Гравитационная перезарядка: учёные нашли аналог магнитного пересоединения в теории Эйнштейна

НЬЮ-ЙОРК — Магнитное пересоединение — процесс, лежащий в основе самых мощных выбросов Солнца, — может иметь аналог в гравитации. Согласно новому теоретическому исследованию, листовые структуры в гравитационном поле могут разрываться и соединяться в новых конфигурациях, во многом подобно магнитным силовым линиям, которые вызывают солнечные вспышки .

Исследование, полностью основанное на общей теории относительности Альберта Эйнштейна, описывает, когда может происходить это «гравитационное пересоединение». Оно также предлагает способ измерить, насколько быстро протекает теоретическое пересоединение, и предполагает изменение в том, как гравитация и материя обмениваются энергией. По мнению исследователей, этот процесс может играть роль даже в столкновениях чёрных дыр .

От солнечных вспышек к пространству-времени

Магнитные силовые линии обычно «вморожены» в плазму — горячий электрически заряженный газ, из которого состоят звёзды, — и переносятся вместе с её потоком. Линии можно растягивать и скручивать, но не разрывать. Там, где это правило нарушается, они могут разрываться и соединяться заново в процессе, называемом магнитным пересоединением, высвобождая накопленную энергию взрывными импульсами, такими как солнечные вспышки .

«В физике плазмы пересоединение стало неотъемлемой частью нашего понимания того, как магнитные поля реорганизуются и обмениваются энергией с материей», — сказал Live Science по электронной почте Люка Комиссо, астрофизик из Колумбийского университета и первый автор исследования. «Может ли нечто подобное быть верным для гравитации?» .

«Гравитация и магнетизм описывают совершенно разные аспекты природы, поэтому нет очевидной причины ожидать, что они будут вести себя одинаково», — сказал Комиссо. «Но когда мы выражаем уравнения Эйнштейна в определённой математической форме, некоторые из тех же принципов, которые управляют магнитными полями, проявляются и в гравитации. Мы хотели понять, распространяются ли эти сходства на само пересоединение» .

Комиссо и соавтор исследования Фелипе Асенхо, физик из Университета Адольфо Ибаньеса в Чили, использовали математическую основу, известную как тетрадная формулировка. «Теория Эйнштейна описывает гравитацию через геометрию пространства-времени», — объяснил Комиссо. Но в тетрадной формулировке «определённые аспекты гравитации могут быть выражены через величины, напоминающие электрические и магнитные поля» .

В предыдущем исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters ранее в этом году, исследователи применили эту основу к гравитации. Та работа предполагала, что гравитационные поля могут образовывать двумерные структуры, называемые листами гравитационного поля. Из двух измерений листов одно простирается в пространстве, а другое — во времени, так что каждый лист представляет собой след, который оставляет линия с течением времени. Снимок в любой момент поэтому застаёт каждый лист как линию, подобную силовым линиям, нарисованным вокруг магнита. И, как магнитные силовые линии, вмороженные в плазму, «при определённых условиях эти листы эволюционируют, не разрываясь и не меняя своей связности», — сказал Комиссо .

Перестройка гравитации

В новом исследовании, опубликованном 28 октября в журнале Physical Review D, исследователи обнаружили, что это не всегда так. «Листы гравитационного поля могут разрываться и соединяться в другой конфигурации, во многом как магнитные силовые линии в плазме», — сказал Комиссо .

Исследователи показали, что нарушение правила вмороженности само по себе не гарантирует пересоединения. Иногда листы лишь скользят относительно потока, который их переносит, оставаясь целыми, поскольку остаются вмороженными в другой поток. Настоящее пересоединение происходит только тогда, когда такого альтернативного потока не существует .

«Мы также вывели уравнения, описывающие, насколько быстро может происходить это пересоединение и как оно может влиять на передачу энергии и импульса», — сказал Комиссо. В общей теории относительности гравитация и материя могут обмениваться энергией и импульсом, причём сохраняется только их суммарное количество. Исследование показывает, что пересоединение изменяет локальную скорость этого обмена. Пересоединение также изменяет гравитационную спиральность — гравитационный аналог величины, измеряющей, насколько скручены и переплетены магнитные силовые линии. Вмороженные листы сохраняют свою спиральность фиксированной, но пересоединение может создавать или уничтожать её .

Выводы не требуют новой физики. «Всё следует из общей теории относительности Эйнштейна», — сказал Комиссо. «Эйнштейн разработал свою теорию более века назад, и она прошла необычайное количество экспериментальных проверок. И всё же даже спустя более чем столетие из этих же уравнений можно получить новые идеи» .

Подсказки от сталкивающихся чёрных дыр

Что могло бы вызывать гравитационное пересоединение в природе, остаётся открытым вопросом. Среди кандидатов, предложенных исследователями, — сингулярности, которые, как считается, скрываются в сердцах чёрных дыр, и совокупный эффект гравитационных колебаний, слишком малых, чтобы отслеживать их по отдельности. Квантовые эффекты, связанные с излучением Хокинга — слабым свечением, которое, по прогнозам, испускают чёрные дыры, — также могут играть роль .

«Мы всё ещё в начале, но одна из самых интересных возможностей состоит в том, что гравитационное пересоединение может играть роль в экстремальных событиях, таких как слияние двух чёрных дыр или столкновение нейтронных звезд, — сказал Комиссо. — Это среды, где гравитация чрезвычайно сильна, а геометрия пространства-времени резко меняется» .

Такие столкновения испускают рябь в пространстве-времени, называемую гравитационными волнами, которую детекторы, такие как LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), регистрируют с 2015 года. «Мы хотели бы понять, может ли гравитационное пересоединение способствовать передаче энергии и может ли оно оставлять распознаваемую подпись в гравитационных волнах, — добавил Комиссо. — Мы пока не знаем ответов, но это вопросы, которые мы теперь можем начать исследовать» .

Работа Комиссо и Асенхо интересна прежде всего тем, что она переносит хорошо разработанный в физике плазмы аппарат на почву общей теории относительности, не вводя никакой новой физики. Это редкий случай, когда аналогия между двумя разными разделами физики оказывается не просто метафорой, а строгим математическим результатом: тетрадная формулировка позволяет описать гравитационное поле в терминах, структурно близких к электромагнитным, и в этих терминах действительно возникают аналоги пересоединения, спиральности и обмена энергией с материей.

Однако главный вопрос — наблюдаем ли этот эффект — остаётся открытым. Гравитационное пересоединение, если оно существует, должно происходить в экстремальных условиях: вблизи горизонтов чёрных дыр, при слияниях компактных объектов или в ранней Вселенной, где квантовые эффекты уже нельзя игнорировать. Именно там детекторы гравитационных волн следующего поколения — такие как Einstein Telescope и Cosmic Explorer — могли бы искать характерные signatures, предсказанные теорией. Пока же исследование задаёт язык и уравнения, с помощью которых физики смогут ставить конкретные вопросы: как пересоединение влияет на форму гравитационно-волнового сигнала, может ли оно ускорять или замедлять слияние, оставляет ли оно след в поляризации волн. Для фундаментальной физики это важный шаг: даже если гипотеза не подтвердится, она заставляет пересмотреть границы применимости аналогий между гравитацией и электромагнетизмом — и, возможно, лучше понять, почему эти две силы, столь разные по природе, демонстрируют столь схожие математические структуры.

Источники: Live Science, Physical Review D, Physical Review Letters, Колумбийский университет, Университет Адольфо Ибаньеса, LIGO.