Астрономы полагают, что они могут обнаружить черные дыры, падающие в червоточины, используя рябь в пространстве-времени, известную как гравитационные волны. Но, разумеется, это имеет смысл только в том случае, если червоточины действительно существуют и такой сценарий когда-либо случится.
Согласно Эйнштейну, который первым предсказал существование гравитационных волн в 1916 году, гравитация является результатом того, как масса искривляет пространство и время. Когда два или более объекта движутся в рамках гравитационного поля, они создают гравитационные волны, которые движутся со скоростью света, растягивая и сжимая пространство-время на своем пути.
Гравитационные волны чрезвычайно трудно обнаружить, потому что они крайне слабы, и даже Эйнштейн не был уверен, существуют ли они на самом деле и будут ли они обнаружены. После десятилетий работы ученые сообщили о первых прямых доказательствах существования гравитационных волн в 2016 году, обнаруженных с помощью лазерного интерферометра Gravitational-Wave Observatory (LIGO).
Гравитационно-волновые обсерватории обнаружили более 20 разрушительных столкновений между необычайно плотными и массивными объектами, такими как черные дыры и нейтронные звезды. Однако теоретически могут существовать и более экзотические объекты, такие как червоточины, столкновения с которыми также должны вызывать гравитационные сигналы, которые ученые могли бы обнаружить.
Червоточины — это туннели в пространстве-времени, которые теоретически могут позволить путешествовать куда угодно во времени и пространстве или даже в другую Вселенную. Общая теория относительности Эйнштейна допускает возможность существования червоточин, хотя существуют ли они на самом деле — совершенно другой вопрос.
В принципе, все «сферические червоточины в вакууме» нестабильны, закрываясь в тот же миг, когда они открываются. Единственный способ сохранить их открытыми и проходимыми — это использовать экзотическую форму материи с так называемой «отрицательной массой». Такая экзотическая материя обладает необычными свойствами — например, улетает из стандартного гравитационного поля вместо того, чтобы падать в него, как нормальная материя. Никто не знает, существует ли такая экзотическая материя на самом деле.
Во многих отношениях червоточина напоминает черную дыру. Оба типа объектов необычайно плотные и обладают мощным гравитационным полем для своих размеров. Главное отличие состоит в том, что ни один объект теоретически не может вернуться после пересечения горизонта событий черной дыры — сферы, в которой скорость, необходимая для выхода из гравитационного поля черной дыры, превышает скорость света, тогда как любой объект, входящий в червоточину, теоретически может повернуть вспять.
Предполагая, что червоточины могут существовать, ученые смоделировали гравитационные сигналы, генерируемые, когда черная дыра вращается вокруг червоточины, и описали результаты в новой статье, которая еще не была рецензирована. Исследователи также рассчитали, что может произойти, когда черная дыра входит в одно устье червоточины, после чего выходит из другого устья червоточины в другую точку пространства-времени, а затем — предполагая, что черная дыра и червоточина гравитационно связаны друг с другом — падает обратно в червоточину и выходит с первоначальной стороны.
Побег невозможен
В своих компьютерных моделях исследователи проанализировали взаимодействие между черной дырой, в пять раз превышающей массу Солнца, и устойчивой проходимой червоточиной, в 200 раз превышающей массу Солнца, с горловиной в 60 раз шире черной дыры. Эти модели предполагают, что гравитационные сигналы, непохожие на все виденные до сих пор, будут возникать, когда черная дыра входит и выходит из червоточины.
Когда две черные дыры сближаются по спирали, их орбитальные скорости увеличиваются, подобно вращающимся фигуристам, которые подтягивают руки ближе к телу. В свою очередь, частота гравитационных волн возрастает. Если бы кто-то наблюдал, как черная дыра по спирали входит в червоточину, он увидел бы сигнал, очень похожий на встречу двух черных дыр, но его составляющая от черной дыры быстро исчезла бы, поскольку она стала бы излучать гравитационные волны на другой стороне червоточины. С другой стороны, если бы кто-то наблюдал, как черная дыра выходит из червоточины, он смог бы уловить «антисигнал». В частности, частота гравитационных волн от черной дыры будет уменьшаться по мере того, как она удаляется от червоточины.
Линия показывает теоретическую траекторию движения черной дыры в червоточине.
Поскольку черная дыра продолжит путешествовать через устья червоточины туда-обратно, она будет генерировать цикл сигнал-антисигнал. Промежуток времени между ними будет сокращаться с течением времени, пока черная дыра не застрянет в горловине червоточины. Обнаружение такого рода гравитационных сигналов может подтвердить существование червоточин.
«Хотя кротовые норы очень, очень спекулятивны, тот факт, что мы можем иметь возможность доказать или хотя бы поверить в их существование, довольно крут», — сказал соавтор исследования Уильям Габелла, физик из Университета Вандербильта в Нэшвилле.
В конечном счете, черная дыра перестанет падать в червоточину и остановится около ее горловины. Последствия такого финала зависят от совершенно умозрительных свойств экзотической материи, которая там находится. Одна из возможностей состоит в том, что черная дыра ощутимо увеличит массу червоточины, и последняя может не обладать достаточным количеством экзотической материи, чтобы оставаться стабильной. Также возможно, что в результате нарушения пространственно-временного равновесия черная дыра преобразует свою массу в энергию в виде необычайного количества гравитационных волн, сказал Габелла.
Пока червоточина имеет большую массу, чем любая черная дыра, с которой она сталкивается, она должна оставаться стабильной. Если червоточина сталкивается с более крупной черной дырой, последняя может нарушить экзотическое состояние червоточины и тем самым дестабилизировать ее, заставив коллапсировать и, вероятно, сформировать новую черную дыру, сказал Габелла.
Остается неясным, что может произойти, если черная дыра только «чиркнет» по краю червоточины, причем часть черной дыры войдет в горловину червоточины, а остальная часть останется снаружи. «Я подозреваю, что на горизонте событий черной дыры будет происходить какое-то безумное поведение, приводящее к еще большим гравитационным волнам и большим потерям энергии», — сказал Габелла. Такое столкновение может также нарушить экзотическую материю червоточины, «что приведет к ее нестабильности», добавил он.
В будущих исследованиях имеет смысл рассмотреть взаимодействие между экзотической материей червоточины и любой нормальной материей, входящей в червоточину, а также более сложные сценарии — например, с вращающейся червоточиной, сказал Габелла. Другие исследования могут быть направлены на выяснение того, как гравитационные волны взаимодействуют как с нормальной, так и с экзотической материей в различных сценариях, а также на обсчет «разнообразия орбит, которые могут возникнуть при движении червоточин с другими объектами», добавил он.
