Zderzenie tuneli czasoprzestrzennych mogłoby zakończyć się powstaniem wspólnego horyzontu otaczającego oba przejścia. W nowych symulacjach jego powierzchnia następnie zmalała o około 28%. Badacze sprawdzili również, jakie fale grawitacyjne towarzyszyłyby takim spotkaniom. To wyniki modelu teoretycznego — istnienia tuneli czasoprzestrzennych nadal nie potwierdzono.
Dwa kosmiczne przejścia zbliżają się do siebie. Czy połączą się w jeden większy tunel, rozpadną, a może znikną wewnątrz czarnej dziury? Odpowiedź zależy od właściwości tych hipotetycznych struktur. Trójwymiarowe symulacje pokazują kilka możliwych scenariuszy, wśród nich gwałtowne rozszerzanie gardeł oraz powstanie otaczającego je horyzontu.
Obliczenia przeprowadzili Nikita M. Shirokov z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii oraz Ilya Nachevsky z rosyjskiej Wyższej Szkoły Ekonomicznej. Ich pracę udostępniono jako preprint w serwisie arXiv. Autorzy analizowali konkretny model: tunele czasoprzestrzenne Ellisa–Bronnikowa. Wyników nie należy więc traktować jako opisu wszystkich możliwych tuneli.
Czym są tunele czasoprzestrzenne Ellisa–Bronnikowa?
Ogólna teoria względności opisuje grawitację jako zakrzywienie czasoprzestrzeni. W jej matematycznych rozwiązaniach pojawiają się geometrie, które można interpretować jako połączenia między odległymi obszarami. Ich najwęższa część jest nazywana gardłem.
Nie każde takie rozwiązanie pozwala na podróż. Znany most Einsteina–Rosena nie jest przejściem, przez które można się przedostać. Model Ellisa–Bronnikowa opisuje natomiast tunel przekraczalny, którego gardło pozostaje otwarte dzięki hipotetycznemu fantomowemu polu skalarnemu.
Pole to ma egzotyczne właściwości związane z ujemną energią. W modelu przeciwdziała zamknięciu przejścia, ale nie zapewnia mu odporności na zaburzenia. Nawet niewielkie zakłócenie może skierować ewolucję tunelu w jedną z dwóch stron: zapadania się prowadzącego do powstania czarnej dziury albo gwałtownego rozszerzania gardła.
Możliwość przejścia przez tunel w matematycznym opisie nie oznacza zatem, że byłby on trwałą i bezpieczną kosmiczną drogą.
Zderzenie tuneli czasoprzestrzennych może mieć różne zakończenia
W symulacjach badacze zmieniali początkową odległość między tunelami, ich ruch oraz konfigurację podtrzymującego je pola. W zależności od warunków struktury przyciągały się lub odpychały.
Niektóre pary zbliżały się do siebie, silnie oddziaływały, a następnie rozchodziły. Ich gardła mogły przy tym gwałtownie się rozszerzać. Inne konfiguracje prowadziły do bezpośredniego zderzenia.
W tym drugim przypadku nie powstawał po prostu jeden większy tunel. Wokół obu gardeł tworzył się wspólny horyzont pozorny, obejmujący je wewnątrz formującej się czarnej dziury. To ważne rozróżnienie: wspólna zewnętrzna granica nie oznaczała połączenia dwóch przejść w jedno.
Horyzont stracił około 28% powierzchni
Najbardziej niezwykły etap następował po utworzeniu wspólnego horyzontu. W miarę pochłaniania fantomowego pola jego powierzchnia zmniejszyła się o około 28%.
Na pierwszy rzut oka brzmi to jak sprzeczność z twierdzeniem Stephena Hawkinga z 1971 roku. Zgodnie z nim powierzchnia horyzontu zdarzeń czarnej dziury, przy spełnieniu określonych założeń, nie powinna maleć.
W symulacji nie wykazano jednak złamania tego twierdzenia. Po pierwsze, analizowano horyzont pozorny, a nie horyzont zdarzeń. Te pojęcia są powiązane, lecz nie są równoważne. Po drugie, fantomowe pole narusza warunki dotyczące energii, od których zależy zastosowanie twierdzenia.
Kurczenie się horyzontu pokazuje więc konsekwencje przyjęcia egzotycznego modelu materii, a nie obalenie ustalonych praw fizyki.
Krótkie impulsy zamiast narastającego „ćwierkania”
Spotkania tak masywnych struktur powinny również zaburzać czasoprzestrzeń i wytwarzać fale grawitacyjne. Ich przebieg mógłby pomóc odróżnić badany scenariusz od typowego łączenia się dwóch czarnych dziur.
Para czarnych dziur poruszających się po coraz ciaśniejszych orbitach emituje charakterystyczny sygnał nazywany „ćwierkaniem”. W miarę zbliżania obiektów rosną częstotliwość i amplituda fal.
W symulacjach tuneli Ellisa–Bronnikowa pojawiały się natomiast krótkie impulsy. Ich kształt i siła zależały od przebiegu spotkania: bezpośredniego zderzenia albo bliskiego przelotu.
Co ciekawe, szczególnie silny sygnał mógł powstać również wtedy, gdy nie tworzył się wspólny horyzont. W jednym z bliskich przelotów wyemitowano więcej energii fal grawitacyjnych niż w pozostałych analizowanych konfiguracjach. Samo powstanie czarnej dziury nie było więc warunkiem najsilniejszej emisji w tej serii obliczeń.
Czy podobny sygnał już zarejestrowano?
Krótki impuls pozbawiony wyraźnego „ćwierkania” nie wystarczyłby do ogłoszenia odkrycia tunelu czasoprzestrzennego. Zderzenia czarnych dziur także mogą w określonych warunkach dawać krótkie sygnały.
Przykładem zdarzenia, które wzbudziło duże zainteresowanie, jest GW190521, wykryte w 2019 roku. Jego krótki przebieg skłonił naukowców do analizowania różnych możliwych interpretacji. W publikacjach współpracy LIGO–Virgo opisano je jako sygnał zgodny ze zderzeniem masywnych czarnych dziur.
Nowa praca nie wiąże GW190521 z tunelami czasoprzestrzennymi. Pokazuje natomiast, dlaczego warto obliczać sygnały także dla hipotetycznych obiektów: bez takich przewidywań trudniej ocenić, co oznaczałaby przyszła nietypowa obserwacja.
Dlaczego LIGO i LISA mogłyby nie wykryć tych zderzeń?
Autorzy wskazują na poważne ograniczenie obserwacyjne. Jeżeli badane tunele powstały we wczesnym Wszechświecie i wtedy ze sobą oddziaływały, ekspansja kosmosu rozciągnęłaby wyemitowane fale. Ich dzisiejsza częstotliwość mogłaby znaleźć się znacznie poniżej zakresów dostępnych dla LIGO oraz planowanej misji LISA.
W rozpatrywanym modelu wykrywalny w tych pasmach sygnał wymagałby znacznie późniejszego powstania tuneli. Badacze nie znają jednak mechanizmu, który zapewniałby narodziny takich struktur na odpowiednio późnym etapie historii Wszechświata.
Pozostają więc dwie oddzielne kwestie: matematyczny opis zachowania tuneli oraz pytanie, czy natura w ogóle je tworzy. Symulacje pozwalają lepiej zrozumieć pierwszą z nich. Druga nadal czeka na odpowiedź
Wyniki badań, które nie zostały jeszcze zrecenzowane, są dostępne na serwerze arXiv .