Grawitacja może zmieniać układ swoich połączeń w sposób przypominający proces napędzający rozbłyski słoneczne. Rekoneksja grawitacyjna, opisana przez dwóch fizyków, wynika z równań Einsteina i może pomóc zrozumieć przepływ energii podczas kosmicznych katastrof. Na razie pozostaje jednak przewidywaniem teoretycznym — badacze nie zaobserwowali jej w naturze.
Czym jest rekoneksja grawitacyjna?
Grawitacja utrzymuje planety na orbitach, uczestniczy w narodzinach gwiazd i kształtuje galaktyki. W ogólnej teorii względności opisuje ją zakrzywienie czasoprzestrzeni wywołane obecnością masy i energii. Ta sama teoria pozwala przewidywać ugięcie światła czy fale grawitacyjne powstające podczas łączenia się czarnych dziur.
Okazuje się jednak, że jej równania wciąż kryją zależności, których fizycy wcześniej nie dostrzegali.
Luca Comisso z Uniwersytetu Columbia i Felipe A. Asenjo z Uniwersytetu Adolfo Ibáñeza w Chile przedstawili matematyczny opis procesu, w którym zmieniają się połączenia struktur pola grawitacyjnego. Nazwali go rekoneksją grawitacyjną. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Physical Review D”.
Autorzy nie proponują zastąpienia teorii Einsteina. Pokazują możliwość wynikającą z jej dotychczasowych równań, zapisanych w sposób ułatwiający dostrzeżenie podobieństw między grawitacją a elektromagnetyzmem.
Wskazówka pochodzi ze Słońca
Punktem odniesienia jest rekoneksja magnetyczna — zjawisko odgrywające istotną rolę w rozbłyskach słonecznych.
Słońce wypełnia plazma, czyli materia zawierająca naładowane elektrycznie cząstki. Przenikające ją pola magnetyczne mogą się odkształcać, a ich połączenia ulegać przebudowie. Podczas takiej zmiany część energii pola trafia do cząstek plazmy.
Linie pola pomagają przedstawić ten proces na rysunku. Nie są jednak materialnymi nićmi, które można przeciąć. Ich „zrywanie” i ponowne łączenie opisuje zmianę konfiguracji pola.
Comisso i Asenjo postanowili sprawdzić, jak daleko sięga podobieństwo do grawitacji. Z ich obliczeń wynika, że również w jej przypadku mogą istnieć warunki pozwalające na przebudowę połączeń.
Co właściwie może się „rozrywać”?
W opisie grawitacji geometria jest bardziej złożona niż w zwykłym obrazie linii pola magnetycznego. Badacze posługują się powierzchniami nazywanymi arkuszami pola, rozciągającymi się w czterowymiarowej czasoprzestrzeni: obejmującej trzy wymiary przestrzeni i czas.
Takie arkusze są strukturami matematycznymi. Pomagają opisywać powiązania pola grawitacyjnego podczas ewolucji czasoprzestrzeni.
Wcześniejsza praca Comisso i Asenjo, przygotowana wspólnie z Maricarmen A. Winkler, wskazywała, że w określonych warunkach połączenia te pozostają zachowane. Mogą utrzymywać się mimo zmian zachodzących w układzie — podobnie jak połączenia pola magnetycznego unoszonego przez przepływającą plazmę.
Nowa analiza dotyczy sytuacji, w której warunki podtrzymujące ten porządek przestają obowiązywać. Wówczas struktury pola mogą zmienić swoje połączenia.
Nie oznacza to pękania samej czasoprzestrzeni ani powstawania w niej dziur. Rekoneksja grawitacyjna opisuje przebudowę połączeń pola, a nie rozerwanie kosmicznej przestrzeni.
Nowy sposób rozumienia przepływu energii
Po co fizykom taki opis, skoro potrafią już symulować zderzenia czarnych dziur?
Symulacja pokazuje, jak rozwija się zjawisko przy zadanych warunkach początkowych. Sam wynik nie zawsze pozwala jednak łatwo wskazać mechanizm odpowiedzialny za przekazywanie energii.
Podobny problem występuje w badaniach Słońca. Możliwość odtworzenia ruchu plazmy jest cenna, ale rozpoznanie rekoneksji magnetycznej pozwala dodatkowo wyjaśnić, skąd pochodzi energia gwałtownych zdarzeń.
Rekoneksja grawitacyjna mogłaby pełnić podobną funkcję. Zaproponowane ramy teoretyczne opisują, jak zmiana połączeń pola wpływa na wymianę energii i pędu z materią. Mogłyby więc pomóc uporządkować obraz najbardziej dynamicznych procesów we Wszechświecie.
Czy ślady znajdą się w falach grawitacyjnych?
Badacze wskazują, że potencjalnymi miejscami występowania tego procesu są łączące się czarne dziury oraz zapadające się gwiazdy. W takich środowiskach czasoprzestrzeń ulega gwałtownym zmianom.
Jednym z kolejnych kroków mają być symulacje numeryczne. Powinny pomóc ustalić, kiedy rekoneksja grawitacyjna może zachodzić i jakie skutki pozostawiać.
Szczególnie interesująca jest możliwość pojawienia się rozpoznawalnego śladu w falach grawitacyjnych. Gdyby obliczenia wskazały taki sygnał, można byłoby szukać go w danych sieci obserwatoriów LIGO–Virgo–KAGRA. Na razie nie wiadomo jednak, czy efekt będzie mierzalny.
Skala trudności jest ogromna. Nawet fale pochodzące ze zderzeń czarnych dziur zmieniają długość czterokilometrowych ramion detektorów LIGO o wartość mniejszą od rozmiaru protonu.
Matematyczna możliwość czeka na sprawdzenie
Obecne wyniki dostarczają teoretycznych podstaw rekoneksji grawitacyjnej. Nie potwierdzają jeszcze, że proces rzeczywiście zachodzi podczas konkretnych zdarzeń astrofizycznych.
Pozostaje ustalić jego warunki, przebieg i znaczenie dla przepływu energii. Dopiero wtedy będzie można ocenić, czy nowy opis pomoże interpretować obserwacje kosmosu.
Już teraz praca pokazuje jednak, że ponad sto lat po powstaniu ogólnej teorii względności jej równania nadal mogą prowadzić do zaskakujących wniosków.
Badania opublikowano w Physical Review D.