Kako bi sudari crvotočina mogli da ostave trag u svemiru

Simulacije fizičara pokazuju da bi sudari hipotetičkih crvotočina mogli da izazovu kratke i snažne gravitacione talase, drugačije od onih koji nastaju pri sudaru crnih rupa. Istraživanje još nije prošlo naučnu recenziju.

Prostor-vrijeme neprestano se talasa pod uticajem gravitacionih talasa koji se šire svemirom. Naučnici su do sada otkrili stotine takvih signala, od kojih se većina dovodi u vezu sa sudarima crnih rupa. Međutim, da li bi slične talase mogli da izazovu i neki drugi, još uvijek hipotetički objekti, poput crvotočina?

Nove kompjuterske simulacije ukazuju na to da bi sudari određene vrste crvotočina mogli da proizvedu neobične signale i izazovu neočekivane promjene u prostor-vremenu. Rezultati istraživanja mogli bi da pomognu naučnicima da prepoznaju takve pojave u budućim posmatranjima.

Šta su crvotočine i kako bi mogle da nastanu

Crvotočine su hipotetičke strukture koje se razmatraju u okviru Ajnštajnove opšte teorije relativnosti, prema kojoj je gravitacija posljedica zakrivljenosti prostor-vremena. Teorijski, ta zakrivljenost mogla bi da poveže dvije udaljene oblasti svemira tunelom, odnosno prolazom koji se naziva crvotočina.

Iako su čest motiv naučne fantastike, gdje služe kao prečice kroz svemir, njihovo postojanje do danas nije potvrđeno.

Jedan od poznatih teorijskih modela je Ajnštajn–Rozenov most, koji nije prohodan. Drugi je crvotočina Elis–Bronnikov, za koju matematički model predviđa da bi mogla da bude prohodna zahvaljujući takozvanom fantomskom skalarnom polju. Ono ima neobična svojstva koja bi, prema tom modelu, mogla da spriječe zatvaranje prolaza.

Međutim, to što bi crvotočina mogla da bude prohodna ne znači da bi bila i stabilna. Čak i malo narušavanje ravnoteže moglo bi da dovede do urušavanja njenog grla i nastanka crne rupe ili do nekontrolisanog širenja, poznatog kao inflacija.

Zato su fizičari ispitali šta bi se dogodilo kada bi dvije takve crvotočine počele da međusobno deluju, prenosi RTS.

Šta se dešava kad se dvije crvotočine približe

Fizičar Nikita M. Širokov sa Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju i inženjer mašinskog učenja Ilija Načevski sa Više škole ekonomije u Rusiji sproveli su trodimenzionalne simulacije parova crvotočina Elis–Bronnikov. Mijenjali su njihovo početno rastojanje, putanje i svojstva fantomskih skalarnih polja koja, prema modelu, održavaju prolaz otvorenim.

Simulacije su pokazale nekoliko mogućih ishoda. U zavisnosti od početnih uslova, crvotočine su mogle da se privlače ili odbijaju. U nekim slučajevima prolazile su jedna pored druge, a zatim se udaljavale, dok su im se grla znatno širila.

U drugim simulacijama kretale su se jedna prema drugoj, ali se nisu spajale u jednu veću crvotočinu. Umjesto toga, oko oba grla formirao se zajednički prividni horizont, struktura nalik horizontu crne rupe. On je obuhvatio obje crvotočine u oblasti u kojoj je dolazilo do formiranja crne rupe.

Posebno je zanimljivo to što se površina tog horizonta smanjivala. Prema rezultatima simulacija, dok je fantomsko skalarno polje dospevalo u oblast urušavanja, površina horizonta smanjila se za oko 28 odsto.

To se razlikuje od ponašanja koje se uobičajeno očekuje od horizonta događaja crne rupe. Prema teoremi o površini crne rupe, koju je Stiven Hoking formulisao 1971. godine, površina horizonta događaja ne može da se smanjuje, već može samo da raste ili ostane nepromijenjena.

Ipak, rezultati simulacije ne znače da je ta teorema prekršena. U ovom slučaju riječ je o prividnom horizontu, a ne o horizontu događaja, dok fantomsko skalarno polje ima svojstva koja narušavaju pretpostavke na kojima se teorema zasniva. Zbog toga model dopušta smanjenje površine horizonta.

Gravitacioni talasi mogli bi da otkriju razliku

Sudari masivnih objekata, poput crnih rupa, izazivaju poremećaje prostor-vremena koji se šire kao gravitacioni talasi. Kako se dvije crne rupe približavaju jedna drugoj, signal koji emituju obično postaje sve jači, a njegova frekvencija raste. Takav karakterističan obrazac naziva se „čirp“.

Prema novim simulacijama, međusobno djelovanje crvotočina Elis–Bronnikov moglo bi da proizvede drugačije signale — kratke i nagle nalete gravitacionih talasa. Njihov oblik i jačina zavisili bi od toga da li su se crvotočine kretale direktno jedna prema drugoj ili su samo prošle jedna pored druge.

U nekim simulacijama naročito snažni naleti nastajali su čak i kada se nije formirao zajednički prividni horizont.

Ipak, takav signal sam po sebi ne bi bio dokaz postojanja crvotočina. I crne rupe u određenim okolnostima mogu da proizvedu slične signale.

Istraživačima je pažnju privukao i gravitacioni talas GW190521, otkriven 2019. godine, koji je naknadno razmatran i u kontekstu mogućih egzotičnih pojava u prostor-vremenu. Međutim, to ne znači da je nastao sudarom crvotočina. Autori novog istraživanja ne uspostavljaju vezu između tog događaja i rezultata svojih simulacija.

Da li bi takvi signali mogli da se otkriju?

Jedna od prepreka za otkrivanje ovakvih pojava jeste frekvencija gravitacionih talasa. Istraživači navode da bi talasi nastali usljed interakcije crvotočina formiranih u ranom svemiru mogli, zbog širenja svemira, danas da imaju znatno niže frekvencije od onih koje mogu da registruju opservatorije poput LIGO-a i planirane misije LISA.

Da bi signali opisani u simulacijama mogli da budu otkriveni, crvotočine bi morale da nastanu znatno kasnije u istoriji svemira. Za sada, međutim, nije poznato kako bi takav proces mogao da se odvija.

Rezultati istraživanja ne potvrđuju postojanje crvotočina, već opisuju moguće posljedice njihovog međusobnog djelovanja u okviru određenog teorijskog modela. Ipak, ukazuju na to da bi neobični gravitacioni signali u budućnosti mogli da pomognu u istraživanju pojava koje se razlikuju od uobičajenih sudara crnih rupa.