Может ли рябь пространства-времени указывать на червоточины?

Пространство-время, как мы знаем сегодня, представляет собой физическую модель, которая дополняет пространство равноправным временным измерением. Благодаря этой модели была создана теоретически-физическая конструкция, которая получила название пространственно-временной континуум. Важно отметить, что до Общей теории относительности Эйнштейна, понимание фундаментальных законов физики было неполным, но публикация ОТО в 1905 году оставила немало вопросов, одним из которых являлись черные дыры и червоточины – «туннеле» в пространстве-времени, соединяющим различные точки пространства-времени. И если существование черных дыр удалось доказать несколько лет назад, то с кротовыми норами все не так однозначно – они принадлежат к гипотетически существующим объектам. Но некоторые ученые считают, что скоро мы тоже сможем их найти. Так, за последние несколько месяцев было опубликовано сразу несколько научных исследований, которые предлагают новые, интригующие способы поиска этих космических объектов.

Интересный факт
Ученые сообщают, что черная дыра, вращающаяся вокруг червоточины, будет излучать особый рисунок гравитационных волн — уникальный для червоточин.

Как найти кротовую нору?

Начнем с того, что черные дыры и кротовые норы – это особые типы решений уравнений Эйнштейна, возникающие, когда структура пространства-времени сильно искривляется гравитацией. Например, когда материя чрезвычайно плотна, ткань пространства-времени может стать настолько искривленной, что даже свет не сможет вырваться наружу. Такие объекты мы называем черными дырами.

Поскольку ОТО позволяет растягивать и изгибать ткань пространства-времени, в 1935 году Эйнштейн и его коллега физик Натан Розен описали, как два участка пространства-времени можно соединить воедино, создав своего рода мост между двумя вселенными. Это – один из видов червоточины, но с тех пор было описано множество других.

Мост Эйнштейна-Розена – участок на изображении, соединяющий два листа пространства-времени.

Говоря о кротовых норах, нельзя не упомянуть гравитационные волны, существование которых было доказано в 2015 году. Дело в том, что с помощью мощных детекторов LIGO и VIRGO, исследователи уже обнаружили черные дыры, но их следующее открытие может перевести кротовые норы из гипотетических объектов, в реально существующие. А если червоточины существуют, то снаружи могут показаться похожими на черные дыры.

Разница между червоточиной и черной дырой заключается в том, что попав в черную дыру объект не сможет из нее вырваться, а оказавшись в кротовой норе, он сможет пройти сквозь нее прямо на другую сторону. Сила, которую мы воспринимаем как гравитацию, на самом деле является результатом искривления пространства-времени.

Странности Вселенной

Итак, планеты вращаются вокруг Солнца, потому что оно создает форму чаши в ткани пространства. (Проще всего представить планеты в виде шариков, которые кружат вокруг и внутри этой чащи). Черные дыры, в свою очередь, искривляют пространство-время в пропасти настолько глубокие, что ничто не может покинуть их. Но пространство-время может также изгибаться в другие странные формы, например в туннели.

Червоточина, показанная здесь, представляет собой туннель в пространстве-времени, соединяющий различные части Вселенной.

Эти туннели или червоточины, могли бы обеспечить кратчайший путь между двумя удаленными местами в пространстве и времени или между двумя разными вселенными. Пространство-время может искривляться, но оно также может колебаться. Эти волны называются гравитационными и могут указывать на червоточины.

Гравитационные волны, черные дыры и червоточины

Исследователи полагают, что черная дыра, закручивающаяся по спирали в червоточину, должна создавать странный узор ряби в пространстве-времени. И при наличии правильных инструментов некоторые обсерватории могли бы их обнаружить.

Вход и выход из кротовый норы, скорее всего, выглядит так.

К такому выводу пришли физики в работе, опубликованной в середине лета на сервере препринтов arXiv.org. Волны от пары черная дыра-червоточина будут мигать и включаться, когда черная дыра пройдет через червоточину, а затем снова выйдет. Но на сегодняшний день никаких свидетельств существования этих объектов не существует.

Кротовые норы, безусловно, спекулятивные, с большой буквы «С», — говорит Уильям Габелла. Он – физик из Университета Вандербильта в Нэшвилле, штат Теннесси. Однако, если червоточины действительно существуют, у исследователей должен быть шанс их обнаружить. Для этого просто потребовались бы правильные условия и детектор гравитационных волн.

Путешествие черной дыры сквозь червоточину

Как пишет Live Science, команда Габелла рассматривала черную дыру с массой, в пять раз превышающей массу Солнца. Они представили, что черная дыра вращается вокруг червоточины на расстоянии около 1,6 миллиарда световых лет от Земли. По их расчетам, когда черная дыра вращается вокруг червоточины, она должна начать вращаться по спирали внутрь, высвободив гравитационные волны.

Причем сначала они выглядели бы точно так же, как гравитационные волны от двух черных дыр. Структура волн, которую некоторые физики называют чириканьем, со временем будет увеличиваться по частоте. Но достигнув центра червоточины, или «горлышка», черная дыра пройдет через него.

Мост Эйнштейна-Розена в представлении художника.

Затем исследователи рассмотрели, что произойдет, если черная дыра возникнет в отдаленном месте. Например, в другой вселенной. В этом случае гравитационные волны в первой вселенной внезапно прекратились бы, а во второй вселенной черная дыра «выстрелила» бы наружу, прежде чем снова закрутиться по спирали. Затем она должна пройти весь путь обратно через червоточину и снова попасть в первую вселенную.

Когда черная дыра вернется, она сначала будет по спирали выходить из червоточины. Это может вызвать “анти-чириканье” — картину гравитационных волн, противоположных чириканью, — прежде чем снова погрузиться в это состояние, – пишут авторы научной работы.

Со временем черная дыра будет продолжать прыгать между двумя вселенными, что должно вызвать повторные всплески гравитационных волн. Но между ними были бы периоды молчания – как только черная дыра потеряет достаточно энергии для создания гравитационных волн, ее путешествие закончится и она осядет в горлышке червоточины.