Физик из Италии Лука Комиссо и Чили Фелипе Асенхо исследовали уравнения Эйнштейна в форме, напоминающей уравнения плазмы, и разработали математическую теорию "гравитационного пересоединения".
По аналогии с разрывом и восстановлением магнитных силовых линий в плазме, гравитационные «листы» пространства-времени могут разрываться и слипаться, передавая энергию от поля к веществу.
Спустя более ста лет после того, как Альберт Эйнштейн сформулировал уравнения гравитации, ученые продолжают открывать новые свойства в них. Один из эффективных методов — переписать уравнения в других переменных. Это позволяет взглянуть на гравитацию с точки зрения других областей физики.
Комиссо и Асенхо переформулировали Общую теорию относительности так, чтобы она напоминала электродинамику и физику плазмы — раскаленных газов, составляющих Солнце и большую часть космоса. В этой записи у гравитационного поля появляются аналоги электрических и магнитных величин.
Один из ключевых процессов в плазме — магнитное пересоединение. Силовые линии магнитного поля растягиваются, перекручиваются, разрываются и слипаются в новой конфигурации, высвобождая энергию. Так возникают солнечные вспышки. Ранее ученые установили, что в идеальной эволюции гравитационного поля существуют топологические запреты, аналогичные "вмороженности" магнитных линий.
Авторы нового исследования разработали теорию, объясняющую, как гравитационное поле может разрываться и пересоединяться. Результаты опубликованы на сайте Physical Review D.
Из-за четырехмерной природы пространства-времени гравитация представлена «листами» — пучками линий, сложенными в плоскости. Это математические абстракции, а не физические объекты. В идеальных условиях эти листы сохраняют свою связность: они деформируются, но не разрываются и не слипаются.
Теоретики ослабили это условие, введя величину, описывающую отклонения. Оказалось, что само по себе отклонение не всегда приводит к пересоединению: в некоторых случаях его можно устранить, переопределив поле переноса, и запрет восстанавливается. Настоящее пересоединение происходит, когда отклонение нельзя устранить таким способом.
Схема показывает листы гравитационного поля и линию их пересечения — место, где, по расчетам теоретиков, поле может изменять свою связность.
Далее физики ввели количественные меры скорости пересоединения, аналогичные магнитному пересоединению в плазме. Они показали, что этот процесс меняет обмен энергией и импульсом между гравитационным полем и веществом, а также вызывает рождение и исчезновение гравитационной спиральности — величины, описывающей запутанность поля. Источниками неидеальности могут быть сингулярности пространства-времени, такие как чёрные дыры, эффекты квантового излучения Хокинга или модификации Общей теории относительности (ОТО).
Физики пришли к выводу, что гравитационное пересоединение — это математически возможный механизм, который одновременно перестраивает структуру поля, перераспределяет энергию между полем и веществом и изменяет спиральность. Однако проверка этой теории в реальных сценариях, например, при слиянии черных дыр, остается задачей будущих исследований.
Если гравитационное пересоединение действительно произойдет при слиянии черных дыр, оно оставит следы в энергии событий и форме гравитационных волн, фиксируемых обсерваториями, такими как LIGO. Проверка этой гипотезы — следующий шаг в науке.