Мост эйнштейна розена что это

Мост Эйнштейна-Розена и путешествия в прошлое

Есть одна весьма увлекательная теория, которая часто используется в научной фантастике. Она носит весьма романтическое название — мост Эйнштейна-Розена.

Более известная как теория червоточин, эта гипотеза является предметом споров как минимум с 1916 года. Первоначально ее озвучил австрийский физик Людвиг Фламм. В своих работах он предполагал, что в космосе могут существовать некие странные объекты, известные сегодня как «белые дыры». И свойства этих объектов противоположны свойствам черных дыр.

Звездный мост

Ученый предположил, что черная и белая дыры могут быть соединены неким пространственно-временным каналом. Изначально эта теория была подвергнута серьезной критике. Однако это не помешало в 1935 году Альберту Эйнштейну и Натану Розену применить общую теорию относительности к этой идее. И в итоге ученые высказали мысль о том, что таких мостов, разбросанных по всему пространству, в космосе может быть великое множество…

Этот гипотетический космический объект получил название мост Эйнштейна-Розена. По мнению исследователей он представляет собой короткий путь для путешествующих в пространстве и времени. И этот путь вполне можно использовать для достижения далеких звезд.

Как же это работает? На самом деле это несложно представить. Возьмите плоский лист бумаги и нарисуйте прямую линию между двумя точками. Теперь сложите лист так, чтобы одна точка наложилась на другую. А теперь возьмите карандаш, и проткните лист через эти две точки. Таким образом существо из двумерного мира может значительно сократить путь. Используя третье измерение. Точно так же существа из трехмерного мира могут использовать четвертое измерение для сокращения времени путешествий.

Однако до настоящего времени никаких свидетельств наличия червоточин в космосе не обнаружено. Несмотря на то, что их существование вполне допускаются общей теорией относительности. Единственное место, где их можно встретить сегодня — это страницы фантастических книг. Или кадры фантастических фильмов.

Мост Эйнштейна-Розена как машина времени

Существует и еще одна увлекательная идея, в которой фигурирует мост Эйнштейна-Розена. Это путешествия во времени. Нужно понимать, что путешествия во времени в будущее и прошлое — это две большие разницы. Наука считает, что путешествие в будущее невозможно. Потому что оно еще не наступило.

Однако при этом теоретически допускает, что путешествие в прошлое возможно. И его можно осуществить, используя кротовые норы. Конечно, все это лишь предположение, очередная теория, построенная на других недоказанных гипотезах. И проблем, связанных с этими теориями, предостаточно. Например: некоторые ученые считают, что если мост Эйнштейна-Розена действительно существует где-то в космосе, то он должен быть невероятно маленькими. Что ставит идею межзвездных путешествий или путешествий во времени с его использованием весьма сомнительной.

Создание червоточины, которая была бы стабильной и достаточно большой, чтобы через нее мог пройти человек, потребовало бы использования весьма специфических частиц. Эти частицы должны иметь отрицательную массу. И отрицательную энергию. А еще нужно будет создать сверхмассивную черную дыру. И такую же белую дыру, состоящую из упомянутых отрицательных частиц. Существование которых никем не доказано.

Абсолютно ясно, что создание подобных объектов дело глубокого будущего. Если это вообще возможно.

Источник

Ученые придумали, как найти червоточину в космосе. Но насколько это опасно?

Главной проблемой для освоения космоса никогда не было наше воображение или даже наша способность придумывать новые технологии, позволяющие совершать космические полеты, а огромные пространства в космосе. Космическому аппарату «Новые горизонты» потребовалось 9,5 лет, чтобы добраться до Плутона, который всего лишь находится в нашей Солнечной системе. До ближайшей звезды (после нашего Солнца) — более 42 трлн км. Было бы удобно, если бы вселенная «предоставила» нам особые порталы, которые могут помочь сократить наш путь до своих интригующих и неизученных объектов. Например, червоточины или кротовые норы. Недавно группа исследователей предложила оригинальную идею, как их обнаружить. Но что такое вообще червоточины и насколько их обнаружение безопасно? Рассказываем все о кротовых норах, путешествиях во времени и вспоминаем предупреждение Хокинга об использовании кротовых нор.

Читайте «Хайтек» в

Что же такое червоточины?

Физики-теоретики выдвинули гипотезу о существовании таких «ярлыков» в пространстве-времени в 1930-х годах, первоначально называя их «белыми дырами» и, в конечном итоге, мостами Эйнштейна-Розена. Белая дыра действует как обратная сторона черной дыры. Снаружи червоточины могут выглядеть как черные дыры. Но в то время как объект, который падает в черную дыру, попадает туда, как в ловушку, что-то, что падает в червоточину, может пройти через нее на другую сторону.

Поскольку название «Мосты Эйнштейна-Розена» для такого впечатляющего возможного явления немного суховатое, оно стали более широко известно как червоточины или кротовые норы.

Вы можете изобразить червоточину как своего рода туннель, который соединяет две точки в пространстве-времени. Этот туннель может быть прямым желобом или быть извилистым путем. Если червоточина «проходима», она действует как сокращение пути в пространстве-времени, соединяя две точки, которые в противном случае были бы далеко друг от друга. Червоточины могут соединять разные точки в пределах одной вселенной или они могут соединять разные вселенные.

Наиболее распространенный способ изображения червоточин — представить, что вы держите лист бумаги, который представляет собой нормальное пространство. Думайте о путешествии в пространстве как о путешествии по листу бумаги. Теперь отметьте точку на каждом конце и согните лист бумаги пополам, соединяя эти две точки вместе, но не позволяя им соприкоснуться. Если бы вы путешествовали в обычном пространстве (то есть вдоль листа бумаги), поездка от одной из ваших меток к другой была бы более длительной, чем если бы существовал туннель или «червоточина», соединяющая две точки на бумаге через пустое пространство между ними.

Червоточины действительно существуют?

Червоточина никогда не наблюдалась ни прямо, ни косвенно, но они «существуют» в математическом смысле, когда возникают в решениях уравнений гравитационного поля, лежащих в основе общей теории относительности Эйнштейна. Это означает, что мы можем разбить вселенную на множество частей, а затем использовать математические уравнения, чтобы описать, как эти части сочетаются друг с другом.

Эти уравнения поля похожи на строительные леса, на которых и строится вселенная. Уравнения, которые описывают, как работает общая теория относительности или гравитации, не требуют наличия червоточин, но допускают их существование. Другими словами, одним из возможных решений общих уравнений поля относительности является червоточина, соединяющая две точки в пространстве-времени.

Червоточины — это не только чисто теоретические явления. Есть несколько известных проблем, которые делают их реальностью даже в математике за пределами уравнений Эйнштейна.

Чем опасны червоточины. К чему приведет их открытие?

Для начала, червоточины нестабильны, то есть быстро разрушаются. Таким образом, любые возможные путешественники в космосе никогда не смогут добраться до другого конца туннеля, если он будет разрушаться вокруг них. Однако еще не все потеряно, потому что физики обнаружили, что использование экзотической материи может держать червоточину открытой. Экзотическая материя, которую не следует путать с темной материей, является формой, которая имеет отрицательную плотность энергии и отрицательное давление. Она отталкивается, а не притягивается гравитацией. До сих пор экзотическая материя появляется в форме частиц в квантовых экспериментах, поэтому никто не знает, может ли достаточное количество экзотической материи создать червоточину в одном месте.

И даже если бы мы могли поддержать туннель с червоточиной, открытый с помощью способности экзотической материи отталкивать гравитацию, другие теоретики, такие как Стивен Хокинг, предостерегают о другой проблеме. Если когда-нибудь даже одна частица попадает в червоточину, математика требует, чтобы червоточина начала разрушаться. Это не сулит ничего хорошего для межгалактического пространства и путешествий во времени.

Нельзя создавать замкнутые кривые, подобные времени. Обратная реакция помешала бы появлению замкнутых кривых времени. Законы физики не допускают появления замкнутых, подобных времени, кривых, предупреждал Хокинг, защищая хронологию времени в своем исследовании в 1992 году.

Потенциал червоточины. Что нам могут дать кротовые норы?

Червоточины являются популярным предметом среди любителей научной фантастики и физиков-теоретиков, потому что такие явления могут открыть множество возможностей. Люди могли бы путешествовать в другую галактику или исследовать существование параллельных вселенных в пределах человеческой жизни.

И червоточины не только дают возможность космических путешествий, но и для путешествий во времени. Мы могли бы вернуться к ранним дням формирования нашей солнечной системы и прекратить, наконец, спор о том, как сформировалась наша Луна. Может, даже разгадать тайну того, как появилась сверхмассивная черная дыра в центре Млечного пути? И это только начало.

Учитывая, что существование червоточин так заманчиво, следует ожидать как можно больше исследований на эту тему. И вот недавно ученые предложили оригинальное решение.

Детекторы гравитационных волн уже обнаружили таинственные черные дыры. Следующими могут быть червоточины.

Судя по исследованию физиков, черная дыра, закручивающаяся в червоточину, создаст в пространстве и пространстве рябь, которую можно будет обнаружить и зафиксировать в обсерваториях гравитационных волн ЛИГО и Дева.

Пока не было найдено никаких доказательств существования червоточин. Но если они существуют, у исследователей есть шанс обнаружить червоточины именно с помощью гравитационных волн, уверены ученые.

Они в своем теоритическом подходе рассматривали черную дыру с массой в пять раз больше солнечной, которая вращалась вокруг червоточины на расстоянии в 1,6 млрд световых лет от Земли. Исследователи подсчитали, что, когда черная дыра приблизится к кротовой норе, она начнет закручиваться по спирали внутрь, как если бы она вращалась вокруг другой массивной черной дыры. Этот процесс будет сопровождаться колебаниями и создаст гравитационные волны. Сначала они будут выглядеть как стандартный паттерн волн, частота которых увеличивается со временем.

Но как только черная дыра достигнет цента центра червоточины, называемой горлом, черная дыра пройдет сквозь нее и гравитационные волны в первой вселенной резко исчезнут.

Исследователи рассматривали, что произойдет, если черная дыра возникнет в далеком мире, например, в другой вселенной. В этом случае гравитационные волны во вселенной № 1 внезапно исчезнут.

Во вселенной № 2 появившаяся черная дыра начала бы движение по спирали. Это могло бы указать на прохождение ею пространственно-временного туннеля.

И эти самые волны, по мнению ученых, должны отличаться от тех, которые возникают, когда два объекта приближаются друг к другу. Далее черная дыра повторит движение по тоннелю между двумя вселенными, вызывая всплески гравитационных волн, до тех пор, пока ее энергия это позволит.

По мнению исследователей, если бы вселенная № 2 была нашей вселенной, при определенном расстоянии у ученых была бы возможность обнаружить эти особые гравитационные волны. Это и станет доказательством того, что черная дыра прошла через червоточину, а значит, она существует.

Согласно общей теории относительности, которая описывает гравитацию как результат искривления пространства-времени, червоточины возможны.

Обсерватория LIGO, базирующаяся в Соединенных Штатах, или лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория Advanced Virgo в Италии обнаруживают рябь от черных дыр или нейтронных звезд. Эти массивные объекты вращаются вокруг друг друга, прежде чем они сливаются.

В настоящее время ученые умеют замечать такие слияния, подтвердив более дюжины с 2015 года, и ожидают большего подтверждения. Но в какой-то момент физики должны будут сосредоточиться на более необычных возможностях, говорит физик Витер Кардосо из Instituto Superior Técnico в Лиссабоне, Португалия. Пришло время искать более странные, но захватывающие сигналы, подчеркивает он.

И все же человечеству стоит помнить предостережение Хокинга и помнить, насколько это опасно.

Источник

Мост Эйнштейна-Розена

Релятивистское описание черных дыр фигурирует в работе Карла Шварцшильда. В 1916 г., всего через несколько месяцев после того, как Эйнштейн записал свои знаменитые уравнения, Шварцшильд сумел найти для них точное решение и вычислить гравитационное поле массивной стационарной: звезды.

Решение Шварцшильда имело несколько интересных особенностей. Во-первых, вокруг черной дыры находится «точка невозврата». Любой объект, приблизившийся на расстояние, меньшее, чем этот радиус, неизбежно затянет в черную дыру, спастись ему не удастся. Человек, которому не посчастливится оказаться в пределах радиуса Шварцшильда, будет захвачен черной дырой и раздавлен насмерть. В настоящее время это расстояние от черной дыры называется радиусом Шварцшильда, или горизонтом событий (самой удаленной видимой точкой).

Во-вторых, каждый, кто окажется в пределах радиуса Шварцшильда, обнаружит «зеркальную вселенную» по «другую сторону» пространства-времени (рис. 10.2). Эйнштейна не беспокоило существование этой причудливой зеркальной Вселенной, потому что сообщение с ней было невозможным. Любой космический зонд, отправленный в центр черной дыры, столкнется с бесконечной искривленностью; иначе говоря, гравитационное поле окажется бесконечным, а любой материальный объект будет уничтожен. Электроны оторвутся от атомов, и даже протоны и нейтроны в ядре разнесет в разные стороны. Кроме того, чтобы проникнуть в другую вселенную, зонду понадобится лететь со скоростью, превышающей скорость света, а это невозможно. Таким образом, хотя зеркальная Вселенная математически необходима для понимания решения Шварцшильда, наблюдать ее физически не удастся никогда.

Рис. 10.2. Мост Эйнштейна-Розена соединяет две разных вселенных. Эйнштейн считал, что любая ракета, очутившаяся на этом мосту, будет уничтожена, значит, сообщение между этими двумя вселенными невозможно. Но более поздние вычисления показали, что путешествия помосту хоть и чрезвычайно трудны, но все-таки возможны.

В итоге известный мост Эйнштейна-Розена, соединяющий две вселенных (мост назван в честь Эйнштейна и его соавтора Натана Розена), считается математической причудой. Этот мост необходим для получения математически последовательной теории черных дыр, однако по мосту Эйнштейна-Розена попасть в зеркальную вселенную невозможно. Мосты Эйнштейна-Розена вскоре обнаружились и в других решениях гравитационных уравнений, таких, как решение Райснера-Нордстрёма для черной дыры с электрическим зарядом… Тем не менее мост Эйнштейна-Розена оставался любопытным, но забытым приложением к теории относительности.

Ситуация начала меняться с появлением труда новозеландского математика Роя Керра, который в 1963 г. нашел еще одно точное решение уравнений Эйнштейна. Керр полагал, что любая коллапсирующая звезда вращается. Как вращающийся фигурист, скорость которого возрастает, когда он прижимает к себе руки, звезда неизбежно будет вращаться быстрее по мере схлопывания. Таким образом, стационарное решение Шварцшильда для черных дыр не было самым физически релевантным решением уравнений Эйнштейна.

Предложенное Керром решение стало сенсацией в вопросах относительности. Астрофизик Субраманьян Чандрасекар однажды сказал:

Самым ошеломляющим событием за всю мою научную жизнь, т. е. более чем за сорок пять лет, стало осознание, что точное решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна, открытое новозеландским математиком Роем Керром, дает абсолютно точное отображение бессчетного множества массивных черных дыр, наполняющих вселенную. Этот «трепет перед прекрасным», этот невероятный факт, что открытие, к которому привел поиск красоты в математике, обнаружило ее точную копию в Природе, убеждают меня, что красота — то, на что человеческий разум отзывается на самом глубинном, содержательном уровне[114].

Однако Керр обнаружил, что массивная вращающаяся звезда не сжимается в точку. Вместо этого вращающаяся звезда сплющивается, пока в конце концов не превращается в кольцо, обладающее примечательными свойствами. Если запустить зонд в черную дыру сбоку, он ударится об это кольцо и будет полностью уничтожен. Искривленность пространства-времени остается бесконечной, если приближаться к кольцу сбоку. Если можно так выразиться, центр все так же окружен «кольцом смерти». Но, если запустить космический зонд в кольцо сверху или снизу, ему придется иметь дело с большой, но конечной искривленностью; иначе говоря, гравитационная сила не будет бесконечной.

Этот весьма неожиданный вывод из решения Керра означает, что любой космический зонд, запущенный во вращающуюся черную дыру вдоль оси ее вращения, может в принципе пережить огромное, но конечное воздействие гравитационных полей в центре и проделать весь путь до зеркальной Вселенной, избежав гибели под воздействием бесконечной искривленности. Мост Эйнштейна-Розена действует как туннель, соединяющий две области пространства-времени; это и есть «червоточина», или «кротовина». Таким образом, черная дыра Керра — ворота в другую вселенную.

А теперь представим, что наша ракета очутилась на мосту Эйнштейна-Розена. Приближаясь к вращающейся черной дыре, она видит кольцеобразную вращающуюся звезду. Поначалу кажется, что ракету, спускающуюся навстречу черной дыре со стороны северного полюса, ждет катастрофическое столкновение. Но по мере приближения к кольцу свет зеркальной Вселенной достигает наших датчиков. Поскольку все электромагнитное излучение, в том числе и от радаров, движется по орбите черной дыры, на экранах наших радаров появляются сигналы, многократно проходящие вокруг черной дыры. Создается эффект, напоминающий зеркальную «комнату смеха», где нас вводят в заблуждение многочисленные отражения со всех сторон. Свет отражается рикошетом от множества зеркал, создавая иллюзию, будто комната полна наших точных копий.

Тот же самый эффект наблюдается при прохождении сквозь черную дыру согласно Керру. Поскольку один и тот же луч света обходит черную дыру по орбите множество раз, радар в нашей ракете обнаруживает изображения, вращающиеся вокруг черной дыры и создающие иллюзию объектов, которых на самом деле там нет.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

ТЕОРИИ ЭЙНШТЕЙНА И ДЕБАЯ

ТЕОРИИ ЭЙНШТЕЙНА И ДЕБАЯ Открытие Дюлонга и Пти оказалось первым этапом почти вековой истории выяснения природы теплоемкости кристалла. Два последующих этапа связаны с именами великих физиков XX века — Альберта Эйнштейна и Петера Дебая. Их достижения относятся к

6. Реванш Эйнштейна

6. Реванш Эйнштейна Суперсимметрия — окончательное решение для полного объединения всех частиц. Абдус Садам Возрождение теории Калуцы-Клейна Эту проблему называли «величайшей в науке всех времен». В прессе ее именовали святым Граалем физики, стремлением объединить

3. Построение уравнений Эйнштейна

3. Построение уравнений Эйнштейна Теперь мы в состоянии построить уравнения гравитации в ОТО. Как мы рассказали в главе 6, в начале XX века было постулировано, что гравитационное взаимодействие выражается в искривлении пространства-времени. При этом пространство-время

4. Решение уравнений Эйнштейна

4. Решение уравнений Эйнштейна Но если есть уравнения, значит их нужно решать. То есть при ограничениях и условиях каждой конкретной задачи или модели нужно найти метрические коэффициенты в каждой точке пространства-времени и тем самым определить его геометрические

8. Мечта Эйнштейна

8. Мечта Эйнштейна В первые годы XX века две новые теории совершенно изменили наше представление о пространстве и времени, да и о самой реальности тоже. Более чем через семьдесят пять лет мы все еще осознаем их смысл и пытаемся обобщить их в единую теорию, которая опишет все

Космологический вклад Эйнштейна

Космологический вклад Эйнштейна Вклад, значительно способствовавший теоретическому осмыслению природы туманностей, поступил в астрономию из Швейцарии. Марсель Гроссман был одним из выпускников швейцарской Высшей технической школы (Политехникума) в Цюрихе. В его

Частная жизнь Эйнштейна

Частная жизнь Эйнштейна После напряженной работы в предыдущие годы, в 1917 г. Эйнштейн серьезно заболел. Его кузина Эльза Эйнштейн, брак которой с торговцем по имени Ловенталь закончился разводом, ухаживала за Эйнштейном и в июне 1919 г. Альберт и Эльза поженились. Эльза,

Конденсация Бозе-Эйнштейна

Конденсация Бозе-Эйнштейна Несомненно, одним из наиболее впечатляемых результатов современной физики было полученное в 1995 г. экспериментальное доказательство конденсации Бозе—Эйнштейна. В 1924 г. Эйнштейн предсказал существование особого состояния материи, в котором

Источник

Как образуются астрофизические кротовые норы и как мы можем их наблюдать

Любой вопрос или замечания Вы можете написать в комментариях. Также я открыт для личного диалога в телеграме или беседы в нашем чате. А еще у меня есть телеграм-канал о космологии.

Введение

Червоточины, кротовины или кротовые норы (англ.: Wormholes) — это гипотетические пространственно-временные структуры с нетривиальной топологией (см. примечание 1), соединяющие либо две области одной вселенной, либо две разные вселенные (см. рис. 1). Входы в червоточину называются «устьями», а область между «устьями» (mouth) именуют «горлом» (throat). Простейшая конфигурация кротовой норы представляет собой два устья, соединенных одним горлом. Возможны и более сложные структуры кротовин [1].

Примечание переводчика 1: Тривиальной топологией называют ту топологию, которая обладает минимальным возможным количеством открытых множеств, т.е. пустого множества и всего пространства. Если предположить, что существуют две разных вселенные, обладающие топологией сферы и соединяющиеся между собой только одной кротовой норой, то такое пространство-время будет обладать тривиальной топологией сферы. Если же кротовиной соединяются между собой две разные части одной вселенной, то такое пространство-время будет обладать уже нетривиальной топологией тора. Если две вселенные, обладающие топологией сферы, соединяются между собой двумя и более кротовыми норами, то результирующее пространство-время также будет обладать нетривиальной топологией. Система вселенных, соединенных между собой несколькими кротовыми норами, также будет обладать нетривиальной топологией.

Червоточины не являются предсказанием ни одной теории гравитации, в т.ч. ОТО, и об их существовании можно делать лишь предположения, основанные на том, что кротовые норы представляют собой пространственно-временные структуры, существование которых вероятно в искривленных пространствах. Механизм образования и существования этих структур описывается в зависимости от конкретной теории гравитации по-разному — отсюда и исходят проблемы существования червоточин в нашей Вселенной.

Первые попытки решить проблему кротовых нор относят к Эйнштейну и Розену (см. раздел «Формирование. «), [2], а сами червоточины впервые были рассмотрены Мизнером и Уилером в 1957 году [3]. Существуют так называемые «проходимые» и «непроходимые» кротовины и особый интерес к себе привлекают именно проходимые — это те, которые можно пересекать в обоих направлениях, т.е. те, которые являются коротким путем для путешествий на большие расстояния без нарушения скоростного предела. В ОТО проходимые червоточины допустимы лишь при наличии экзотического вида материи, чтобы устья кротовых нор постоянно были открыты — в противном случае червоточина будет схлопываться и закрывать свои устья 6, вероятно, превращаясь в обычную черную дыру. В других теориях гравитации надобности в экзотической материи нет 11.

Поскольку мы не можем быть уверены в абсолютной правильности теории относительности для нашей Вселенной, то можем предполагать, что проходимые червоточины могут существовать и без специального вида материи. Астрофизические наблюдения могут искать кротовые норы, и за последние тридцать лет сформировалось несколько гипотез их поиска во Вселенной, которые стали особенно актуальны в последние годы, связанные со стремительным прогрессом средств наблюдений, способствующих изучению и поиску новых методов наблюдений кротовин.

В данном материале будут рассмотрены основные методы поиска макроскопических проходимых червоточин. Сначала будут описаны основные механизмы формирования и стабильности проходимых кротовых нор, затем будут рассмотрены сами методы их поиска и наши успехи, связанные с этими методами.

Формирование макроскопических проходимых кротовых нор

Для существования таких объектов как червоточины требуется наличие астрофизических механизмов, способных к созданию этих структур и поддержанию их стабильности на достаточно долгом промежутке времени, ограниченном временем их обнаружения. В классической общей теории относительности существование таких механизмов ограничено топологической цензурой (см. приложение 2). Тем не менее квантовые эффекты позволяют нам обойти эту цензуру.

Примечание переводчика 2: Принцип топологической цензуры гласит о том, что при отсутствии некоей экзотической формы материи во вселенной, описываемой Общей теорией относительности, нетривиальная топология пространства-времени не может быть обнаружена сторонним наблюдателем, так как время коллапса ее областей намного меньше времени, требуемого свету для пересечения этих областей.

Решение проблемы непроходимых червоточин, мост Эйнштейна-Розена

Рассмотрим черную дыру в статической метрике:

Применив преобразование координат:

получим метрику, содержащую два несвязанных асимптотически плоских пространства с общим горизонтом. Такая червоточина является необратимой, содержит горизонт событий и может соединять только области двух различных вселенных (см. рис. 2). Проблема заключается в том, что расстояние между устьями у такой червоточины бесконечно, следовательно, устья не могут взаимодействовать за пределами червоточины. Другая проблема состоит в том, что горло кротовой норы определяется распределением массы, потому почти всегда оно будет неустойчиво к малейшим возмущением, за чем будет следовать разрушение под собственной силой тяжести. Для предупреждения этого требуется наличие отталкивающей силы, удерживающей червоточину от разрушения. Неизвестно, возможно ли создать такую кротовую нору, так как мы все еще не знаем, как концентрировать энергию отрицательной плотности в макроскопических объемах. Другим способом обеспечивать стабильность кротовины является ее очень тонкое горло, разрушение которого маловероятно уже при наличии небольшого количества энергии отрицательной плотности.

Рис.2: Диаграмма Пенроуза для червоточины Эйнштейна-Розена. Горло червоточины (горизонт), представлено двумя пунктирными линиями (см. приложение 3). Примечание: уместно заменить термин нулевой бесконечности на термин изотропной бесконечности или светоподобной бесконечности (от англ.: null infinity).

Примечание переводчика 3: Форма записи метрики пространства-времени определяется выбором системы координат. Диаграмма Пенроуза описывается системой координат, где неограниченная вселенная изображается в ограниченной области, а граница называется бесконечностью, так как состоят из точек, бесконечно удаленных во времени. Изобразим в ограниченной области геодезические кривые — каждая из них упрется в две точки на границе, где первая точка будет пределом, к которому стремится точка на геодезической, когда время стремится к минус бесконечности (прошлая бесконечность), а вторая будет пределом, к которому стремится точка на геодезической, когда время стремится к плюс бесконечности (будущая бесконечность). Бесконечность бывает времениподобная (time-like), светоподобная (null) и пространственноподобная (spatial), в зависимости от того, каким является касательный вектор у соответствующей геодезической.

Механизм образования червоточин

Очевидным источником образования кротовых нор является квантовая гравитационная фаза ранней Вселенной, в которой флуктуации топологии пространства-времени позволили бы образование червоточины. С другой стороны, те же флуктуации способствуют образованию областей с отрицательной плотностью, которые обеспечивают стабильное состояние червоточины. Из микроскопических масштабов с ходом расширения Вселенной такие области становятся макроскопическими, а значит потенциально наблюдаемыми. Та же аналогия распространяется на суперструнную теорию, где суперструны с ростом размеров Вселенной растягиваются до больших суперструн и поддерживают стабильность кротовин.

В литературе существует множество моделей голографической вселенной, в которой 3+1-мерное пространство или брана встроено в пространство более высокой размерности 29. Брана по своим свойствам не обязательно прямая: она может изгибаться, скручиваться и даже пересекать себя, а потому точки пространства на такой бране могут быть удалены на большие расстояния вдоль самой браны, но иметь короткий путь в объемлющем пространстве. Если рассмотреть две параллельные браны, относящиеся к разным вселенным, и поместить на них по черной дыре, то мы можем попробовать образовать червоточину, заставив искривить пространства-времена так, чтобы браны соприкоснулись. Такая конструкция, при условии массивных устьев, минимизирует потребность в экзотическом виде энергии для стабильного существования кротовой норы, но может случиться, что длинное горло начнет фрагментироваться на более мелкие части для того, чтобы минимизировать свою энергию.

Поиск астрофизических червоточин

Большинство кротовых нор, рассмотренных в литературе, являются имитациями черных дыр, потому нам требуется различать черные дыры и кротовины. Заметим, что некоторые червоточины могут не являться имитациями черных дыр: например, могут не иметь положительной массы, а следовательно, и аккрецирующей материи вокруг них. Тем не менее такие структуры оказывают влияние на свет (см.: микролинзирование).

А. Гравитационное линзирование

Самый очевидный способ обнаружения червоточин, основанный на поиске событий микролинзирования. Он рассмотрен в работах как первая попытка обнаружения червоточин [33, 34]. В работе Торреса показано, что определенные червоточины могут производить такие события микролинзирования как гамма-всплески; на основании этого авторы определили верхний предел плотности массы кротовиноподобных объектов во Вселенной [35].

Рис.3: Эволюция интенсивности фонового источника при прохождении червоточины с эффективной отрицательной массой (слева) и нормального компактного объекта (справа). Кривые соответствуют значениям параметров воздействия; наименьший параметр воздействия характеризуется более выраженной модуляцией интенсивности источника и наоборот: от зеленого до красного. Иллюстрация взята из [34]. Рис.4: Верхние границы доверительных вероятностей для плотности числа червоточин Эллиса во Вселенной (68% и 95%). Данные поиска квазаров Слоановского цифрового обзора. По оси абсцисс: радиус горла червоточины в единицах парсек/h, где h — масштабный коэффициент Хаббла. Иллюстрация взята из [55]. Рис.5: Диаграмма Пенроуза для червоточины, соединяющей две вселенные (раздел «Вращающиеся звезды»).

Б. Вращающиеся звезды

При условии гладкого соединения двух пространств проходимой червоточиной объекты одного пространства, находящиеся в окрестности первого устья, будут испытывать влияние объектов, находящихся в окрестности второго устья из другого пространства. Это предоставляет нам интересную возможность наблюдать за вращающимися вокруг черных дыр (потенциальных устьев) звездами и обнаруживать наличие постороннего воздействия на них.

Смоделируем проходимую червоточину, у одного устья которого находится тестовый объект (или наблюдатель), а у другого — источник возмущений гравитационного поля (ориг.: «perturber»). Устья располагаются в шварцшильдовских пространствах-временах областью радиуса R такого, чтобы он превышал гравитационный радиус устья, т.е. R > rg ≡ 2GM. Выведя гравитационные возмущения perturber’а мы сможем определить дополнительное ускорение наблюдателя в нашем пространстве-времени:

где µ — масса источника возмущений из другого пространства-времени, A — радиальное расположение этого источника, r — радиальное расстояние от наблюдателя до центра червоточины. Для извлечения наблюдательного эффекта рассмотрим эллиптическую орбиту источника возмущений:

Если орбита объекта вытянута так, что r_a > r_p, то можем выразить эту величину как:

Рис.6: График ограничений на массу µ (ось ординат, массы Солнца Mс) и радиуса перицентра rp (ось абсцисс, 2GMс) для гипотетической звезды, вращающейся вокруг Sgr A* с обратной стороны червоточины и возмущающей орбиту S2 на нашей стороне. Линии представляют собой ограничения с точностью ускорения S2, равной 4×10^−4 м/с*с, 2×10^−5 м/с*с и 10^−6 м/с*с соответственно.

Прямой способ наблюдения эффекта дополнительного ускорения — поиск отклонений орбиты объекта от ожидаемого невозмущенного кеплеровского или общего релятивистского значения. Подробно, с учетом расчета дополнительных периодических изменений орбитальной скорости объектов, это было рассмотрено в [62]. Чтобы оценить изменение орбитальной скорости, вызванное дополнительным ускорением, мы можем предположить, что оное происходит раз в орбитальный период источника возмущений с другой стороны червоточины T₀. Мы представляем себе воздействие источника на наблюдателя как импульсивное и происходящее вблизи перицентра. Сравнивая ошибку измерений изменения скорости с дополнительным ускорением, мы можем определить верхний предел массы источника возмущений:

\frac<1>\frac r^2_ \frac<1> \sigma_ <\nu>\left (\frac<\tau>\right)^<1>,» alt=»\mu > \frac<1>\frac r^2_ \frac<1> \sigma_ <\nu>\left (\frac<\tau>\right)^<1>,» src=»https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/0a4/061/233/0a4061233088ee6215ddd49328677c0c.svg» width=»226″ height=»46″/>

Очевидно, что нам нужно подбирать «чистые» системы без динамических изменений, вызванных чем-либо посторонним кроме источника возмущений. Например, для черной дыры с R = 10 6 м и радиусом орбиты ∼ 106 r_g предел массы источника возмущений должен быть на ∼ 4 порядка ниже, чем полученный из наблюдений S2 за год.

В. Визуализация тени червоточины

Попытки визуализировать сверхмассивные черные дыры и их т.н. «тени» начались более 20 лет назад [71]. Граница тени черной дыры соответствует сфере захвата фотонов и ее анализ таким образом может ограничить геометрию пространства-времени вокруг компактного объекта [72]. Исследование природы сверхмассивных черных дыр на основе изучения их тени стало весьма актуальным после публикации изображения тени черной дыры в центре галактики M87, полученного в рамках проекта Event Horizon Telescope Collaboration [16].

Большинство пространств с червоточиной имеют сферу захвата фотонов за пределами их устьев. Если кротовина окружена каким-либо тонким излучающим газом, то наблюдатель сумеет увидеть тень кротовины. В работе [73] было проведено первое исследование тени кротовой норы, где было отмечено, что размер тени кротовой норы может значительно отличаться от тени черной дыры из-за различного изгиба света (см. рис. 7). Происходит это потому, что проходимые червоточины не имеют горизонта и их гравитационное поле слабее, чем поле черных дыр, потому ожидаемо, что и размеры тени и области захвата фотонов меньше, чем у черных дыр.

Предположив, что граница червоточины представляет собой круг и что нам известны спин и угол наклона черной дыры и потенциальной червоточины, полученные в ходе независимой оценки, мы можем сравнить потенциальную червоточину и черную дыру. Осесимметричная червоточина всегда будет иметь тень в форме деформированной окружности. Такой тест мы можем провести и для анализа изображения сгустка плазмы, аккрецирующего вокруг сверхмассивного объекта (будь то червоточина или черная дыра) [83]: в этом случае видимое изображение материала будет разным из-за различия в изгибе света в пространстве около червоточины или черной дыры.

Еще один тест основан на внутренних свойствах проходимых кротовин — он предоставляет возможность обнаружить излучение, испускаемое с другой стороны червоточины [84, 85]. Такой тест действительно способен отличить червоточину от черной дыры. Заметим, что современные методы визуализации работают на миллиметровой длине волны, потому наблюдать оптическое изображение источника по ту сторону горла червоточины не представляется возможным.

Г. Спектр аккреционного диска

Анализ свойств излучения, испускаемого из внутренней части аккреционного диска вокруг компактного объекта потенциально может стать успешным инструментом для исследования природы источника. Наилучшей системамой для такого анализа является система с геометрически тонким и оптически толстым аккреционным диском, т.е. тем диском, у которого аккрецирующий материал имеет большой угловой момент.

Рис.7: Смоделированное изображение оптически тонкой области излучения для черной дыры Шварцшильда (слева) и проходимой сферически-симметричной червоточины (справа). Координаты осей абсцисс и ординат указаны в единицах гравитационного радиуса системы. Иллюстрация взята из [73]. Рис.8: Компактный объект с аккрецирующим геометрически тонким и оптически толстым диском. Иллюстрация взята из [89].

Исследования конкретных решений червоточин представлены в работах 91. Однако существует два факта, которые необходимо принимать во внимание при использовании данного метода обнаружения кротовых нор. Во-первых, метод работает только для компактных объектов со звездной массой, т.к. для сверхмассивных объектов с максимумом излучения в УФ-диапазоне поглощение пыли ограничивает возможности для точного измерения спектра диска. Во-вторых, тепловой спектр диска имеет простую форму, в результате чего при анализе реальных данных мы обнаружим сильное вырождение параметров, что ставит под сомнение возможность отличить черную дыру от червоточины [95].

Стоит отметить и то, что в случае проходимых червоточин можно ожидать, что часть материала может перетекать по горлу из одного устья в другое, что может создать движение вещества в противоположных направлениях, а, следовательно, и генерирование гамма-вспышек [103].

Д. Гравитационные волны

Гравитационно-волновые тесты представляют собой еще один подход к поиску астрофизических червоточин. В отличие от электромагнитных тестов, зависящих от метрики пространства-времени и упомянутых ранее, гравитационно-волновые тесты требуют еще и вычисления сигнала гравитационной волны из уравнений теории, поэтому необходимо уточнить, какую гравитационную модель мы будем брать за основу.

Рис.9: Эволюция деформации, разделения черной дыры и ее относительной скорости для события GW150914 со временем. Иллюстрация взята из [15].

Эксперименты LIGO и Virgo в настоящее время достигли чувствительности, позволяющей обнаружить слияние двух компактных объектов звездной массы каждые несколько дней. Коалесценция состоит из трех стадий: движения по спирали, слияния и финальной стадии. На стадии движения по спирали два тела вращаются вокруг общего центра масс, теряя свою энергию и угловой момент за счет излучения гравитационных волн. Расстояние между телами уменьшается, а относительная скорости и частота обращения увеличивается. На фазе слияния образуется один объект. После слияние следует финальная стадия, в которой образовавшийся объект излучает гравитационные волны, чтобы прийти к равновесной конфигурации.

Перед фазой слияния два объекта находятся относительно далеко друг от друга, а само сближение занимает слишком малый промежуток времени для того, чтобы провести точное измерение геометрии пространства-времени. Это легче сделать, если массы двух объектов значительно различаются, например, как в работе [104], где авторы рассматривают черную дыру массой 5M_с и червоточину массой 200M_с. Подобная система нами еще не наблюдалась, но, вероятно, она будет обнаружена в будущем, например, в связи с использованием космических гравитационно-волновых антенн (типа eLISA). Червоточины могут иметь очень разные приливные свойства и даже могут порождать периодические всплески после стадии слияния [105]. Вообще фаза слияния потенциально информативна для определения природы компактного объекта и проверки теории гравитации, но все еще неприступна из-за необходимости в точных и продолжительных измерениях сигнала и сложности делать теоретические предсказания.

Излучение гравитационных волн в стадии слияния и финальной стадии характеризуется так называемыми квазинормальными модами (KHM), которые в зависимости от конкретной модели могут предоставить информацию о природе компактных объектов 113. Текущие гравитационно-волновые данные еще не в состоянии проверить эти модели, поскольку необходимы точные измерения по крайней мере нескольких KHM, что достижимо в обозримом будущем.

Заключение

Существование проходимых червоточин во Вселенной — это экзотическая и увлекательная гипотеза, которая на данный момент представляет единственную возможность для межзвездных и межгалактических путешествий в далеком будущем. В последние годы произведен большой прогресс в исследованиях компактных объектов, что побуждает к новым исследованиям и проверкам природы компактных объектов в ближайшем будущем. К сожалению, нам не удалось процитировать и обсудить все материалы из области изучения кротовых нор. Тем не менее, мы надеемся, что этот обзор послужит в качестве отправной точки для заинтересованного читателя в изучении этого увлекательного направления астрофизических исследований.

Комментарий переводчика

Оригинальная статья 2105.00881 (gr-qc) Козимо Бамби и Деяно Стойковича была представлена на arXiv.org 3 мая 2021 года, последнее изменение от 8 мая 2021 года. Цитата из обзора препринтов astro-ph Сергея Б. Попова: «Обзор посвящен астрофизическим поискам червоточин. Конечно, маловероятно, что они встречаются в природе, тем не менее интересно узнать, как бы они могли проявляться, и какие наблюдательные пределы на эти проявления имеются. Кроме того, статья начинается с понятного физико-исторического введения». Все материалы, использованные в качестве источников к этому материалу, представлены в конце оригинальной статьи.

Ну и напоминаю, о том, чтобы читатель не стеснялся задать вопрос или поправить меня в комментариях. Также у меня есть телеграм-канал, где я рассказываю о последних новостях космологии и астрофизики, а также пишу об астрофотографии. Пишите мне в личку или наш чат. Всем добра!

Источник