злиття чорних дір. Вони багаторазово проходили експериментальні перевірки у «класичному» Всесвіті.

Втім, у космосі існують й інші поля. На Сонці, наприклад, гігантські магнітні поля пронизують заряджену плазму. Їхні заплутані лінії можуть розриватися та знову з’єднуватися в іншому порядку в процесі, відомому як магнітне перез’єднання. Саме воно вивільняє енергію, що живить сонячні спалахи.

Коміссо та Асеньйо продемонстрували математично, що гравітація може мати подібну «хитрість» у своєму арсеналі.

Від аналогії з магнітними полями до гравітаційного перез’єднання

Фізики давно знали, що рівняння Ейнштейна можна переписати у формах, схожих на рівняння електромагнетизму. Це наштовхнуло Коміссо й Асеньйо на думку, що гравітація може поділяти деякі властивості з магнітними полями. Але масштаб цієї аналогії став зрозумілим лише після детальних аналітичних розрахунків.

Початок був покладений у їхній попередній роботі, виконаній разом із фізикинею Марікармен А. Вінклер (Maricarmen A. Winkler). Там вони показали, що за певних умов гравітаційні поля можуть поводитися так, ніби їхні «зв’язки» між різними ділянками простору-часу зафіксовані й зберігаються навіть у процесі еволюції Всесвіту.

Це нагадало їм поведінку магнітних полів у зарядженій плазмі, де лінії поля можуть залишатися взаємопов’язаними, хоча сама плазма тече й змінює форму. Але в плазмі ці зв’язки не завжди зберігаються: коли умови порушуються, відбувається магнітне перез’єднання, і магнітні лінії перепід’єднуються, змінюючи, які області простору з’єднані полем.

Тож дослідники запитали себе, чи може щось подібне статися з гравітаційними полями.

Аркуші гравітаційного поля в чотиривимірному просторі-часі

Щоб відповісти на це запитання, Коміссо й Асеньйо повернулися до рівнянь Ейнштейна, використавши математичну формулювання, де подібність між гравітацією та електромагнетизмом проявляється особливо чітко. Вони дослідили, що відбувається, коли умови, що «заморожують» гравітаційні зв’язки, руйнуються.

Результат: за певних обставин гравітаційні поля можуть перепід’єднуватися в нові конфігурації. Цей процес дослідники назвали гравітаційним перез’єднанням.

Коміссо пояснює, що замість звичних «ліній» у тривимірному просторі, гравітаційне поле утворює «аркуші», які простягаються через чотиривимірний простір-час (три просторові виміри плюс час). Як і лінії магнітного поля, ці аркуші — не фізичні об’єкти, а математичні структури, що допомагають уявити гравітаційне поле.

У процесі еволюції простору-часу ці аркуші можуть розтягуватися, згинатися, а за певних умов — розриватися й знову з’єднуватися в іншому порядку. Це не означає, що сам простір-час «рветься», пояснюють автори. Йдеться про зміну того, як гравітаційне поле пов’язує між собою різні області простору-часу.

Можливі наслідки для астрофізики

Якщо гравітаційне перез’єднання справді відбувається у Всесвіті, його наслідки не обов’язково будуть безпосередньо помітними. Навіть гравітаційні хвилі від злиття чорних дір — одні з найенергійніших подій у космосі — змінюють довжину 4-кілометрових плечей детектора LIGO менше, ніж на ширину протона.

Однак фізичні висновки з нової роботи можуть виявитися суттєвими. Сучасні суперкомп’ютери дозволяють моделювати драматичні зміни простору-часу під час злиття чорних дір чи колапсу зоряних ядер. Але сам факт, що ми можемо обчислити еволюцію простору-часу, ще не пояснює, який саме фізичний механізм відповідає за перенесення та вивільнення енергії.

У випадку Сонця і плазми магнітне перез’єднання стало ключем до розуміння того, як вивільняється магнітна енергія. Аналогічно гравітаційне перез’єднання може дати простішу й інтуїтивнішу картину того, як гравітаційні поля змінюються та обмінюються енергією й імпульсом із речовиною.

Коміссо підкреслює, що ці принципи пропонують новий спосіб описати складну динаміку простору-часу в відносно простих фізичних термінах. Як магнітне перез’єднання колись трансформувало наше розуміння плазми, так гравітаційне перез’єднання потенційно може стати потужною рамкою для опису еволюції гравітаційних полів.

Теорія, що чекає перевірки

Поки що гравітаційне перез’єднання залишається теоретичною можливістю, а не спостережуваним явищем. Дослідники вважають, що воно може відбуватися в різних астрофізичних умовах, наприклад під час злиття чорних дір чи колапсу масивних зір.

Чисельні моделювання можуть допомогти визначити, за яких саме умов запускається це перез’єднання й як воно розгортається. Особливо приваблива ідея полягає в тому, що гравітаційне перез’єднання може залишати помітний «відбиток» у гравітаційних хвилях, які випромінюють чорні діри під час злиття.

Якщо такі особливі сигнатури існують, комп’ютерні симуляції могли б підказати, що саме шукати в даних обсерваторій LIGO, Virgo та KAGRA. Коміссо зазначає, що нинішня робота закладає теоретичні основи гравітаційного перез’єднання, але ще потрібно точно з’ясувати, за яких умов воно реально трапляється в природі та яку роль відіграє в астрофізичних процесах.

Дослідження опубліковане в журналі Physical Review D.

Фізики показали як гравітація розривається й з’єднується наново з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com