Struktura Wszechświata nieustannie faluje za sprawą niezliczonych fal grawitacyjnych, które rozchodzą się z prędkością światła. Ponieważ masa zakrzywia czasoprzestrzeń, zderzające się, krążące wokół siebie lub wybuchające masywne obiekty wysyłają fale grawitacyjne, które rozchodzą się jak kręgi na wodzie po wrzuceniu kamienia. Gdy taka fala przechodzi przez dowolny obiekt, odległości w nim na przemian minimalnie się rozciągają i kurczą, najpierw w jednym kierunku, a potem w prostopadłym. Skala tego zjawiska jest niezwykle mała: detektory LIGO mierzą na czterokilometrowych ramionach zmiany długości rzędu tysięcznej części średnicy protonu, a ich czułość sięga nawet jednej dziesięciotysięcznej.
WIDEO…
Odkrycie fale grawitacyjnych
Właśnie dlatego do wykrycia fal grawitacyjnych potrzeba katastrofalnych zdarzeń, takich jak zderzenia czarnych dziur czy gwiazd neutronowych. Po raz pierwszy udało się to we wrześniu 2015 roku (odkrycie ogłoszono w lutym 2016 roku). Do dziś zarejestrowano już setki takich zaburzeń czasoprzestrzeni.
Ale skąd wiemy, że każde zderzenie przypisywane czarnym dziurom rzeczywiście jest tym, na co wygląda? I co z sygnałami fal grawitacyjnych, których jeszcze nie wykryliśmy? Jakie sygnały mogłyby wysyłać tunele czasoprzestrzenne?
Fale grawitacyjne a tunele czasoprzestrzenne
Choć kojarzą się raczej z powieściami i filmami science fiction, tunele czasoprzestrzenne mają mocne podstawy matematyczne: są rozwiązaniami równań ogólnej teorii względności. Tym, jaki sygnał mogłyby wysłać dwa zderzające się tunele Ellisa–Bronnikowa, zajęli się fizyk Nikita M. Szyrokow z Moskiewskiego Instytutu Fizyczno-Technicznego oraz inżynier uczenia maszynowego Ilja Naczewski z rosyjskiej Wyższej Szkoły Ekonomicznej. Ich praca ma na razie formę preprintu, czyli nie przeszła jeszcze formalnej recenzji naukowej.
Czym są tunele czasoprzestrzenne? Metafora kartki papieru
Fizycy tłumaczą ideę tunelu czasoprzestrzennego zwykle na przykładzie kartki papieru, która ma wyobrażać wszechświat. Gdy ją zgiąć, dwa odległe punkty znajdą się blisko siebie, a przebicie kartki pomiędzy nimi ilustruje tunel czasoprzestrzenny. Wchodzisz do tunelu jednym wejściem, idziesz przez wąskie przejście i wychodzisz w zupełnie innym miejscu, a może nawet w innym wszechświecie.
Najprostszy tunel czasoprzestrzenny i jego krucha równowaga
Czasoprzestrzeń Ellisa–Bronnikowa to jeden z najprostszych matematycznych modeli takiego tunelu. Opisali ją w 1973 roku, niezależnie od siebie, dwaj badacze: Homer Ellis i Kirill Bronnikow. Najwęższe miejsce tunelu nazywamy gardzielą. Tego typu tunel utrzymywałby się otwarty dzięki hipotetycznemu fantomowemu polu skalarnemu, czyli polu o ujemnej energii, które nie pozwala gardzieli się zacisnąć.
Choć fantomowe pole skalarne może utrzymywać gardziel otwartą, nawet niewielkie zaburzenie jest w stanie zachwiać tą delikatną równowagą. Gardziel może się zapaść, tworząc czarną dziurę albo zacząć gwałtownie i niepowstrzymanie się rozszerzać w procesie zwanym ekspansją inflacyjną.
Można się więc spodziewać, że gdyby drogi dwóch takich niestabilnych struktur jakimś sposobem się przecięły, doszłoby do czegoś spektakularnie niszczycielskiego.
Co się stanie gdy zderzą się dwa tunele? Dziwne wyniki eksperymentu
Szyrokow i Naczewski przeprowadzili trójwymiarowe symulacje par tuneli Ellisa–Bronnikowa. Zmieniali ich początkową odległość, trajektorie oraz właściwości fantomowych pól skalarnych utrzymujących je w stanie otwartym. Jakie wyniki uzyskali?
W zależności od konfiguracji tunele mogły się przyciągać lub odpychać. Niektóre przelatywały tak blisko siebie, że wchodziły w oddziaływanie, a potem się oddalały, przy czym ich gardziele gwałtownie się rozszerzały.
Inne leciały wprost na siebie, ale zamiast połączyć się w jeden większy tunel, tworzyły wspólny horyzont pozorny, czyli lokalną granicę obszaru, z którego światło nie może uciec, podobną do horyzontu czarnej dziury, i zapadały się razem. Wtedy horyzont zaczynał robić coś, czego horyzonty czarnych dziur nie powinny robić: kurczył się. Gdy fantomowe pole skalarne wpadało do zapadającego się obszaru, powierzchnia horyzontu malała o około 28 procent.
Twierdzenie Hawkinga z 1971 roku mówi, że pole powierzchni horyzontu zdarzeń czarnej dziury nie może maleć: może tylko rosnąć lub pozostawać stałe. Opiera się ono jednak na założeniach dotyczących energii, których pole fantomowe nie spełnia, a symulacja dotyczy horyzontu pozornego, nie horyzontu zdarzeń. Twierdzenie nie zostaje więc naruszone, choć wynik robi wrażenie.
Tunele czasoprzestrzenne a czarne dziury
Masywne tunele Ellisa–Bronnikowa, które modelowano w tym badaniu, również powinny wytwarzać fale grawitacyjne podczas ruchu i wzajemnego oddziaływania. W symulacjach sygnał wyraźnie różnił się jednak od tego, który wysyła para zbliżających się do siebie czarnych dziur. Taka para wytwarza ćwierk, czyli sygnał coraz silniejszy i o coraz wyższej częstotliwości w miarę zbliżania się obiektów.
Tunele dawały natomiast krótkie, gwałtowne impulsy, których kształt i siła zależały od tego, czy obiekty leciały wprost na siebie, czy tylko mijały się w niewielkiej odległości. Niektóre z najbliższych przelotów wytwarzały szczególnie silne impulsy nawet bez powstania wspólnego horyzontu pozornego.
Tajemnicze obiekty we Wszechświecie
Impuls bez ćwierku nie jest jednak dowodem na istnienie tuneli czasoprzestrzennych, bo w pewnych okolicznościach podobne sygnały mogą wytwarzać także czarne dziury. Przykładem nietypowego sygnału jest GW190521, wykryty w 2019 roku i badany m.in. jako możliwy ślad egzotycznej fizyki. Nie oznacza to, że wytworzył go tunel czasoprzestrzenny, a symulacje Szyrokowa i Naczewskiego nie wskazują na taki związek. Pokazuje to jednak, dlaczego warto poznawać możliwe sygnały hipotetycznych obiektów.
Jest też haczyk: sygnały z tuneli powstałych we wczesnym Wszechświecie zostałyby rozciągnięte przez ekspansję kosmosu do częstotliwości zbyt niskich dla LIGO czy planowanej misji LISA. Tunele musiałyby więc powstać znacznie później, a nie wiadomo, jak mogłoby do tego dojść. Wszechświat jednak już nieraz nas zaskakiwał. Gdyby udało się zarejestrować sygnał zderzenia tuneli Ellisa–Bronnikowa, wiedzielibyśmy lepiej, jak go rozpoznać.
Źródło: Arxiv
