Физики показали, как объекты с отрицательной массой могли бы проявить себя во Вселенной
Физики показали, что объекты с эффективной отрицательной массой могут существовать в некоторых моделях гравитации без очевидного математического противоречия и оставлять необычные наблюдаемые следы. Такие объекты должны отталкивать обычное вещество и особым образом отклонять свет, поэтому теоретически их можно было бы искать по аномальному гравитационному линзированию и движению соседних объектов.
В обычной физике известные частицы и астрономические тела обладают положительной массой. Два таких объекта гравитационно притягиваются. Если же формально ввести отрицательную массу, её взаимодействие с обычным веществом становится значительно более необычным.
Синъити Нодзири из Японии и Сергей Одинцов из Испании исследовали, могут ли объекты с отрицательной массой возникать не просто как искусственная замена знака в законе тяготения, а как решения гравитационных уравнений.
Простая попытка сделать саму гравитационную постоянную отрицательной приводит к серьёзным проблемам в общей теории относительности. В таком случае в теории появляются нефизические степени свободы. Поэтому авторы рассмотрели другой вариант: обычная гравитация сохраняется, а отрицательная масса возникает как эффективное свойство определённой области пространства.
Один из рассмотренных сценариев включает компактный объект с положительной массой, космологическую среду с отрицательным давлением и отрицательную космологическую постоянную. В такой системе обычный массивный объект способен вытеснять окружающую среду, создавая область, где суммарная плотность энергии становится отрицательной. Для внешнего наблюдателя такая область могла бы вести себя как объект с отрицательной гравитационной массой.
Авторы сравнивают этот принцип с пузырьком в жидкости. Сам пузырёк не состоит из вещества с настоящей отрицательной массой, но из-за вытесненной жидкости в некоторых расчётах может вести себя так, словно обладает эффективной отрицательной массой. Похожий механизм исследователи пытаются перенести на гравитационные системы.
Кроме этого, физики построили решения с объектами отрицательной массы в двух моделях модифицированной гравитации. В одной используются два скалярных поля, в другой — скалярная теория Эйнштейна — Гаусса — Бонне, мотивированная идеями теории струн. В определённых условиях обе допускают конфигурации с эффективной отрицательной массой.
Особенно необычным должно быть воздействие такого объекта на свет. Обычная звезда или галактика искривляет пространство-время таким образом, что свет отклоняется в её сторону и создаёт эффект гравитационной линзы. В модели отрицательной массы отклонение происходит в противоположном направлении. Такой объект действовал бы скорее как рассеивающая гравитационная линза.
Необычно должна вести себя и пара из обычного тела и объекта с отрицательной массой. Обычный объект испытывал бы отталкивание, тогда как из-за отрицательной инертной массы движение второго тела подчинялось бы непривычной динамике. В некоторых рассмотренных авторами конфигурациях такая пара способна образовать связанную систему, несмотря на присутствие эффективного отталкивания.
При этом условия появления таких объектов в простейшей модели оказываются экстремальными. Для объекта с положительной массой, сопоставимой с массой Солнца, авторы получили характерную требуемую плотность среды порядка 10¹⁸ килограммов на кубический метр. Это примерно в 200 триллионов раз превышает среднюю плотность Земли.
Поэтому работа не утверждает, что подобные объекты должны быть распространены во Вселенной. Более того, конкретные модели требуют условий, существование которых само по себе пока не подтверждено наблюдениями.
Авторы тем не менее описали несколько возможных способов поиска подобных объектов. Отрицательная масса могла бы частично компенсировать гравитационное поле находящегося рядом обычного тела, создавая впечатление, что его масса меньше ожидаемой. Другим признаком могло бы стать необычное гравитационное линзирование света.
Такие объекты также могли бы влиять на джеты чёрных дыр или менять динамику столкновений нейтронных звёзд и чёрных дыр. Однако это пока лишь предлагаемые наблюдаемые признаки: ни один астрономический объект с подтверждённой отрицательной массой не обнаружен.
Работа показывает прежде всего то, что отрицательная масса не обязательно должна вводиться как отдельная экзотическая частица с заведомо проблемными свойствами. В некоторых моделях она может возникать как эффективное гравитационное свойство сложной системы. Следующий вопрос состоит в том, существуют ли во Вселенной условия, позволяющие таким конфигурациям действительно сформироваться.
Исследование в журнале Physics of the Dark Universe.