Спустя более чем 100 лет после того, как Альберт Эйнштейн записал уравнения гравитации, физики продолжают находить в них новые свойства. Один из продуктивных приемов — переписать уравнения в других переменных. Математически это то же самое, но структура уравнений начинает выглядеть иначе, и к гравитации можно применить методы из других областей физики.
Авторы новой научной работы в таком поиске за последние годы переформулировали Общую теорию относительности так, что она стала напоминать электродинамику и физику плазмы — раскаленных газов, из которых состоят Солнце и большая часть космоса. В такой записи у гравитационного поля появляются аналоги электрических и магнитных величин.
Один из важных процессов в плазме — магнитное пересоединение. Силовые линии магнитного поля растягиваются, перекручиваются, затем рвутся и слипаются в новой конфигурации. При этом высвобождается энергия: именно так рождаются солнечные вспышки. Ранее ученые показали, что в идеальной эволюции гравитационного поля есть топологические запреты — аналог «вмороженности» магнитных линий.
Авторы нового исследования построили теорию того, как гравитационное поле может «ломаться» и пересоединяться. Результаты опубликовали в журнале Physical Review D.
Из-за того, что пространство-время четырехмерно, у гравитации вместо силовых линий появляются «листы» — пучки линий, сложенные в плоскости. Это математические структуры, а не физические объекты. В идеальной эволюции связность листов сохраняется: они деформируются, но не рвутся и не слипаются.
Теоретики ослабили идеальное условие и ввели величину, которая описывает отклонения от него. Оказалось, само по себе отклонение еще не гарантирует пересоединения: в ряде случаев его можно убрать простым переопределением поля переноса, и запрет восстанавливается. Настоящее пересоединение требует, чтобы отклонение нельзя было устранить таким способом.
Дальше физики ввели количественные меры скорости пересоединения — по аналогии с магнитным пересоединением в плазме. Они показали, что процесс меняет обмен энергией и импульсом между гравитационным полем и веществом, а также позволяет рождаться и исчезать гравитационной спиральности — величине, описывающей запутанность поля. Источниками неидеальности могут быть сингулярности пространства-времени, например, у черных дыр, эффекты квантового излучения Хокинга или модификации Общей теории относительности.
Физики пришли к выводу, что гравитационное пересоединение — математически возможный механизм: он одновременно перестраивает связность поля, перераспределяет энергию между полем и веществом, а также меняет спиральность. При этом проверка теории в реальных сценариях — например, слияниях черных дыр — лишь задача будущих исследований.
Если гравитационное пересоединение проявится в слияниях черных дыр, оно оставит след в энергии событий и форме гравитационных волн, которые фиксируют обсерватории вроде LIGO. Проверить это — следующий шаг.