Моделювання показало, як зіткнення двох кротових нір спотворює простір

17 жовтня 2026 р. 11:15

17 жовтня 2026 р. 11:15

Тканина Всесвіту постійно тремтить від нескінченної кількості гравітаційних хвиль, що розходяться космосом. Більшість із сотень зафіксованих нині сигналів пов’язують із зіткненнями чорних дір – найщільніших відомих об’єктів. Але чи всі такі події справді є саме злиттями чорних дір? І що, якщо деякі ще не виявлені сигнали можуть походити від чогось екзотичнішого, наприклад від кротових нір?

Нове моделювання показує, що зіткнення певного типу кротових нір могло б залишити в просторі-часі дуже дивні й впізнавані сліди. Про це йдеться у препринті фізика Нікіти М. Широкова (Nikita M. Shirokov) з Московського фізико-технічного інституту та інженера з машинного навчання Іллі Начевського (Ilya Nachevsky) з Вищої школи економіки, на який звертає увагу ScienceAlert .

Що таке кротові нори Елліса–Броннікова

Кротові нори зазвичай асоціюються з науковою фантастикою – стрибками в гіперпростір і «тунелями» для миттєвих подорожей між далекими регіонами космосу. Втім, сама ідея має цілком реальне теоретичне підґрунтя: це математичний розв’язок рівнянь загальної теорії відносності Ейнштейна, де гравітація описується як викривлення простору-часу.

У принципі простір-час може бути викривлений так, що дві віддалені області з’єднуються тунелем – «горлом» кротової нори. Чи існують такі структури в реальному Всесвіті, поки невідомо.

Відомий термін «міст Ейнштейна–Розена» описує нетранзитну кротову нору, через яку нічого не може пройти. Інша модель – кротова нора Елліса–Броннікова. Вона є транзитною, тобто в принципі крізь неї можна пролетіти, і підтримується так званим фантомним скалярним полем.

Це гіпотетичне поле має незвичні властивості негативної енергії, які не дають горлу кротової нори «захлопнутися». Однак «транзитна» не означає «стабільна»: навіть невелике збурення може порушити крихку рівновагу. Горло здатне або схлопнутися, утворивши чорну діру, або почати безконтрольно розширюватися в процесі, схожому на інфляцію.

Тож якщо дві такі нестійкі структури опиняться поруч, можна очікувати дуже бурхливий і руйнівний розвиток подій.

Як моделювали зіткнення кротових нір

Щоб з’ясувати, що саме може статися, Широков і Начевський провели тривимірні чисельні симуляції пар кротових нір Елліса–Броннікова. Вони змінювали початкову відстань між об’єктами, їхні траєкторії та параметри фантомного скалярного поля, яке утримує горла відкритими.

Результати виявилися дуже різноманітними. Залежно від конфігурації кротові нори могли притягуватися або відштовхуватися. Деякі пролітали досить близько, щоб сильно взаємодіяти, але потім розліталися, при цьому їхні горла значно розширювалися.

В інших сценаріях об’єкти стрімко зближувалися. Однак замість того, щоб злитися в одну велику кротову нору, відбувалося щось набагато дивніше: навколо обох горл формувався спільний видимий горизонт – структура, подібна до горизонту подій чорної діри, яка разом охоплювала обидві кротові нори всередині зростаючої чорної діри.

Горизонт, який порушує звичні правила

На цьому дивини не закінчувалися. У моделюванні цей спільний горизонт поводився так, як горизонти чорних дір поводитися не повинні: він стискався.

Коли фантомне скалярне поле «падало» в область, що колапсує, площа горизонту зменшувалася приблизно на 28 відсотків . Для звичайних чорних дір це заборонено теоремою про площу горизонту, сформульованою Стівеном Гокінгом у 1971 році: площа горизонту подій може лише зростати або залишатися сталою.

Однак ця теорема спирається на припущення про поведінку енергії, які фантомне скалярне поле порушує. Через свої екзотичні властивості з негативною енергією воно дозволяє моделюваному горизонту стискатися, а не розширюватися.

Формально це не суперечить теоремі Гокінга, адже в симуляції йдеться про видимий (апарантний) горизонт, а не справжній горизонт подій, та ще й за участі поля, що виходить за межі стандартних припущень. Проте результат усе одно виглядає вражаючим.

Який слід залишать такі події в гравітаційних хвилях

Коли масивні об’єкти, наприклад чорні діри, зближуються по спіралі й зливаються, їхній рух породжує гравітаційні хвилі – рябь у просторі-часі, подібну до хвиль за човном на воді. Саме такі сигнали нині реєструють детектори на кшталт LIGO.

Масивні кротові нори Елліса–Броннікова, змодельовані в цій роботі, також мають випромінювати гравітаційні хвилі під час руху та взаємодії. Але, за розрахунками авторів, їхні сигнали суттєво відрізнялися б від типових «спіральних» злиттів чорних дір.

Для пари чорних дір характерний так званий «чирп» – сигнал, який поступово посилюється й підвищується за частотою в міру зближення об’єктів. Натомість симуляції зіткнень кротових нір дали короткі, різкі імпульси гравітаційних хвиль.

Форма й потужність цих імпульсів залежали від того, чи кротові нори справді врізалися одна в одну, чи лише «чиркалися» при близькому прольоті. Деякі з найтісніших зближень без утворення спільного горизонту давали особливо сильні гравітаційно-хвильові сплески.

Це не означає, що будь-який гравітаційний імпульс без «чирпу» є доказом існування кротових нір. Чорні діри за певних умов теж можуть генерувати подібні сигнали. Один із незвичних зареєстрованих сигналів, GW190521, виявлений у 2019 році, уже розглядають як можливий прояв екзотичної фізики простору-часу. Це не доводить, що його створила кротова нора, і нові симуляції не встановлюють прямого зв’язку з цією подією, але показують, чому варто вивчати потенційні «підписи» гіпотетичних об’єктів.

Чи зможемо ми колись побачити такі сигнали

Є ще одна важлива складність. Автори зазначають, що кротові нори, які виникли б у ранньому Всесвіті, генерували б гравітаційні хвилі з частотами, розтягнутими космічним розширенням до значень, значно нижчих за діапазон чутливості сучасних і запланованих детекторів, таких як LIGO чи місія LISA.

Щоб сигнали, змодельовані в цій роботі, були доступні для спостережень, кротові нори мали б утворюватися значно пізніше в історії Всесвіту. Наразі фізики не знають механізму, який би дозволив їм з’являтися на таких пізніх етапах.

Попри це, Всесвіт не раз підносив несподіванки. Якщо нам колись пощастить зафіксувати гравітаційний сигнал від зіткнення кротових нір Елліса–Броннікова, подібні моделювання допоможуть краще зрозуміти, що саме ми спостерігаємо.

Робота поки що не пройшла рецензування і доступна у вигляді препринта на сервісі arXiv.

Наука