Охота на кротовые норы: как и где во Вселенной найти червоточины

червоточина, кротовая нора, Вселенная
Фото: LiveScience

Туннели в пространстве-времени стали любимой темой научной фантастики, но ученые говорят, что червоточины так же реальны, как Земля и Солнце.

Кротовые норы – краткий путь в пространстве и времени, который давно стал основой научной фантастики. Но некоторые ученые полагают, что червоточины во Вселенной являются таким же естественным объектом, как звезды и планеты. Научный термин для этого экзотического объекта – мост Эйнштейна-Розена, пишет Space.com.

Идея кротовых нор уходит корнями в общую теорию относительности Альберта Эйншейна – его революционный шедевр, перевернувший представления человечества о гравитации с ног на голову. Веками люди считали, что знают все о гравитации, основываясь на работах Исаака Ньютона. Яблоки неизменно падали на землю, а сама планета осталась на орбите вокруг Солнца из-за гравитационного притяжения между объектами.

Но Эйнштейн видел все иначе, он предполагал, что гравитация – это просто искривление пространства и времени. В рамках его теории Земля вращалась вокруг Солнца, потому что масса звезды искривляла пространство вокруг себя, как шар для боулинга на мягкой подушке. Наша планета, согласно Эйнштейну, просто следовала локальной кривизне этой ткани, которую ученый называл "пространством-временем".

Такая безумная идея остро нуждалась в экспериментальных доказательствах. Солнечное затмение 1919 года предоставило такую возможность. Луна заслонила Солнце настолько сильно, что на небе были видны звезды. Тем не менее, звезды оказались не на своих местах, потому как гравитация Солнца искривила их свет. Соперничающие теории Ньютона и Эйнштейна предсказывали разную величину этого искривления, что позволило выяснить, кто был на самом деле прав. Эйнштейн одержал победу: массивные объекты действительно искривляют пространство-время вокруг себя.

Что такое червоточина

Объясняя это явление, ученые всегда советуют представить пространство, как огромный лист бумаги. Например, вы живете в одном конце листа, но хотите попасть на противоположный. Обычно, потребуется пересечь весь лист, чтобы попасть на его другую сторону. Но что, если вместо этого сложить лист пополам? Тогда то место, где вы находитесь окажется совсем рядом с конечной точкой пути. Путешественнику нужно будет лишь пройти небольшой промежуток. Ученые называют эти объекты червоточинами, потому что они похожи на червя, прокладывающего себе сквозь яблоко. Чтобы добраться с одной стороны яблока на другую у него есть два пути: проползти по внешней стороне или же проложить себе путь сквозь яблоко.

кротовая нора, червоточина

До недавнего времени шансы найти эти объекты были в лучшем случае невелики. Но все изменилось в феврале 2016 года, когда ученые, стоящие за проектом LIGO, объявили о первом в истории обнаружении гравитационных волн. Крошечная рябь в ткани пространства-времени, предсказанная общей теорией относительности, распространяет по Вселенной так же, как рябь на пруду.

"Это полностью изменило правила игры", – говорит физик из Лиссабонского университета в Португалии Виктор Кардозо.

Дело было в том, что две черные дыры, массой в 30 раз больше Солнца, столкнулись друг с другом 1,3 млрд лет назад. Их столкновение вызвало цунами гравитационных волн, прорвавшихся сквозь пространство-время, и в конце концов они достигли инструмента LIGO в сентябре 2015 года.

Исследование Кардозо предполагает, что две сталкивающиеся червоточина вызовут аналогичный всплеск гравитационных волн, как и черные дыры. Однако, волны от столкновения червоточин будут немного отличаться.

черные дыры

Ключевым моментом является то, как гравитационные волны затухают после первоначального столкновения.

"С двумя сталкивающимися червоточинами вы увидите такие же волны, как и у черных дыр. Но если ваш детектор очень чувствителен, то через секунды или десятки секунд после взрыва произойдет нечто иное", – говорит автор исследования Кардозо.

По его словам, это связано с природой черных дыр, которые проглатывают все, что подходит слишком близко. Звук сталкивающихся черных дыр всегда становится тише и быстро угасает. Но при столкновении червоточин после тишины появляется эхо – внезапный, последний сигнал, когда гравитационные волны отражаются от поверхности червоточин. Такого никогда не произойдет с черными дырами, поскольку они поглощают абсолютно все.

К сожалению, инструменты LIGO в настоящее время недостаточно чувствительны, чтобы улавливать такое позднее эхо. Однако обсерваторию модернизируют, и это станет возможным "через десять лет или около того", считает Кардозо.

Другой многообещающий проект – космический детектор гравитационных волн LISA Европейского космического агентства, который будет запущен в 2034 году.

Но обнаружение червоточин с помощью столкновение может быть не единственным инструментом поиска. Диего Рубьера-Гарсия, бывший коллега Кардозу по Лиссабонскому университету, придерживается другой идеи. Он изучает процессы, которые могут происходить глубоко внутри черных дыр.

Теория относительности говорит, что черные дыры имеют в своем центре сингулярность – бесконечно сжатую, бесконечно плотную точку.

"Любой наблюдатель, который приблизится к этой точке, будет уничтожен. После этого вы исчезнете из пространства-времени, вам будет больше некуда идти", – говорит Рубьера-Гарсия.

Именно в этой особенности нарушается общая теория относительности – ее уравнения теряются всякий смысл. Многие физики уверены в том, что необходим новый набор правил, чтобы заменить общую теорию относительности для таких экстремальных условий.

И вот тут появляются червоточины. Когда Рубьера-Гарсия применил один из альтернативных наборов правил к физике черных дыр, сингулярность исчезла, превратившись в червоточину.

"Тогда наблюдатель сможет пройти через эту кротовую нору и перейти в другую область Вселенной", – отмечает Рубьера-Гарсия.

Проблема в том, что этот кратчайший путь сквозь космос может быть просто математическим "призраком". Иными словами, альтернатив общей теории относительности, которая использовалась Рубьера-Гарсия, может не соответствовать тому, как на самом деле работает наша Вселенная. Как и все хорошие научные теории, эту также необходимо проверить, как было с Эйнштейном в 1919 году. Именно здесь появляются гравитационные волны.

После того, как ученые создали обширную библиотеку записей пойманных гравитационных волн, они могут анализировать данные в поисках отклонений от общей теории относительности. Если такие будут найдены, что соответствует альтернативным теориям, ученые смогут с уверенностью сказать: червоточины – прячутся внутри черных дыр.  

Как найти червоточину

Эхо гравитационных волн

Гравитационные волны от сталкивающихся черных дыр исчезают очень быстро, но две столкнувшиеся червоточины будут производить эхо, которое смогут обнаружить в будущем.

Микролинзирование

черные дыры, гравитационное линзирование
Пример гравитационного линзирования.
Фото: NASA/ESA

Гравитация галактик и звезд может искажать и увеличивать свет от далеких объектов. Если бы червоточина прошла перед далекой звездой, она бы слегка искривила ее свет, что называется "микролинзированием". Этот метод уже используется для поиска планет-изгоев.

Билет в один конец

Некоторые ученые считают, что черные дыры – это замаскированные кротовые норы. В рамках рискованной миссии, отправка чего-либо внутрь черной дыры помогла бы узнать наверняка, действительно ли существуют червоточины.

Где искать червоточины

Центр Млечного Пути

Млечный Путь, галактика, Вселенная
Фото: ESO/S. Brunier

В 2015 году итальянские исследователи предположили, что в центре Млечного Пути может скрываться червоточина на расстоянии около 27 тыс. световых лет от нас. Обычно червоточине требуется какая-то экзотическая материя, чтобы оставаться открытой. Исследователи полагают, что темная материя вполне может справиться с этой задачей.

Квантовая пена

квантовая пена
Фото: NASA/CXC/M. Weiss

Ученые считают, что даже пустое пространство во Вселенной на самом не деле не пусто – в самых маленьких масштабах оно представляет из себя бурлящий котел энергии. Некоторые полагают, что крошечные виртуальные черные дыры постоянно появляются и исчезают в квантовой пене. Однако, понадобится много энергии, чтобы сделать одну из этих черных дыр постоянной.

Черные дыры

черная дыра, Млечный Путь
Фото: NASA

Некоторые исследователи полагают, что вместо сингулярности, внутри черных дыр скрываются червоточины. Однако до сих пор остается неясным, будут ли эти червоточины достаточно большими для путешествия людей.