Физики предложили новый механизм обмена энергией между гравитацией и веществом

Физики из Колумбийского университета (США) и Университета Адольфо Ибаньеса (Чили) опубликовали в журнале Physical Review D теоретическую работу, описывающую новый процесс — гравитационное пересоединение. Исследование профинансировано NASA.

По мысли авторов, при определённых условиях структуры гравитационного поля способны менять свою взаимную конфигурацию, и это сопровождается перераспределением энергии между самим полем и веществом. Идея выросла из физики плазмы: один из авторов работы, представляющий чилийский университет, долгое время изучал магнитное пересоединение — хорошо известный процесс, при котором магнитные силовые линии перестраиваются и высвобождают накопленную энергию, передавая её заряженным частицам плазмы. Именно так Солнце время от времени выбрасывает плазменные облака, которые при попадании в Землю вызывают полярные сияния.

С гравитацией всё устроено сложнее. В общей теории относительности пространство-время четырёхмерно, поэтому структуры гравитационного поля описываются не линиями, как магнитные поля, а поверхностями, или листами. При этом, подчёркивают учёные, пересоединение гравитационных полей не приводит к разрыву пространства-времени — меняется лишь связность полей, без риска того, что объект «потеряется» в пространстве или времени.

В основе расчётов лежит тетрадная формулировка общей теории относительности, где геометрия пространства-времени описывается через локальные системы отсчёта — наборы из четырёх независимых векторов. Авторы вводят условие, аналогичное закону Ома для идеальной плазмы: пока оно выполняется, гравитационные потоки и связность полевых листов сохраняются. Как только условие нарушается, связность может измениться — это и есть гравитационное пересоединение. В статье также приведены количественные оценки скорости процесса и его влияния на обмен энергией и импульсом между полем и веществом.

Сами исследователи подчёркивают, что речь идёт пока исключительно о теоретической модели: экспериментального подтверждения процесса нет, но математически построение внутренне непротиворечиво.

Почему это важно

Авторы полагают, что новый подход может пригодиться при изучении динамики сильно искривлённого пространства-времени — например, при слиянии чёрных дыр и других компактных объектов. Сейчас такие процессы анализируют в основном методами численной теории относительности, решая уравнения Эйнштейна на суперкомпьютерах. Гравитационно-волновые обсерватории вроде LIGO не интерпретируют сигналы напрямую: сначала строится множество компьютерных моделей, и только потом среди них ищут совпадение с реальными данными. Если исходные модели содержат ошибки, это может привести к неверной трактовке наблюдений.

Поэтому, если предложенная теория найдёт подтверждение в реальных астрофизических явлениях, она способна дать дополнительный инструмент для проверки таких расчётов и уточнения оценок энергии, выделяемой при слияниях компактных объектов. Практическое применение этой идеи учёным ещё предстоит установить.