Впервые российские ученые осуществили трехмерное моделирование столкновения двух кротовых нор – гипотетических туннелей в пространстве-времени, существование которых допускается некоторыми решениями общей теории относительности. Проведенные расчеты продемонстрировали, что при определенных условиях взаимодействие подобных объектов способно вызвать формирование черной дыры. При этом, согласно одному из рассмотренных сценариев, площадь горизонта событий уменьшилась на 28%, что обусловлено уникальными характеристиками вещества, использованного в математической модели.

Данное исследование было проведено Никитой Широковым, сотрудником Московского физико-технического института (МФТИ), и Ильей Начевским из Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ). Они сосредоточились на изучении взаимодействия кротовых нор Эллиса – Бронникова – теоретических конструкций, которые могут соединять отдаленные участки пространства-времени.

В отличие от классических черных дыр, математическая модель рассматриваемых кротовых нор предполагает наличие открытого прохода, через который потенциально может проходить вещество и излучение. Однако для сохранения стабильности этого прохода требуется особая форма материи, описываемая фантомным скалярным полем. Отличительной чертой данного поля является возможность существования отрицательной плотности энергии, что противоречит общепринятым энергетическим условиям общей теории относительности.

Наличие аналогичного поля в естественной среде не получило экспериментального подтверждения. Кроме того, кротовые норы, предложенные Эллисом и Бронниковым, обладают теоретической неустойчивостью: даже незначительные колебания могут спровоцировать коллапс их туннеля, приводящий к формированию чёрной дыры или же к его стремительному расширению.

Для изучения последствий сближения двух таких объектов физики применили вычислительные методы, основанные на принципах общей теории относительности. В трехмерных компьютерных симуляциях они варьировали расстояние между кротовыми норами, их взаимное перемещение и характеристики фантомного поля, обеспечивающего их стабильность.

Полученные результаты указывают на то, что поведение пары кротовых нор зависит от знаков зарядов, связанных со скалярным полем. В случае совпадения знаков происходит взаимное отталкивание, и проходы начинают расширяться. При противоположных знаках возникает притяжение, которое может привести к сближению объектов и формированию общей области, содержащей захваченное излучение.

Согласно одному из рассмотренных сценариев, два кротовых перехода сблизились по прямой линии. Задолго до того как их проходы успели замкнуться, вокруг них возник общий кажущийся горизонт – граница, разделяющая область, откуда свет не может свободно вырваться в текущем состоянии пространства-времени. Последующее развитие системы привело к образованию чёрной дыры.

Примечательным оказалось изменение площади этого горизонта. В процессе поглощения фантомного поля его размерность сократилась примерно на 28%. Подобное поведение представляется нетипичным для обычных чёрных дыр, поскольку, согласно теореме Стивена Хокинга, при определенных условиях площадь горизонта событий не должна уменьшаться.

Тем не менее, полученные данные не противоречат теореме Хокинга. Прежде всего, в расчётах определялся кажущийся горизонт, который отличается от глобального горизонта событий. Во-вторых, использованное фантомное поле нарушает энергетические условия, необходимые для действия классической теоремы.

Иные модели приводили к еще более странным результатам. Некоторые кротовые норы демонстрировали сближение, за которым следовало расхождение, не приводящее к формированию единой чёрной дыры. В процессе этого взаимодействия наблюдалось быстрое расширение проходов и генерация гравитационных волн.

Учёные провели анализ характеристик этих сигналов и сопоставили их с излучением, возникающим при столкновении обычных чёрных дыр. При постепенном спиральном сближении двух чёрных дыр формируется специфический сигнал, характеризующийся увеличением частоты и амплитуды по мере приближения к моменту слияния. В рассмотренных моделях кротовых нор подобного длительного нарастания не наблюдалось: взаимодействие сопровождалось в основном кратковременными всплесками гравитационного излучения.

Наиболее интенсивные сигналы были зафиксированы в ряде расчётов при близком прохождении кротовых нор, даже если они не сливались в единую чёрную дыру. Это позволяет сделать вывод о том, что гипотетические кротовые норы потенциально способны генерировать гравитационные волны, отличные от сигналов, излучаемых обычными двойными системами.

Тем не менее, кратковременное проявление гравитационных волн само по себе не является неопровержимым доказательством наличия кротовых нор. Подобные сигналы способны генерироваться и в результате определенных взаимодействий известных компактных объектов. При этом исследователи указывают на то, что потенциальные сигналы от кротовых нор, образовавшихся на ранних этапах эволюции Вселенной, вследствие космологического расширения могли сдвинуться в диапазон частот, который не охватывают современные детекторы LIGO и планируемая космическая обсерватория LISA.

Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.