Физики смоделировали столкновение двух кротовых нор: привычные законы физики не сработали

Физики впервые подробно смоделировали в трёх измерениях взаимодействие двух кротовых нор определённого типа и обнаружили несколько необычных сценариев. Эти гипотетические туннели в пространстве-времени могут отталкиваться, разлетаться после сближения или оказаться внутри формирующейся чёрной дыры. В одном из случаев горизонт, окружавший обе кротовые норы, уменьшился почти на треть — поведение, которое резко отличается от привычных представлений о чёрных дырах.

Исследование провели физик Никита Широков из Московского физико-технического института и инженер машинного обучения Илья Начевский из Высшей школы экономики. Их работа посвящена кротовым норам Эллиса — Бронникова, существование которых допускается математическими моделями, основанными на общей теории относительности Эйнштейна.

Кротовые норы обычно ассоциируются с научной фантастикой, где они позволяют мгновенно перемещаться между отдалёнными областями космоса. Однако сама идея таких объектов возникла из реальной физической теории.

Согласно общей теории относительности, гравитация представляет собой искривление пространства-времени. Математически возможно представить такую его конфигурацию, при которой две удалённые области соединяются своеобразным туннелем. Именно такую структуру называют кротовой норой.

Существуют ли подобные объекты в реальной Вселенной, пока неизвестно. Тем не менее физики исследуют различные модели, чтобы понять, какими свойствами они могли бы обладать и как их существование можно было бы обнаружить.

Одна из известных разновидностей — мост Эйнштейна — Розена. Такой туннель нельзя использовать для перемещения сквозь пространство-время. Но существуют и математические модели проходимых кротовых нор, включая кротовые норы Эллиса — Бронникова.

В этой модели туннель удерживается открытым благодаря гипотетическому фантомному скалярному полю. Оно обладает необычными свойствами, связанными с отрицательной энергией, которые препятствуют схлопыванию горловины — узкой части, соединяющей две области пространства-времени.

Однако проходимость ещё не означает устойчивости. Даже небольшое возмущение способно нарушить хрупкое равновесие такой структуры. В результате горловина может схлопнуться с образованием чёрной дыры либо начать неконтролируемо расширяться. Последний процесс называют инфляцией.

Поэтому встреча двух подобных объектов теоретически должна сопровождаться чрезвычайно необычными явлениями. Именно это исследователи и решили проверить.

Широков и Начевский создали трёхмерные компьютерные модели взаимодействия пар кротовых нор Эллиса — Бронникова. Они изменяли начальное расстояние между объектами, траектории их движения и свойства фантомных полей, удерживающих туннели открытыми.

Результаты оказались разнообразными. В зависимости от исходных условий кротовые норы могли как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга.

В некоторых моделях они сближались, взаимодействовали и затем разлетались в разные стороны. При этом их горловины начинали резко расширяться.

В других случаях объекты двигались навстречу друг другу, однако вместо ожидаемого объединения в одну большую кротовую нору происходило нечто гораздо более необычное.

Вокруг обеих горловин возникал общий видимый горизонт — граница, по некоторым свойствам напоминающая горизонт событий чёрной дыры. Две кротовые норы оказывались заключены внутри общей области, где формировалась чёрная дыра.

Затем этот горизонт начинал уменьшаться.

По мере того как фантомное скалярное поле попадало в схлопывающуюся область пространства, площадь общего видимого горизонта сокращалась. В одной из моделей она уменьшилась примерно на 28%.

Это особенно интересно с точки зрения известной теоремы Стивена Хокинга о площади горизонта чёрных дыр, предложенной в 1971 году.

Согласно этой теореме, при выполнении определённых физических условий площадь горизонта событий чёрной дыры не может уменьшаться. Она должна либо увеличиваться, либо оставаться неизменной.

Однако фантомное скалярное поле нарушает условия, на которых основано это утверждение. Его необычные свойства, связанные с отрицательной энергией, допускают сокращение площади горизонта.

При этом исследователи подчёркивают, что прямого противоречия теореме Хокинга нет. Во-первых, в моделировании рассматривался видимый горизонт, а не горизонт событий. Во-вторых, использованное поле не удовлетворяет предпосылкам самой теоремы.

Тем не менее результат показывает, насколько необычно могут вести себя гипотетические структуры пространства-времени при взаимодействии.

Но главная практическая ценность исследования связана с возможностью обнаруживать такие события по гравитационным волнам.

Пространство-время постоянно испытывает колебания, которые распространяются по Вселенной. На сегодняшний день учёные зарегистрировали уже более сотни гравитационно-волновых событий, большинство из которых связывают со столкновениями чёрных дыр.

Когда две массивные чёрные дыры вращаются вокруг общего центра масс и постепенно сближаются, они создают гравитационные волны. Их можно сравнить с расходящимися по воде волнами от движущейся лодки.

По мере сближения чёрных дыр частота и интенсивность сигнала возрастают. Такой характерный сигнал называют «чирпом» — он напоминает короткий звук, тон которого быстро повышается.

Но как отличить столкновение чёрных дыр от взаимодействия других массивных объектов, если подобные объекты действительно существуют?

Моделирование показало, что встречи кротовых нор Эллиса — Бронникова могут создавать гравитационно-волновые сигналы совершенно другого характера.

Вместо продолжительного сигнала с постепенно возрастающей частотой исследователи получили короткие и резкие всплески гравитационных волн.

Их интенсивность и форма зависели от траекторий движения кротовых нор. Одни сигналы возникали при непосредственном сближении объектов, другие — при прохождении на небольшом расстоянии друг от друга.

Особенно интересно, что некоторые близкие пролёты создавали мощные всплески гравитационных волн даже без образования общего видимого горизонта. То есть сильный сигнал мог возникать, хотя две кротовые норы не оказывались внутри одной формирующейся чёрной дыры.

Однако отсутствие привычного «чирпа» ещё не доказывает, что источником гравитационных волн стали кротовые норы. Чёрные дыры при определённых обстоятельствах тоже способны создавать короткие всплески.

Один из необычных сигналов, получивший обозначение GW190521, был зарегистрирован в 2019 году. Впоследствии его исследовали в том числе как возможное проявление экзотических физических процессов в пространстве-времени.

Это не означает, что сигнал действительно породили кротовые норы. Новое моделирование также не устанавливает никакой связи с этим событием. Однако подобные наблюдения показывают, почему важно заранее изучать возможные признаки гипотетических космических объектов.

Есть и серьёзная проблема, связанная с обнаружением предсказанных сигналов.

Авторы отмечают, что если кротовые норы возникли в ранней Вселенной, то порождённые ими гравитационные волны за время космического расширения должны были сильно растянуться. Их частоты оказались бы значительно ниже диапазона чувствительности современных детекторов, таких как ЛИГО, и даже планируемой космической обсерватории ЛИЗА.

Чтобы подобные сигналы можно было зарегистрировать, кротовые норы должны были сформироваться значительно позднее в истории Вселенной. Но физики пока не знают механизма, который мог бы обеспечить их появление в таких условиях.

Поэтому результаты исследования не свидетельствуют о реальном существовании кротовых нор и не означают, что их столкновения уже наблюдались. Работа показывает лишь возможное поведение конкретной математической модели этих объектов.

Тем не менее учёные получили новые сведения о том, как взаимодействие гипотетических туннелей пространства-времени может влиять на образование чёрных дыр и распространение гравитационных волн.

Если в будущем астрономы обнаружат сигнал, напоминающий предсказанные моделированием короткие всплески, у них появится ещё один сценарий, с которым можно будет сравнить результаты наблюдений.

Исследование пока не прошло независимое научное рецензирование и доступно на сервере предварительных публикаций arXiv.