Физики обнаружили в уравнениях Эйнштейна новый механизм изменения гравитационных полей
Физики из США и Чили обнаружили в уравнениях общей теории относительности Эйнштейна ранее не описанный механизм, который они назвали гравитационным пересоединением. Согласно новой теоретической модели, при определённых условиях математические структуры гравитационного поля могут изменять свои связи, сопровождаясь перераспределением энергии между гравитацией и веществом. Открытие может помочь исследователям лучше понять экстремальные процессы во Вселенной, включая столкновения чёрных дыр.
Работу выполнили Лука Комиссо из Колумбийского университета в Нью-Йорке и Фелипе Асенхо из Университета Адольфо Ибаньеса в Чили. Учёные обратили внимание на неожиданное сходство между математическим описанием гравитации и процессами, происходящими в плазме. В частности, они исследовали возможность существования гравитационного аналога магнитного пересоединения — явления, при котором меняется структура магнитного поля и высвобождается накопленная в нём энергия.
Магнитное пересоединение хорошо известно астрофизикам. Оно происходит, например, в солнечной атмосфере, где магнитные поля постоянно растягиваются, искривляются и взаимодействуют с заряженными частицами. При изменении связности магнитных силовых линий часть энергии поля передаётся плазме, вызывая её нагрев и ускорение частиц. Этот механизм играет важную роль в возникновении солнечных вспышек и других мощных космических явлений.
Исследователи показали, что в определённой математической формулировке общей теории относительности можно выделить структуры, напоминающие магнитные силовые линии. Однако из-за четырёхмерной природы пространства-времени они описываются не обычными линиями, а двумерными поверхностями, которые авторы называют гравитационными листами. При определённых условиях их взаимная связность сохраняется, но если эти условия нарушаются, становится возможным изменение конфигурации таких поверхностей.
Для описания процесса учёные использовали тетрадную формулировку общей теории относительности, в которой геометрия пространства-времени выражается через набор локальных базисных векторов. Такой подход позволил получить соотношения, математически напоминающие уравнения электродинамики. В частности, исследователи рассмотрели условие, аналогичное закону Ома для идеальной проводящей среды, и показали, что при его выполнении сохраняются определённые характеристики гравитационного поля.
Когда идеальное условие нарушается, математическая модель допускает изменение связности гравитационных листов. Авторы вывели выражения для количественного описания скорости такого пересоединения и показали, как оно влияет на обмен энергией и импульсом между гравитационным полем и веществом. Кроме того, они исследовали изменение гравитационной спиральности — величины, характеризующей геометрические и топологические свойства поля.
Новая работа продолжает исследование, опубликованное той же группой в апреле 2026 года в журнале Physical Review Letters. Тогда физики установили, что уравнения Эйнштейна при определённых условиях допускают сохранение связности гравитационных структур. Теперь авторы рассмотрели, что происходит при нарушении этих условий, и предложили математический аппарат для описания возникающих изменений.
Одним из возможных применений новой теории станет исследование слияний чёрных дыр и нейтронных звёзд. В таких событиях пространство-время испытывает чрезвычайно сильные искривления, а динамику гравитационного поля приходится рассчитывать с помощью сложных численных моделей. Дополнительные математические ограничения могут помочь лучше понять происходящие процессы и выяснить, способны ли изменения структуры поля влиять на перенос энергии и характеристики возникающих гравитационных волн.
При этом авторы подчёркивают, что гравитационное пересоединение пока остаётся исключительно теоретическим результатом. Учёные не наблюдали подобное явление в космосе и ещё не установили, при каких конкретных астрофизических условиях оно может происходить. Кроме того, речь не идёт о буквальном разрыве пространства-времени: гравитационные листы представляют собой математические конструкции, используемые для описания его геометрии.
Следующим этапом станет применение новой модели к конкретным астрофизическим системам и поиск возможных наблюдательных признаков. Если такие признаки удастся предсказать, их можно будет сопоставить с результатами численного моделирования и данными гравитационно-волновых обсерваторий, включая LIGO.
Результаты исследования в научном журнале Physical Review D.