Физикам давно казалось, что гравитация непредсказуема и хаотична, особенно в окрестностях черных дыр. Однако новое исследование предполагает, что пространство-время подчиняется встроенным топологическим ограничениям, которые сохраняются даже в самых экстремальных условиях — подобно узлам на веревке, которые нельзя развязать без внешнего вмешательства.
Ученые выяснили, что даже в хаосе космоса есть строгие правила, которые нельзя нарушить. Общая теория относительности Эйнштейна описывает, как пространство и время искривляются под действием гравитации. Но до сих пор физикам не удавалось найти ничего неизменного в этом постоянном движении и перекручивании. Новое исследование показало, что пространство-время может сохранять скрытые геометрические структуры. Это первое прямое доказательство того, что у гравитации есть встроенные ограничения.
Авторы работы обнаружили фундаментальные правила, которые не дает нарушить сама природа пространства-времени. Эти правила особенно полезны для предсказания того, что происходит с двумя черными дырами, которые вращаются друг вокруг друга и сливаются. Если ученые правы, их открытие изменит подход к изучению самых мощных явлений во Вселенной — слияний черных дыр и гравитационных волн.
Свою идею ученые позаимствовали из физики плазмы. В плазме, то есть в ионизованном газе, магнитные поля могут замораживаться. Это значит, что силовые линии двигаются и изгибаются вместе с веществом, но не разрываются. Физики решили проверить, работает ли нечто подобное с гравитацией. Они переписали главные уравнения Эйнштейна так, чтобы они стали похожи на уравнения, описывающие поведение электромагнитных полей в жидкостях.
После этого они обнаружили в пространстве-времени особые линии гравитационного поля. Эти линии могут сохранять свою связь с течением времени — такое поведение назвали замороженным. Также ученые нашли сохраняющиеся величины: гравитационный поток и гравитационную спиральность. Проще всего понять это на примере узла на веревке. Веревку можно как угодно растягивать и перекручивать, но узел не исчезнет сам по себе. Его нужно специально развязать. Так и новые величины работают как невидимые правила, которые пространство-время не может обойти.
Раньше физики в основном полагались на компьютерное моделирование, где многое зависит от выбора начальных условий. Новый подход предлагает универсальные законы, которые работают всегда. Если открытие подтвердится, оно поможет лучше понимать черные дыры, нейтронные звезды и гравитационные волны. Это сделает их поведение более предсказуемым и улучшит работу таких обсерваторий, как LIGO, Virgo и будущей космической миссии LISA.
У нового открытия есть и ограничения. Замороженное поведение работает только в идеальных условиях, которые редко встречаются в реальном космосе. Также пока не до конца понятно, как новые правила действуют, когда вещество и излучение сильно взаимодействуют с гравитацией. Будущие исследования должны ответить на эти вопросы и выяснить, насколько явления из физики плазмы применимы к реальному пространству-времени.
Читайте также: «Смоделирован сценарий, способный мгновенно уничтожить Вселенную».