Физики Лука Комиссо и Фелипе Асенхо отталкивались от хорошо изученного явления физики плазмы. В плазме — ионизированном газе, из которого состоят звезды, — силовые линии магнитного поля растягиваются и закручиваются, пока не перестроятся: они разрываются и соединяются заново в другой конфигурации. Запасенная в поле энергия при этом переходит к частицам плазмы. Так рождаются солнечные вспышки.
Ученые нашли необычный способ передачи энергии в пространстве-времени
Физики из Колумбийского университета и чилийского Университета Адольфо Ибаньеса обнаружили в уравнениях Эйнштейна процесс, похожий на магнитное пересоединение, которое питает солнечные вспышки. Структуры гравитационного поля способны разрывать и заново устанавливать свои связи, передавая при этом энергию веществу. Авторы назвали явление гравитационным пересоединением.
Теория общей относительности Эйнштейна предсказывает, что массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя. Аппарат NASA «Gravity Probe B» действительно обнаружил искривление вокруг Земли. NASA
Возмущение эргосферы черной дыры. Авторы работы Лука Комиссо и Фелипе Асенхо уже связывали пересоединение с гравитацией. В 2021 году они показали, что магнитное пересоединение в эргосфере вращающейся черной дыры (своего рода ее внешней оболочке) способно отбирать у нее энергию вращения. Перестройка поля выбрасывает сгустки плазмы: одни, с отрицательной для удаленного наблюдателя энергией, падают в дыру, другие уносят избыток. Это вариант процесса, предложенного Роджером Пенроузом в 1969 году.
Солнечная вспышка 14 декабря 2014 года: выброс отрывается от поверхности.
С гравитацией все сложнее: общая теория относительности описывает не трехмерное пространство, а четырехмерное пространство-время. Поэтому вместо силовых линий здесь возникают, по выражению Луки Комиссо, «листы»: добавьте к линии еще одно измерение, и получится плоскость. Это математические конструкции, а не физические поверхности. Авторы показали, что когда нарушаются условия, сохраняющие связность таких листов, листы могут пересоединиться, и тогда энергия гравитационного поля переходит в материю. Работа опубликована в журнале Physical Review D.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Скрытые правила
Схематическое изображение соседних слоев гравитационного поля, связанных с 2-формой Fαˆ, описывающей напряженность гравитационного поля. Пересечение листов сепаратрисы гравитационного поля определяет кривую-сепаратор, связанную с изменениями гравитационной связности.
К этому выводу физики пришли, переписав уравнения Эйнштейна в других переменных. В новой записи они оказались похожи на уравнения, описывающие плазму. Работа продолжает более раннее исследование авторов, выполненное вместе с Марикармен Винклер, где были найдены неизвестные прежде ограничения на то, как может эволюционировать пространство-время. По словам Фелипе Асенхо, эти ограничения содержатся в уравнениях, но не бросаются в глаза: чтобы их увидеть, уравнения нужно переписать.
Одно из возможных применений касается слияния черных дыр, при котором пространство-время искажается особенно сильно. Чтобы предсказать гравитационные волны от таких столкновений, которые регистрирует обсерватория LIGO, нужны сложнейшие численные расчеты. Новые ограничения позволяют заранее знать, как должно вести себя поле, не просчитывая каждую деталь его эволюции.
Пока гравитационное пересоединение остается теоретическим результатом. Физикам еще предстоит выяснить, происходит ли оно в реальных астрофизических условиях, сколько энергии способно оно передать и оставляет ли различимый след в гравитационных волнах.
Загружаем