Мультивселенная

Аннотация: в материале описаны проблемы модели горячей Вселенной, рассмотрены инфляционные модели Алана Гута и Андрея Линде, по итогу чего сделан вывод о реализуемости гипотезы Мультивселенной, ее смысле и самоподобии.

Предисловие

Во время выбора темы для данного материала я определился, что мне пора поговорить со своими читателями о математике, как это было в статье о Великой теореме Ферма, и по совету знакомого мне профессора взор пал на фракталы. Фрактал это множество, обладающее свойством самоподобия. При масштабировании любая часть фрактала представляет собой сам фрактал. В качестве примера фрактала приведу множество Кантора, что было описано в 1883 году Георгом Кантором. Множество начинается отрезком определенной длины, а каждый последующий отрезок является третью предыдущего, причем таких отрезков в "шеренге" два, и разделены они расстоянием в такой же отрезок. Сколько бы мы не масштабировали это множество, оно всегда будет напоминать собой первоначальный вид. Выглядит это так:

Снежинка Коха другой пример фрактала, представляющего собой множество в виде отрезка. Она была описана в 1904 году Гельге фон Кохом. Пусть отрезок будет разделен на три равные части и вторая его часть будет заменена на два отрезка той же длины (1/3), образующих острый угол между собой. Тогда такое множество будет представлять собой ломаную, состоящую из четырех звеньев длины 1/3. Давайте применим вышеперечисленные действия к каждой из этих четырех звеньев, и так далее:

С числом итераций ломаная начинает напоминать снежинку, масштабирование которой покажет нам то, что это фрактал. У фрактала есть и другое определение, гласящее, что всякий фрактал имеет дробную размерность. Путем бесконечного дробления какого-либо элемента мы получаем бесконечно подобную себе фигуру. Проблема заключается в том, что трудно понять то, что из себя представляет дробная размерность.

Вспомним, что такое размерность и какие объекты и ею обладают. Наш мир находится в трехмерном пространстве с объемными телами. Вы понимаете смысл моих слов, читая двухмерные буквы. А тире одномерная линия, если разрешите мне такое допущение. Так вот вышеперечисленные примеры обладают размерностью, измеряемой натуральными числами. Размерность по своей сути определяет отношение масштаба к мере, и понять это можно на примере линии, квадрата и куба, а в качестве меры возьмем массу:

Уменьшив масштаб линии втрое, ее масса также уменьшится в три раза; у квадрата при том же масштабировании длина линии по каждой оси уменьшится втрое, соответственно масса уменьшится в 3²; у куба по той же причине линия станет короче на две трети по трем осям, а масса уменьшится в 3³ раз. А что будет, например, со снежинкой Коха? Если мы отрежем две трети множества, то ее масса уменьшится в 4 раза! Отсюда напрашивается вывод о том, что фрактальная размерность множества Коха выражается как:

У фрактала размерность не представлена целым числом, и, как говорят в 3Blue1Brown, это главное доказательство того, что фрактальный объект является порождением природы, а не человека. Например, волны и облака имеют размерность 1,3, береговые линии островов и материков от 1,05 до 1,7. А посмотрите на листья и ветви деревьев:

А самый красивый фрактал, который я видел это итальянская капуста или капуста Романеско, являющаяся гибридом цветной капусты и капусты-брокколи, созданным в 1990-х годах. Фрактальное строение этой капусты позволяет ей собирать как можно больше солнечного света и как можно эффективнее распространять питательные вещества по всем уголкам своего организма. Кстати, размерность этой капусты составляет около 2,66:

Фрактал давно перестал отождествляться только с природой. Издревле он был отражен в человеческой культуре, в частности, в архитектуре и живописи:

Фрактальная космология

Только я захотел отвлечься от астрофизики и углубиться в чисто математическую тему, моему любопытству понадобилось вбить в поисковик: Фрактальная космология, в ответ на что появилась страница на Википедии, через которую я познакомился с трудами Андрея Линде и гипотезой Мультиверса, но обо всем по порядку.

Поздняя летняя ночь 1981 года. Младший научный сотрудник физического института им. Лебедева Андрей Дмитриевич Линде будит свою жену и говорит ей следующее:

Думаю, я знаю, как родилась Вселенная.

Линде и его коллеги, в т.ч. Стивен Хокинг, бились над одной из серьезнейших проблем в космологии, которая возникла после публикации революционной статьи Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems, вышедшей в Physical Review 15 января 1981 года. Написал ее сотрудник Стэнфордского центра линейных ускорителей SLAC Алан Гут, вышедший из-под кузницы MIT. Его работа предлагала модификацию теории горячей Вселенной, что дало бы удовлетворительное решение проблемы стандартной космологии:

1. По данным микроволнового космического фона (CMB) анизотропия Вселенной минимальна и наблюдаема на малых масштабах, когда стандартной моделью предсказывались большие различия плотностей ранней Вселенной;

2. Стандартная модель не могла объяснить природу распределения первичных флуктуаций, из которых сформировалась современная крупномасштабная структура галактик (т.н. нить галактик).

А что сделал Алан Гут для решения проблемы? Представим скалярное поле с потенциалом, метастабильным и основным состояниями, а также с высокой плотностью энергии. Такое поле наблюдаемо только косвенно, путем его возбуждения. Такое поле называют инфлатонным: оно очень плотное и горячее (порядка 10¹⁶ ГэВ). Мы можем говорить о его свойствах только с 10^-36 сек после его появления. Что было ранее вопрос долгих споров. Важнее то, что поле стремится к минимуму потенциала, который в ходе новых состояний расширяющегося и остывающего поля постоянно обновляется. Это дало зародышу вселенной одолеть несколько фазовых переходов, схожих с фазовыми переходами в МКТ, и, как в молекулярке, между переходами есть лиминальный промежуток, во время которого происходит переохлаждение поля (метастабильное состояние, т.н. ложный вакуум, где величина поля равна нулю, а потенциал максимален). По мере остывания отрицательная плотность энергии статического поля перевешивает тепловую плотность энергии в один момент их сумма меняет знак на противоположный, скалярное поле застывает в метастабильном состоянии, ожидая пересечения давлением критической точки (-1/3). В этот момент стремящаяся сжаться под действием тяготения Вселенная обретает отрицательное давление и начинает раздуваться. Скалярное поле стремится занять весь объем растущего пространства-времени, становясь однороднее и однороднее. Каждый промежуток времени, называемого планковским (10^-36 сек) размер Вселенной удваивается, а кривизна уменьшается вдвое. Так продолжается до того момента, пока потенциал поля остается в своем минимуме.

На выходе мы получаем гигантскую плоскую Вселенную, которая продолжает расширяться со скоростью удаления границ, превышающих скорость света в вакууме, что влечет за собой разрушение причинной связи (не путать с причинно-следственной связью). Внимательный читатель уже догадался, что отдельные части Вселенной начинают жить собственной жизнью, что представляет собой отличный фундамент для Мультиверса и фрактальной вселенной. Но вернемся к Гуту и его теории: в момент 10^-35 сек Вселенной вручается полное управление своей судьбой передачей энергии метастабильного поля частицам путем квантового туннелирования через потенциальный барьер в основное энергетическое состояние. Вселенная вновь нагревается, а давление обретает положительный знак, прекращая эпоху экспоненциального расширения. Дальнейшая эволюция Вселенной описывается фридмановским сценарием и в объяснении не нуждается.

Проще говоря, вселенная образовалась путем флуктуации скалярного поля, которое стремилось обнулить свою потенциальную энергию, миновав несколько фазовых переходов, в ходе которых оно расширилось до гигантских размеров, в конце концов, распавшись на элементарные частицы путем квантового туннелирования после этого вселенная нагрелась и обрела положительное давление.

А в чем сюр? Гут вряд ли смог найти более вескую причину обнуления потенциала инфлатонного поля в конце инфляционного расширения, что предположил присутствие туннельного эффекта. В конце оригинальной статьи он оставил такое послание читателям:

Я публикую данный материал в надежде, что она побудит читателей найти способ избежать нежелательных особенностей инфляционного сценария появления Вселенной.

Андрей Линде оказался тем самым читателем. Он предположил, что частицы во Вселенной образуются после распада инфлатонного поля не путем рывковых туннельных эффектов, а кривообразно, как шар, катящийся по пологому склону потенциальной энергии. Свою идею он прозвал Новой инфляционной теорией как дань уважения к первосоздателю.

А при чем тут фракталы?

Видите ли, модель Линде предполагает, что сверхсветовое разбегание частей инфлатонного поля вызывает пузырькование поля, которые в будущем не объединяются! То есть причинная связь между ними не восстанавливается, как думал Гут, а соответственно, это дает нам право говорить о расширении не Вселенной, а многих вселенных, рожденных из пузырьков!

Если мы полетим со сверхсветовой скоростью прочь от Земли (и в любом случае навстречу ранней Вселенной, обозначенной микроволновым фоном), то наткнемся на границу Вселенной, момент t, когда Вселенная обрела частицы, порожденные инфлатонным полем. За этим полем не будет ничто вопреки мнению интернет-философов за ним будет то самое инфлатонное поле, заполненное квантовыми флуктуациями, и... другие вселенные. Действительно, мы ведь можем представить инфлатонное поле бульоном, а пузыри вселенными. Выйдя за границы нашей вселенной, мы увидим другие вселенные-пузыри. Я прошу перечитать последний абзац, выключив логику и стереотипы о распространении световых волн, постоянной скорости света и прочем.

Нарушение причинной связи отключает условие идентичности физических законов для других вселенных, а значит, позволяет им быть совершенно разными, а главное отличными от нашей. Андрей Линде любит сравнивать разные вселенные с водой: молекула-то одна H2O, но вот реализация этой молекулы может быть разной: водой, льдом или паром. Законы определяются свойствами вакуума, которые зависят от локальных скалярных полей, заключенных в пузыри, и квантовыми флуктуациями в них это так называемые космологические мутации. Но у каждой вселенной, как считает Андрей Дмитриевич, есть общий генетический код, подобный коду живых существ.

Мультивселенная решает очень много вопросов и теорию тонкой настройки Вселенной, гласящей о случайной подгонке всех постоянных для создания идеальных условий, и антропный принцип с парадоксом Ферми.

Сейчас, когда мы говорим про эту мульти-Вселенную, откуда мы знаем, что эта картина имеет смысл, помимо того, что она естественно возникает втеориях такого типа? Втеории струн, втеории инфляции... Есть ли экспериментальное свидетельство? Апосмотрите: масса электрона в2000раз меньше, чем масса протона. Почему? Масса протона в 100раз меньше, чем масса дабл-ю-бозона (w-бозона) примерно. Почему это так? Масса протона и масса нейтрона примерно одинаковы, не дай Бог нарушить этот баланс. Если мы изменим массу электрона в 2раза, жизнь нашего типа станет невозможной. Если мы изменим заряд электрона в 2раза, жизнь нашего типа станет невозможной. Если мы изменим энергию вакуума в 100раз, жизнь нашего типа станет невозможной. Если мы изменим, рассогласуем соотношение между массой протона и массой нейтрона в несколько раз, чуть-чуть, жизнь нашего типа станет невозможной.

Выяснилось, что инфляционная космология дает возможность создать много разных типов Вселенной. И тогда водной изних электроны, может быть, тяжелее, и электромагнитная константа связи, может быть, тяжелее это вот то, счем я и пришел на этот самый ученый совет, когда меня утверждали на старшего научного, и утвердили. Так вот, оказывается, возможно обсуждать вопрос отом, вкакой Вселенной мы живем: мы живем втой Вселенной, где мыможем жить, а их 10втысячной (10¹⁰⁰⁰) типов, и водном из них существовали электроны такие как нужно, протоны такие как нужно... Тоесть для того, чтобы мы могли задавать эти вопросы, для того чтобы нам неговорить, что кто-то специально сделал Вселенную, которая создана для нашего удобства, для того чтобы избежать давать такой ответ наэтот вопрос, мы тогда должны сказать, что унас было много возможностей выбора. Ивот эта Вселенная, этот вариант теории, в котором есть много возможностей, он позволяет ответить на вопросы такого типа. То есть это экспериментальное свидетельство космологическая постоянная, энергия вакуума ничтожно мала. Единственный способ, который мы сейчас знаем, объяснить это предположить, что эта теория многоликой Вселенной справедлива. Ялучше на этом закончу, и дальше вопросы будете задавать вы. Спасибо.

Андрей Дмитриевич Линде

Для заинтересовавшихся предлагаю к ознакомлению:

• Лекцию А.Д. Линде Многоликая вселенная в видеоформате и текстом;

• Оригинальную статью Алана Гута (ссылка);

• Статья на Вики о Многомировой интерпретации (ссылка);

• Статья А.Д. Линде The Self-Reproducing Inflationary Universe в Scientific American на русском языке, 1994 (ссылка)

• Фракталы в архитектуре и живописи (ссылка)

• Та самая статья на Вики о фрактальной космологии, с которой все началось (ссылка)

• Видео о фракталах от 3Blue1Brown (ссылка)

Также я веду телеграм-канал, на котором вы можете ознакомиться с моей деятельностью, насущными вопросами космологии и моими старыми статьями (ссылка).

Любой вопрос или замечания Вы можете написать в комментариях. Также я открыт для личного диалога втелеграмеили беседы внашем чате. А еще у меня естьтелеграм-канало космологии.

Введение

Червоточины, кротовины или кротовые норы (англ.: Wormholes) это гипотетические пространственно-временные структуры с нетривиальной топологией (см. примечание 1), соединяющие либо две области одной вселенной, либо две разные вселенные (см. рис. 1). Входы в червоточину называются "устьями", а область между "устьями" (mouth) именуют "горлом" (throat). Простейшая конфигурация кротовой норы представляет собой два устья, соединенных одним горлом. Возможны и более сложные структуры кротовин [1].

Примечание переводчика 1: Тривиальной топологией называют ту топологию, которая обладает минимальным возможным количеством открытых множеств, т.е. пустого множества и всего пространства. Если предположить, что существуют две разных вселенные, обладающие топологией сферы и соединяющиеся между собой только одной кротовой норой, то такое пространство-время будет обладать тривиальной топологией сферы. Если же кротовиной соединяются между собой две разные части одной вселенной, то такое пространство-время будет обладать уже нетривиальной топологией тора. Если две вселенные, обладающие топологией сферы, соединяются между собой двумя и более кротовыми норами, то результирующее пространство-время также будет обладать нетривиальной топологией. Система вселенных, соединенных между собой несколькими кротовыми норами, также будет обладать нетривиальной топологией.

Червоточины не являются предсказанием ни одной теории гравитации, в т.ч. ОТО, и об их существовании можно делать лишь предположения, основанные на том, что кротовые норы представляют собой пространственно-временные структуры, существование которых вероятно в искривленных пространствах. Механизм образования и существования этих структур описывается в зависимости от конкретной теории гравитации по-разному отсюда и исходят проблемы существования червоточин в нашей Вселенной.

Первые попытки решить проблему кротовых нор относят к Эйнштейну и Розену (см. раздел "Формирование..."), [2], а сами червоточины впервые были рассмотрены Мизнером и Уилером в 1957 году [3]. Существуют так называемые "проходимые" и "непроходимые" кротовины и особый интерес к себе привлекают именно проходимые это те, которые можно пересекать в обоих направлениях, т.е. те, которые являются коротким путем для путешествий на большие расстояния без нарушения скоростного предела. В ОТО проходимые червоточины допустимы лишь при наличии экзотического вида материи, чтобы устья кротовых нор постоянно были открыты в противном случае червоточина будет схлопываться и закрывать свои устья [6-8], вероятно, превращаясь в обычную черную дыру. В других теориях гравитации надобности в экзотической материи нет [11-14].

Поскольку мы не можем быть уверены в абсолютной правильности теории относительности для нашей Вселенной, то можем предполагать, что проходимые червоточины могут существовать и без специального вида материи. Астрофизические наблюдения могут искать кротовые норы, и за последние тридцать лет сформировалось несколько гипотез их поиска во Вселенной, которые стали особенно актуальны в последние годы, связанные со стремительным прогрессом средств наблюдений, способствующих изучению и поиску новых методов наблюдений кротовин.

В данном материале будут рассмотрены основные методы поиска макроскопических проходимых червоточин. Сначала будут описаны основные механизмы формирования и стабильности проходимых кротовых нор, затем будут рассмотрены сами методы их поиска и наши успехи, связанные с этими методами.

Формирование макроскопических проходимых кротовых нор

Для существования таких объектов как червоточины требуется наличие астрофизических механизмов, способных к созданию этих структур и поддержанию их стабильности на достаточно долгом промежутке времени, ограниченном временем их обнаружения. В классической общей теории относительности существование таких механизмов ограничено топологической цензурой (см. приложение 2). Тем не менее квантовые эффекты позволяют нам обойти эту цензуру.

Примечание переводчика 2: Принцип топологической цензуры гласит о том, что при отсутствии некоей экзотической формы материи во вселенной, описываемой Общей теорией относительности, нетривиальная топология пространства-времени не может быть обнаружена сторонним наблюдателем, так как время коллапса ее областей намного меньше времени, требуемого свету для пересечения этих областей.

Решение проблемы непроходимых червоточин, мост Эйнштейна-Розена

Рассмотрим черную дыру в статической метрике:

Применив преобразование координат:

получим метрику, содержащую два несвязанных асимптотически плоских пространства с общим горизонтом. Такая червоточина является необратимой, содержит горизонт событий и может соединять только области двух различных вселенных (см. рис. 2). Проблема заключается в том, что расстояние между устьями у такой червоточины бесконечно, следовательно, устья не могут взаимодействовать за пределами червоточины. Другая проблема состоит в том, что горло кротовой норы определяется распределением массы, потому почти всегда оно будет неустойчиво к малейшим возмущением, за чем будет следовать разрушение под собственной силой тяжести. Для предупреждения этого требуется наличие отталкивающей силы, удерживающей червоточину от разрушения. Неизвестно, возможно ли создать такую кротовую нору, так как мы все еще не знаем, как концентрировать энергию отрицательной плотности в макроскопических объемах. Другим способом обеспечивать стабильность кротовины является ее очень тонкое горло, разрушение которого маловероятно уже при наличии небольшого количества энергии отрицательной плотности.

Примечание переводчика 3: Форма записи метрики пространства-времени определяется выбором системы координат. Диаграмма Пенроуза описывается системой координат, где неограниченная вселенная изображается в ограниченной области, а граница называется бесконечностью, так как состоят из точек, бесконечно удаленных во времени. Изобразим в ограниченной области геодезические кривые каждая из них упрется в две точки на границе, где первая точка будет пределом, к которому стремится точка на геодезической, когда время стремится к минус бесконечности (прошлая бесконечность), а вторая будет пределом, к которому стремится точка на геодезической, когда время стремится к плюс бесконечности (будущая бесконечность). Бесконечность бывает времениподобная (time-like), светоподобная (null) и пространственноподобная (spatial), в зависимости от того, каким является касательный вектор у соответствующей геодезической.

Механизм образования червоточин

Очевидным источником образования кротовых нор является квантовая гравитационная фаза ранней Вселенной, в которой флуктуации топологии пространства-времени позволили бы образование червоточины. С другой стороны, те же флуктуации способствуют образованию областей с отрицательной плотностью, которые обеспечивают стабильное состояние червоточины. Из микроскопических масштабов с ходом расширения Вселенной такие области становятся макроскопическими, а значит потенциально наблюдаемыми. Та же аналогия распространяется на суперструнную теорию, где суперструны с ростом размеров Вселенной растягиваются до больших суперструн и поддерживают стабильность кротовин.

В литературе существует множество моделей голографической вселенной, в которой 3+1-мерное пространство или брана встроено в пространство более высокой размерности [27-29]. Брана по своим свойствам не обязательно прямая: она может изгибаться, скручиваться и даже пересекать себя, а потому точки пространства на такой бране могут быть удалены на большие расстояния вдоль самой браны, но иметь короткий путь в объемлющем пространстве. Если рассмотреть две параллельные браны, относящиеся к разным вселенным, и поместить на них по черной дыре, то мы можем попробовать образовать червоточину, заставив искривить пространства-времена так, чтобы браны соприкоснулись. Такая конструкция, при условии массивных устьев, минимизирует потребность в экзотическом виде энергии для стабильного существования кротовой норы, но может случиться, что длинное горло начнет фрагментироваться на более мелкие части для того, чтобы минимизировать свою энергию.

Поиск астрофизических червоточин

Большинство кротовых нор, рассмотренных в литературе, являются имитациями черных дыр, потому нам требуется различать черные дыры и кротовины. Заметим, что некоторые червоточины могут не являться имитациями черных дыр: например, могут не иметь положительной массы, а следовательно, и аккрецирующей материи вокруг них. Тем не менее такие структуры оказывают влияние на свет (см.: микролинзирование).

А. Гравитационное линзирование

Самый очевидный способ обнаружения червоточин, основанный на поиске событий микролинзирования. Он рассмотрен в работах как первая попытка обнаружения червоточин [33, 34]. В работе Торреса показано, что определенные червоточины могут производить такие события микролинзирования как гамма-всплески; на основании этого авторы определили верхний предел плотности массы кротовиноподобных объектов во Вселенной [35].

Б. Вращающиеся звезды

При условии гладкого соединения двух пространств проходимой червоточиной объекты одного пространства, находящиеся в окрестности первого устья, будут испытывать влияние объектов, находящихся в окрестности второго устья из другого пространства. Это предоставляет нам интересную возможность наблюдать за вращающимися вокруг черных дыр (потенциальных устьев) звездами и обнаруживать наличие постороннего воздействия на них.

Смоделируем проходимую червоточину, у одного устья которого находится тестовый объект (или наблюдатель), а у другого источник возмущений гравитационного поля (ориг.: perturber). Устья располагаются в шварцшильдовских пространствах-временах областью радиуса R такого, чтобы он превышал гравитационный радиус устья, т.е. R > rg 2GM. Выведя гравитационные возмущения perturber'а мы сможем определить дополнительное ускорение наблюдателя в нашем пространстве-времени:

где масса источника возмущений из другого пространства-времени, A радиальное расположение этого источника, r радиальное расстояние от наблюдателя до центра червоточины. Для извлечения наблюдательного эффекта рассмотрим эллиптическую орбиту источника возмущений:

Если орбита объекта вытянута так, что r_a > r_p, то можем выразить эту величину как:

Рассмотрим конкретный пример звезду S2, вращающуюся вокруг центра нашей галактики Sgr A*, где расположена сверхмассивная черная дыра с M = 4 10⁶ M_солн. Масса звезды S2 составляет 14M_солн, ее орбитальный период составляет 15,9 лет и большая полуось имеет размер 1031,69 астрономических единиц. Ускорение звезды составляет 1,5 м/с² и измерено с точностью 4 10^-4 м/с². На рисунке ниже показано, с какой точностью возможно исключить ситуацию, в которой подобная звезда на другом конце червоточины (если мы предположим, что Sgr A* является таковой) воздействует на S2 на расстоянии нескольких гравитационных радиусов. Для точности определения воздействия источника возмущений на другой стороне нам нужно исключить все консервативные объяснения, такие как возмутители на нашей стороне или релятивистские эффекты высшего порядка.

Прямой способ наблюдения эффекта дополнительного ускорения поиск отклонений орбиты объекта от ожидаемого невозмущенного кеплеровского или общего релятивистского значения. Подробно, с учетом расчета дополнительных периодических изменений орбитальной скорости объектов, это было рассмотрено в [62]. Чтобы оценить изменение орбитальной скорости, вызванное дополнительным ускорением, мы можем предположить, что оное происходит раз в орбитальный период источника возмущений с другой стороны червоточины T₀. Мы представляем себе воздействие источника на наблюдателя как импульсивное и происходящее вблизи перицентра. Сравнивая ошибку измерений изменения скорости с дополнительным ускорением, мы можем определить верхний предел массы источника возмущений:

где r_avg среднее расстояние наблюдаемого объекта от червоточины (большая полуось), f₀ = r'_p/r'_a, _v неопределенность измерения скорости. Поскольку из законов Кеплера следует, что T₀ r'_p^3/2 этот предел r'_p^1/4.

Очевидно, что нам нужно подбирать чистые системы без динамических изменений, вызванных чем-либо посторонним кроме источника возмущений. Например, для черной дыры с R = 10⁶ м и радиусом орбиты 106 r_g предел массы источника возмущений должен быть на 4 порядка ниже, чем полученный из наблюдений S2 за год.

В. Визуализация тени червоточины

Попытки визуализировать сверхмассивные черные дыры и их т.н. тени начались более 20 лет назад [71]. Граница тени черной дыры соответствует сфере захвата фотонов и ее анализ таким образом может ограничить геометрию пространства-времени вокруг компактного объекта [72]. Исследование природы сверхмассивных черных дыр на основе изучения их тени стало весьма актуальным после публикации изображения тени черной дыры в центре галактики M87, полученного в рамках проекта Event Horizon Telescope Collaboration [16].

Большинство пространств с червоточиной имеют сферу захвата фотонов за пределами их устьев. Если кротовина окружена каким-либо тонким излучающим газом, то наблюдатель сумеет увидеть тень кротовины. В работе [73] было проведено первое исследование тени кротовой норы, где было отмечено, что размер тени кротовой норы может значительно отличаться от тени черной дыры из-за различного изгиба света (см. рис. 7). Происходит это потому, что проходимые червоточины не имеют горизонта и их гравитационное поле слабее, чем поле черных дыр, потому ожидаемо, что и размеры тени и области захвата фотонов меньше, чем у черных дыр.

Предположив, что граница червоточины представляет собой круг и что нам известны спин и угол наклона черной дыры и потенциальной червоточины, полученные в ходе независимой оценки, мы можем сравнить потенциальную червоточину и черную дыру. Осесимметричная червоточина всегда будет иметь тень в форме деформированной окружности. Такой тест мы можем провести и для анализа изображения сгустка плазмы, аккрецирующего вокруг сверхмассивного объекта (будь то червоточина или черная дыра) [83]: в этом случае видимое изображение материала будет разным из-за различия в изгибе света в пространстве около червоточины или черной дыры.

Еще один тест основан на внутренних свойствах проходимых кротовин он предоставляет возможность обнаружить излучение, испускаемое с другой стороны червоточины [84, 85]. Такой тест действительно способен отличить червоточину от черной дыры. Заметим, что современные методы визуализации работают на миллиметровой длине волны, потому наблюдать оптическое изображение источника по ту сторону горла червоточины не представляется возможным.

Г. Спектр аккреционного диска

Анализ свойств излучения, испускаемого из внутренней части аккреционного диска вокруг компактного объекта потенциально может стать успешным инструментом для исследования природы источника. Наилучшей системамой для такого анализа является система с геометрически тонким и оптически толстым аккреционным диском, т.е. тем диском, у которого аккрецирующий материал имеет большой угловой момент.

Компактный объект представлен черным кругом с аккрецирующим диском на рис. 7. Каждая точка на диске находится в локальном тепловом равновесии и имеет спектр, подобный спектру черного тела. Весь диск имеет многотемпературный спектр черного тела. Для компактных объектов со звездной массой (M 10 M_с) спектр будет иметь пик в рентгеновском диапазоне (0,1-1 кэВ), а для сверхмассивных объектов (M 10⁵-10¹⁰ M_с) в ультрафиолетовом (1-100 эВ). Тепловые фотоны диска могут подвергаться комптоновскому рассеиванию на свободных электронах в т.н. короне, представляющей собой более горячее (T_e 100 кэВ) электронное облако в области сильной гравитации компактного объекта. Часть рассеянных фотонов могут создавать дополнительное освещение аккреционного диска, а само рассеяние и поглощение с последующей флуоресцентной эмиссией создают отражательный компонент [90].

Исследования конкретных решений червоточин представлены в работах [91-94]. Однако существует два факта, которые необходимо принимать во внимание при использовании данного метода обнаружения кротовых нор. Во-первых, метод работает только для компактных объектов со звездной массой, т.к. для сверхмассивных объектов с максимумом излучения в УФ-диапазоне поглощение пыли ограничивает возможности для точного измерения спектра диска. Во-вторых, тепловой спектр диска имеет простую форму, в результате чего при анализе реальных данных мы обнаружим сильное вырождение параметров, что ставит под сомнение возможность отличить черную дыру от червоточины [95].

Стоит отметить и то, что в случае проходимых червоточин можно ожидать, что часть материала может перетекать по горлу из одного устья в другое, что может создать движение вещества в противоположных направлениях, а, следовательно, и генерирование гамма-вспышек [103].

Д. Гравитационные волны

Гравитационно-волновые тесты представляют собой еще один подход к поиску астрофизических червоточин. В отличие от электромагнитных тестов, зависящих от метрики пространства-времени и упомянутых ранее, гравитационно-волновые тесты требуют еще и вычисления сигнала гравитационной волны из уравнений теории, поэтому необходимо уточнить, какую гравитационную модель мы будем брать за основу.

Эксперименты LIGO и Virgo в настоящее время достигли чувствительности, позволяющей обнаружить слияние двух компактных объектов звездной массы каждые несколько дней. Коалесценция состоит из трех стадий: движения по спирали, слияния и финальной стадии. На стадии движения по спирали два тела вращаются вокруг общего центра масс, теряя свою энергию и угловой момент за счет излучения гравитационных волн. Расстояние между телами уменьшается, а относительная скорости и частота обращения увеличивается. На фазе слияния образуется один объект. После слияние следует финальная стадия, в которой образовавшийся объект излучает гравитационные волны, чтобы прийти к равновесной конфигурации.

Перед фазой слияния два объекта находятся относительно далеко друг от друга, а само сближение занимает слишком малый промежуток времени для того, чтобы провести точное измерение геометрии пространства-времени. Это легче сделать, если массы двух объектов значительно различаются, например, как в работе [104], где авторы рассматривают черную дыру массой 5M_с и червоточину массой 200M_с. Подобная система нами еще не наблюдалась, но, вероятно, она будет обнаружена в будущем, например, в связи с использованием космических гравитационно-волновых антенн (типа eLISA). Червоточины могут иметь очень разные приливные свойства и даже могут порождать периодические всплески после стадии слияния [105]. Вообще фаза слияния потенциально информативна для определения природы компактного объекта и проверки теории гравитации, но все еще неприступна из-за необходимости в точных и продолжительных измерениях сигнала и сложности делать теоретические предсказания.

Излучение гравитационных волн в стадии слияния и финальной стадии характеризуется так называемыми квазинормальными модами (KHM), которые в зависимости от конкретной модели могут предоставить информацию о природе компактных объектов [107-113]. Текущие гравитационно-волновые данные еще не в состоянии проверить эти модели, поскольку необходимы точные измерения по крайней мере нескольких KHM, что достижимо в обозримом будущем.

Заключение

Существование проходимых червоточин во Вселенной это экзотическая и увлекательная гипотеза, которая на данный момент представляет единственную возможность для межзвездных и межгалактических путешествий в далеком будущем. В последние годы произведен большой прогресс в исследованиях компактных объектов, что побуждает к новым исследованиям и проверкам природы компактных объектов в ближайшем будущем. К сожалению, нам не удалось процитировать и обсудить все материалы из области изучения кротовых нор. Тем не менее, мы надеемся, что этот обзор послужит в качестве отправной точки для заинтересованного читателя в изучении этого увлекательного направления астрофизических исследований.

Комментарий переводчика

Оригинальная статья 2105.00881(gr-qc) Козимо Бамби и Деяно Стойковича была представлена на arXiv.org 3 мая 2021 года, последнее изменение от 8 мая 2021 года. Цитата из обзора препринтов astro-ph Сергея Б. Попова: Обзор посвящен астрофизическим поискам червоточин. Конечно, маловероятно, что они встречаются в природе, тем не менее интересно узнать, как бы они могли проявляться, и какие наблюдательные пределы на эти проявления имеются. Кроме того, статья начинается с понятного физико-исторического введения. Все материалы, использованные в качестве источников к этому материалу, представлены в конце оригинальной статьи.

Ну и напоминаю, о том, чтобы читатель не стеснялся задать вопрос или поправить меня в комментариях. Также у меня естьтелеграм-канал, где я рассказываю о последних новостях космологии и астрофизики, а также пишу об астрофотографии. Пишите мне вличкуилинаш чат. Всем добра!