Российские физики смоделировали столкновение двух кротовых нор и обнаружили необычный эффект

Российские исследователи впервые провели трёхмерное моделирование столкновения двух кротовых нор — гипотетических туннелей в пространстве-времени, существование которых допускают некоторые решения уравнений общей теории относительности. Расчёты показали, что при определённых условиях взаимодействие таких объектов может приводить к образованию чёрной дыры. При этом площадь возникающего горизонта в одном из сценариев уменьшилась на 28%, что связано с необычными свойствами вещества, заложенного в математическую модель.

Исследование выполнили Никита Широков из Московского физико-технического института (МФТИ) и Илья Начевский из Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ). Они изучили взаимодействие кротовых нор Эллиса — Бронникова — теоретических объектов, которые могут соединять удалённые области пространства-времени.

В отличие от обычных чёрных дыр, такие кротовые норы в математической модели имеют открытый проход, через который потенциально могут перемещаться вещество и излучение. Однако для поддержания этого прохода необходима особая форма материи, описываемая так называемым фантомным скалярным полем. Его отличительная особенность — возможность отрицательной плотности энергии, что нарушает привычные энергетические условия общей теории относительности.

Существование подобного поля в природе не доказано. Более того, кротовые норы Эллиса — Бронникова теоретически неустойчивы: даже небольшое возмущение способно вызвать сжатие их прохода с образованием чёрной дыры или, наоборот, его неконтролируемое расширение.

Чтобы выяснить, что произойдёт при взаимодействии двух таких объектов, физики использовали методы численной теории относительности. В трёхмерных компьютерных моделях они изменяли расстояние между кротовыми норами, их относительное движение и свойства удерживающего их фантомного поля.

Результаты показали, что поведение пары зависит от знаков зарядов, связанных со скалярным полем. Если заряды одинаковы, кротовые норы отталкиваются друг от друга, а их проходы начинают расширяться. При противоположных зарядах возникает притяжение, которое может привести к сближению и образованию общей области с захваченным излучением.

В одном из сценариев две кротовые норы сближались практически по прямой. Ещё до того, как их проходы успели закрыться, вокруг них сформировался общий кажущийся горизонт — поверхность, отделяющая область, из которой свет не может свободно распространяться наружу в рассматриваемом состоянии пространства-времени. В дальнейшем система эволюционировала в сторону чёрной дыры.

Необычным оказалось изменение размеров этого горизонта. По мере поглощения фантомного поля его площадь уменьшилась примерно на 28%. Для обычных чёрных дыр подобное поведение выглядит неожиданным, поскольку согласно известной теореме Стивена Хокинга площадь горизонта событий при определённых условиях не должна сокращаться.

Однако полученный результат не опровергает теорему Хокинга. Во-первых, в расчётах измерялся кажущийся горизонт, который отличается от глобального горизонта событий. Во-вторых, использованное фантомное поле нарушает энергетические условия, необходимые для действия классической теоремы.

Другие сценарии оказались не менее необычными. Некоторые кротовые норы сближались, но затем расходились, не образуя общей чёрной дыры. При этом их проходы могли быстро расширяться, а взаимодействие сопровождалось испусканием гравитационных волн.

Исследователи рассчитали особенности этих сигналов и сравнили их с излучением, возникающим при столкновениях обычных чёрных дыр. Когда две чёрные дыры постепенно сближаются по спирали, они создают характерный сигнал, частота и амплитуда которого возрастают перед слиянием. В рассмотренных моделях кротовых нор такого продолжительного нарастания не возникало: взаимодействия сопровождались преимущественно короткими всплесками гравитационного излучения.

Наиболее сильные сигналы в некоторых расчётах появлялись при близком пролёте кротовых нор, даже если они не образовывали общую чёрную дыру. Это позволяет предположить, что гипотетические кротовые норы могли бы создавать гравитационные волны, заметно отличающиеся от сигналов обычных двойных систем.

Впрочем, короткий всплеск гравитационных волн сам по себе не доказывает существования кротовых нор. Аналогичные сигналы могут возникать и при некоторых взаимодействиях известных компактных объектов. Кроме того, авторы отмечают, что возможные сигналы от кротовых нор, сформировавшихся в ранней Вселенной, из-за космологического расширения могли сместиться в диапазон частот, недоступный современным детекторам LIGO и планируемой космической обсерватории LISA.

Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.