Astronomowie uważają, że zdołaliby wykryć czarne dziury wpadające w tunele czasoprzestrzenne za pomocą fal grawitacyjnych. Pod warunkiem, że tunele czasoprzestrzenne naprawdę istnieją, oraz że kiedykolwiek nastąpi taki rozwój wydarzeń.

Artykuł napisała Natalia Kowalczyk.

Zgodnie z ustaleniami Einsteina, który jako pierwszy przewidział istnienie fal grawitacyjnych, grawitacja wynika ze sposobu, w jaki masa wypacza czas i przestrzeń. Podczas poruszania się dwóch lub więcej ciał wewnątrz pola grawitacyjnego, są wytwarzane fale grawitacyjne, które rozchodzą się z prędkością światła, rozciągają oraz zwężają czasoprzestrzeń w trakcie rozchodzenia się.

Fale grawitacyjne są niezwykle trudne do wykrycia, ponieważ są nadzwyczajnie słabe. Nawet Einstein nie był pewny czy naprawdę istnieją, i czy kiedykolwiek zostaną wykryte. Po dziesiątkach lat pracy, naukowcy w 2016 roku przedstawili pierwszy bezpośredni dowód istnienia fal grawitacyjnych. Wykryte one zostały za pomocą detektora fal grawitacyjnych (LIGO).

Detektory fal grawitacyjnych wykryły ponad 20 kolosalnych kolizji pomiędzy masywnymi oraz gęstymi obiektami takimi jak gwiazdy neutronowe czy czarne dziury. Jednakże im więcej preonowych obiektów istnieje, tym więcej kolizji takowych obiektów powinno być zauważanych przez naukowców.

Tunele czasoprzestrzenne to tunele w czasoprzestrzeni, które w teorii pozwalają podróżować gdziekolwiek w czasie i przestrzeni, albo nawet do innego wszechświata. Ogólna teoria względności Einsteina uwzględnia prawdopodobieństwo istnienia tuneli czasoprzestrzennych.

Z zasady wszystkie tunele czasoprzestrzenne są niestabilne. Zamykają się natychmiast po otwarciu. Jedynym sposobem, aby utrzymać tunele otwarte z możliwością przemierzania ich czy dokładniejszego badania jest egzotyczna forma materii – masa ujemna. Taka materia ma niespotykane właściwości, włączając w to uciekanie z pola grawitacyjnego zamiast spadania w jego kierunku, jak standardowa masa. Jednak nikt nie wie, czy naprawdę taka materia istnieje.

Pod wieloma względami tunele czasoprzestrzenne przypominają czarne dziury. Oba typy obiektów są nadzwyczajnie gęste oraz mają potężną siłę grawitacyjną jak dla obiektów o takich rozmiarach. Jednak podstawową różnicą jest to, że żaden obiekt w teorii nie może wydostać się po wejściu w horyzont zdarzeń czarnej dziury. Prędkość, jaką musi uzyskać ciało, aby przezwyciężyć siłę grawitacyjną czarnej dziury, przewyższa prędkość światła. Natomiast każde ciało próbujące wyjść z tunelu czasoprzestrzennego powinno teoretycznie odwrócić przebieg zdarzeń.

Zakładając, że tunele czasoprzestrzenne mogą istnieć, naukowcy badali sygnały grawitacyjne generowane przez czarną dziurę orbitującą tunel czasoprzestrzenny dla pracy naukowej, jednakże takowa nie była jeszcze recenzowana. Badacze odkryli także, co może się wydarzyć gdy czarna dziura wejdzie w jeden z wylotów tunelu czasoprzestrzennego, a wyjdzie przez drugi wylot do innego miejsca w czasoprzestrzeni. Wtedy zakładając, że czarna dziura i tunel czasoprzestrzenny są grawitacyjnie ze sobą połączone, czarna dziura wpadnie z powrotem do tunelu i wydostanie się z powrotem po drugiej stronie.

W symulacjach komputerowych badacze analizowali interakcje pomiędzy czarną dziurą o masie pięć razy większej od masy słońca i stabilny, zdolny do przemierzania tunel czasoprzestrzenny o masie 200 razy większej od masy słońca z gardłem 60 razy szerszym od gardła czarnej dziury. Symulacja wykazała, że sygnały grawitacyjne w przeciwieństwie do innych widzianych w górze, otoczyłyby czarną dziurę podczas przemieszczania się przez tunel czasoprzestrzenny.

Kiedy dwie czarne dziury spiralnie zbliżają się do siebie, ich prędkość orbitalna wzrasta. W rezultacie częstotliwość fal grawitacyjnych również wzrasta. Dźwięk, który wytworzyłyby te fale grawitacyjne, jest sygnałem zwężonym, każdy wzrost częstotliwości odpowiada wzrostowi tonu.

Gdyby ktoś obserwował czarną dziurę wpadającą spiralnie do tunelu czasoprzestrzennego, zauważyłby sygnał zwężony podobny do sygnału spotykających się dwóch czarnych dziur. Jednak sygnał grawitacyjny z czarnej dziury szybko by zanikł, ponieważ wypromieniowałaby ona większość fal po drugiej stronie tunelu. Podczas zderzenia się dwóch czarnych dziur, w rezultacie powstaje gigantyczny wybuch fal grawitacyjnych.

Jeżeli ktoś obserwowałby czarną dziurę wyłaniającą się z tunelu czasoprzestrzennego, zaobserwowałby przeciwsygnał. W szczególności, gdy częstotliwość fal grawitacyjnych z czarnej dziury by zmalała, ponieważ oddalałaby się coraz bardziej od tunelu czasoprzestrzennego.

Podczas gdy czarna dziura ciągle przemieszczała się przez wyloty tunelu, generowałaby sygnały i przeciwsygnały. Odstęp czasu pomiędzy każdym sygnałem i przeciwsygnałem mógłby zmniejszyć się w czasie gdy czarna dziura utknie w gardle tunelu czasoprzestrzennego. Wykrycie tego rodzaju sygnału może potwierdzić istnienie tunelów czasoprzestrzennych.

W tym scenariuszu, w końcu czarna dziura przestałaby wpadać i wypływać z tunelu czasoprzestrzennego i osiadała w pobliżu jego gardła. Konsekwencje takiego finału całkowicie zależą od opartych na domysłach własności egzotycznej materii znajdującej się w gardle tego tunelu. Istnieje możliwość, że czarna dziura skutecznie zwiększyłaby masę tunelu, a tunel czasoprzestrzenny mógłby nie zawierać wystarczającej ilości egzotycznej materii, aby utrzymać stabilność. Wynikające z tego zakłócenia czasoprzestrzeni mogłyby spowodować, że czarna dziura przekształciłaby swoją masę w energię w postaci niewyobrażalnej ilości fal grawitacyjnych. 

Tak długo jak tunel czasoprzestrzenny miałby większą masę niż, czarna dziura, którą napotyka, tunel powinien pozostać stabilny. Jednak jeśli tunel napotka czarną dziurę, o większej masie, może ona zakłócić egzotyczną materię na tyle, aby skutkiem była destabilizacja tunelu czasoprzestrzennego, prowadząca najprawdopodobniej do zapadnięcia się tunelu i utworzenia nowej czarnej dziury.

Planowane badania mogą zbadać interakcje między egzotyczną energią tunelu a standardową materią wchodzącą do tunelu, a także bardziej złożone scenariusze.

Źródła:

SPACE.com

Autor

Redakcja AstroNETu
Redakcja AstroNETu