Як поверхня океану, тканина Всесвіту постійно коливається з безліччю гравітаційних хвиль, які поширюються по космосу.

Ми можемо нарахувати кількість цих коливань у тризначному числі, і більшість з них пов'язані з зіткненнями між чорними дірами, найщільнішими об'єктами у Всесвіті.

Але як ми знаємо, що кожне зіткнення, яке приписується чорним дірам, є саме тим, чим воно здається? А що з гравітаційними хвилями, які ми ще не виявили?

Що, якби існувало щось інше, що могло б змусити Всесвіт звучати? Що, якби зіткнення червоточин могли створити подібний сплеск – і як ми б це розпізнали?

Для одного конкретного типу червоточини нові моделювання показують, що зіткнення можуть бути надзвичайно дивними – і можуть залишити характерні сигнали в тканині простору-часу.

Згідно з дослідженням, написаним фізиком Нікітою М. Широковим з Московського фізико-технічного інституту та інженером з машинного навчання Іллею Начевським з Вищої школи економіки в Росії, кілька речей можуть статися, коли взаємодіють бінарні червоточини Елліса-Броннікова – і більшість з них є надзвичайно дивними.

Коли ви думаєте про червоточини, ви, напевно, спочатку думаєте про наукову фантастику – про ворота для стрибків, гіперпростір, тунелі через космічні закутки, які забезпечують короткий шлях з одного регіону в інший.

Але, як багато ідей, представлених у Зоряному шляху та Експансії, червоточини міцно закріплені в реальній науковій теорії – математичній можливості, що виникає з теорії відносності Ейнштейна, яка описує гравітацію як вигин простору-часу.

У теорії простір-час може бути вигнутим таким чином, що два віддалені регіони з'єднані тунелем, або горлом – це і є червоточина.

Чи може така структура насправді існувати у Всесвіті – залишається відкритим питанням.

Ви, напевно, чули термін міст Ейнштейна-Розена. Це тип червоточини, яка не може бути перетворена. Інша модель – червоточина Елліса-Броннікова – це прохід, який утримується відкритим чимось, що називається фантомним скалярним полем.

Це гіпотетичне поле має незвичайні негативні енергетичні властивості, які запобігають закриттю горла.

Перетворювальність означає, що щось може пройти через неї, але це не означає, що стабільно, тому чи повинен людина проходити через неї – це інше питання.

Це особливо вірно для червоточин Елліса-Броннікова.

Хоча фантомне скалярне поле може утримувати горло червоточини відкритим, навіть невелике порушення може порушити делікатну рівновагу. Горло може зруйнуватися, утворюючи чорну діру, або почати розширюватися в процесі, званому інфляцією.

Отже, ви б очікували, що якщо дві з цих нестабільних структур якось перетнуться, щось досить руйнівне може статися.

Щоб дізнатися, як можуть виглядати ці феєрверки, Широков і Начевський провели тривимірні моделювання пар червоточин Елліса-Броннікова, змінюючи їх початкову відстань, траєкторії та властивості фантомних скалярних полів, які їх утримують.

Результати виявилися дивно різноманітними.

В залежності від конфігурації, червоточини можуть притягувати або відштовхувати одна одну. Деякі проходили досить близько, щоб взаємодіяти, перш ніж розлетітися, їх горла значно розширювалися в процесі.

Інші кидалися один до одного – але замість того, щоб зливатися в одну більшу червоточину, сталося щось набагато дивніше.

Спільний очевидний горизонт – подібний до горизонту подій чорної діри – утворився навколо обох горл, оточуючи їх разом всередині розвиваючої чорної діри.

Тут стало ще дивніше – тому що цей очевидний горизонт потім зробив те, що горизонти чорних дір не повинні робити.

Він зменшився.

Коли фантомне скалярне поле впало в колапсуючу область простору, горизонт втратив близько 28 відсотків своєї площі.

У звичайних обставинах площа горизонту подій чорної діри може лише збільшуватися або залишатися такою ж, відповідно до теореми про площу чорної діри, запропонованої Стівеном Гокінгом у 1971 році.

Але ця теорема базується на припущеннях про поведінку енергії, які фантомне скалярне поле порушує. Його екзотичні негативні енергетичні властивості дозволяють змодельованому горизонту зменшуватися, а не зростати.

Це не суперечить теоремі про площу, оскільки моделювання стосується очевидного горизонту, а не горизонту подій, і поля, які порушують припущення теореми. Але це все ще вражаючий результат.

Тепер, на цьому етапі, ви, напевно, запитуєте, що все це має спільного з гравітаційними хвилями.

Коли масивні об'єкти, такі як чорні діри, закручуються всередину до зіткнення, їх змінюючийся рух відправляє хвилі через простір-час, як слід від човна на океані. Ось що таке гравітаційні хвилі.

Червоточини, принаймні масивні червоточини Елліса-Броннікова, змодельовані в цьому дослідженні, також повинні генерувати гравітаційні хвилі, коли вони рухаються та взаємодіють.

Але дослідники виявили, що отримані сигнали будуть зовсім іншими, ніж ті, що виробляються парою чорних дір, які закручуються один до одного.

Закручена пара чорних дір має характерний сигнал, званий чирпом, який стає сильнішим і вищим за частотою, коли два об'єкти наближаються один до одного.

На відміну від цього, моделювання зустрічей червоточин виробляло короткі, різкі сплески гравітаційних хвиль.

Точна форма та сила сигналу залежали від того, чи червоточини кидалися один до одного, чи просто торкалися один одного під час проходження.

Цікаво, що деякі з найближчих прольотів виробляли особливо сильні сплески гравітаційних хвиль, навіть без утворення спільного очевидного горизонту.

Це не означає, що сплеск гравітаційної хвилі без чирпу є доказом червоточин. Чорні діри також можуть виробляти такі сигнали за певних обставин.

Один особливо незвичайний сигнал, GW190521, був виявлений у 2019 році і з тих пір досліджувався як можливий підпис екзотичної фізики простору-часу.

Це не означає, що він був вироблений червоточиною, і нові моделювання не встановлюють зв'язок з цією подією. Але це ілюструє, чому важливо розуміти можливі підписи гіпотетичних об'єктів.

Є ще одна проблема. Дослідники зазначають, що червоточини, утворені в ранньому Всесвіті, виробляли б сигнали, розтягнуті космічним розширенням до частот, які далеко нижчі за ті, що можуть бути виявлені гравітаційно-хвильовими обсерваторіями, такими як LIGO та запланована місія LISA.

Щоб ці сигнали були виявлені, червоточини повинні утворитися набагато пізніше в космічній історії – і вчені наразі не знають, як це може статися.

Проте Всесвіт вже не раз дивував нас. І тепер, якщо ми якось зможемо зафіксувати сигнал зіткнення червоточини Елліса-Броннікова, ми матимемо краще уявлення про те, що ми можемо шукати.

Дослідження, яке ще не пройшло рецензування, доступне на сервері попередніх публікацій arXiv.