Гравитация может «разрываться» и соединяться заново: что выяснили физики

Гравитация кажется одной из самых предсказуемых сил природы. Она удерживает нас на поверхности Земли, управляет движением планет и формированием галактик. Однако новые расчёты показали, что гравитационные поля могут обладать весьма неожиданным свойством: при определённых условиях их связи способны разрываться и восстанавливаться в другой конфигурации.

К такому выводу пришли физики Лука Комиссо из Колумбийского университета и Фелипе Асенхо из чилийского Университета Адольфо Ибаньеса. Причём для этого им не потребовалось придумывать новые законы физики. Необычное поведение гравитации удалось обнаружить в уравнениях общей теории относительности, предложенной Альбертом Эйнштейном более ста лет назад.

Чтобы понять суть открытия, стоит обратиться к другому хорошо известному явлению — магнитным вспышкам на Солнце.

Солнце пронизано мощными магнитными полями, взаимодействующими с плазмой — раскалённым электрически заряженным веществом. Обычно магнитные силовые линии сохраняют свои связи даже при движении плазмы. Но иногда эти связи перестраиваются: линии словно разрываются и соединяются с другими линиями, образуя новую конфигурацию. Этот процесс называется магнитным пересоединением и сопровождается высвобождением огромного количества энергии. Именно он играет ключевую роль в возникновении солнечных вспышек.

Исследователи предположили, что нечто похожее может происходить и с гравитационными полями. Основания для такой идеи существовали давно: уравнения Эйнштейна можно записать в форме, напоминающей уравнения электромагнетизма. Однако до сих пор оставалось неясным, насколько далеко простирается это сходство.

В предыдущей работе физики установили, что при определённых условиях гравитационные поля способны сохранять связи между различными областями пространства-времени, даже когда оно изменяется. Подобным образом ведут себя магнитные поля в движущейся плазме.

Тогда возник следующий вопрос: если магнитные поля могут не только сохранять, но и перестраивать свои связи, почему гравитационные поля не могут делать то же самое?

Вернувшись к уравнениям Эйнштейна, исследователи выяснили, что такая возможность действительно существует. Когда условия, обеспечивающие сохранение связей, нарушаются, гравитационное поле при определённых обстоятельствах может переходить в новую конфигурацию. Учёные назвали этот процесс гравитационным пересоединением.

Однако здесь есть важная особенность. Магнитное поле удобно изображать в виде силовых линий, проходящих через трёхмерное пространство. Для описания гравитационного поля исследователи используют другую геометрическую модель — своеобразные поверхности, протянувшиеся через четырёхмерное пространство-время, включающее три пространственных измерения и время.

Эти поверхности не существуют как материальные объекты. Они представляют собой математический способ описания гравитационного поля. По мере изменения пространства-времени такие поверхности могут растягиваться, изгибаться, а при определённых условиях — разрывать прежние связи и устанавливать новые.

При этом речь вовсе не идёт о буквальном разрыве пространства или времени. Перестраивается математическая структура, описывающая связи гравитационного поля между различными областями пространства-времени.

Но зачем вообще понадобилось искать такое свойство?

Современные суперкомпьютеры позволяют моделировать чрезвычайно сложные события, например столкновения чёрных дыр или коллапс массивных звёзд. Однако даже подробная модель изменения пространства-времени не всегда помогает понять, какие именно физические процессы отвечают за передачу энергии и импульса.

Аналогичная проблема существует при изучении Солнца. Можно подробно рассчитать движение солнечной плазмы и изменение магнитного поля, но понимание механизма магнитного пересоединения объясняет, почему при определённых условиях происходит мощное высвобождение энергии.

Исследователи надеются, что гравитационное пересоединение позволит похожим образом разобраться в сложной динамике пространства-времени и взаимодействии гравитационных полей с веществом.

Особый интерес представляют столкновения чёрных дыр. Когда два таких объекта сближаются и сливаются, возникают гравитационные волны — распространяющиеся возмущения пространства-времени. Их воздействие чрезвычайно мало: даже при регистрации волн от подобных катастрофических событий изменение длины четырёхкилометровых измерительных установок может оказаться меньше диаметра протона.

Физики допускают, что гравитационное пересоединение может происходить во время слияния чёрных дыр или коллапса звёзд. Более того, существует вероятность, что этот процесс оставляет характерные особенности в гравитационных волнах. Если численные расчёты позволят определить такие признаки, их можно будет искать в данных действующих гравитационно-волновых обсерваторий.

Впрочем, пока это лишь теоретическая возможность. Исследователи математически показали, что гравитационное пересоединение допускается общей теорией относительности, но не доказали, что оно действительно происходит во Вселенной. Предстоит выяснить, какие условия необходимы для его возникновения и насколько существенную роль оно может играть в реальных астрофизических процессах.

Тем не менее работа показывает, что даже в хорошо изученных уравнениях Эйнштейна могут скрываться неожиданные физические закономерности. Более века общая теория относительности успешно объясняет поведение гравитации, но, как выясняется, далеко не все её возможности уже раскрыты.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review D.