Физики из Колумбийского университета (Columbia University) в США и Университета Адольфо Ибаньеса (Universidad Adolfo Ibáñez) в Чили представили теоретическое описание процесса, который назвали гравитационным пересоединением. Процесс работает подобно магнитному пересоединению, например при вспышках на Солнце, только в данном случае речь идёт о гравитационных полях.
Источник изображения: ИИ-генерация Grok/3DNews
О серьёзности работы говорит её публикация в журнале Physical Review D и финансирование NASA. Учёные обосновали, что при определённых условиях структуры гравитационного поля могут изменять взаимное соединение, что будет сопровождаться перераспределением энергии между гравитационным полем и веществом. Исследование основано на новом способе математического представления уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Авторы не утверждают, что обнаружили этот процесс экспериментально: всё это пока теория, но внутренне она непротиворечива.
Идея возникла у автора работы из Чили, который годами работал с плазмой. В физике плазмы магнитное пересоединение — это хорошо известный процесс, при котором магнитные силовые линии меняют конфигурацию, высвобождая накопленную энергию и передавая её заряженным частицам (плазме). Солнце регулярно выбрасывает облака плазмы в разных направлениях, в том числе в сторону Земли, вызывая интенсивные полярные сияния, когда такие облака точно попадают в цель.
Безусловно, с гравитацией всё сложнее, поскольку в общей теории относительности пространство-время имеет четыре измерения, поэтому соответствующие структуры гравитационного поля математически описываются не линиями, а поверхностями, или листами, тогда как при описании магнитных полей оперируют линиями (мы все их видели, поднеся магнит к железным опилкам). Ещё одна важная оговорка: к счастью или нет, но в процессе пересоединения гравитационных полей разрыва пространства-времени не происходит. Учёные описывают этот процесс как изменение связности полей — ни в пространстве, ни во времени никто не потеряется.
В основе работы лежит так называемая тетрадная формулировка общей теории относительности (тетрада — это четвёрка по-гречески), в которой геометрические свойства пространства-времени выражаются с помощью локальных систем отсчёта — наборов из четырёх взаимно независимых векторов. Авторы рассматривают условие, аналогичное закону Ома для идеальной плазмы: при его выполнении сохраняются гравитационные потоки и связность полевых листов. Если это условие нарушается, связность может измениться и возникает гравитационное пересоединение.
В статье исследователи также выводят количественные характеристики скорости такого процесса и анализируют его влияние на обмен энергией и импульсом между гравитационным полем и веществом, а также на ряд других параметров.
Практическое значение этой работы ещё предстоит установить. Учёные считают, что предложенный подход поможет анализировать динамику сильно искривлённого пространства-времени, в частности при слиянии чёрных дыр и других компактных объектов. Сейчас подобные процессы изучают преимущественно методами численной теории относительности, решая уравнения Эйнштейна на суперкомпьютерах. Новая теория может дать дополнительные ограничения для таких расчётов и помочь оценить возможные изменения энергии, выделяемой при астрофизических событиях.
К слову, гравитационно-волновые обсерватории вроде LIGO не интерпретируют результаты наблюдений самостоятельно. Чтобы понять суть зарегистрированного ими сигнала, для начала запускают множество симуляций и только после этого ищут совпадение между полученными моделями и зарегистрированным сигналом. Если исходные данные для моделей в чём-то ошибочны, это приведёт к неправильной интерпретации наблюдения.
Тем самым ещё один канал получения данных о сильных гравитационных возмущениях, сопровождающихся возможной передачей энергии веществу, лишним не будет, если предложенная теория найдёт подтверждение в астрофизических явлениях. Но это уже другая история.
А если подключить фантазию, то можно представить космические электростанции, основанные на пересоединении гравитационных полей чёрных дыр и других компактных объектов.