Časoprostor a gravitace: Einsteinovy rovnice odhalují další překvapivou možnost

Nový teoretický výzkum naznačuje, že i struktury časoprostoru se můžou za určitých podmínek rozpadnout a znovu propojit! Při tomto procesu se může uvolňovat energie, a nové poznatky by mohly vysvětlit některé z nejdramatičtějších událostí ve vesmíru.

Tentokrát se vědci z Kolumbijské univerzity v USA a chilské Univerzity Adolfa Ibáñeze zaměřili na možnost, že se samotné gravitační pole se při mohutných energetických explozích na Slunci může chovat podobně jako magnetické pole.

Vědci Luca Comisso a Felipe A. Asenjo představili teoretický mechanismus, který nazvali gravitační opětovné propojení (gravitační rekonexe). Jejich práce naznačuje, že struktury gravitačního pole se mohou za určitých podmínek narušit, rozpojit a následně znovu spojit v jiné konfiguraci. Při tomto procesu může docházet k přenosu energie z gravitačního pole do hmoty.

Abychom pochopili, proč je tento objev zajímavý, stačí se podívat na Slunce. V jeho atmosféře se nachází plazma, tedy elektricky nabitý plyn, ve kterém se magnetická pole neustále pohybují, natahují a deformují.

Když se magnetické siločáry dostanou do extrémního napětí, mohou se přerušit a znovu propojit. Při této změně se uvolní obrovské množství energie, která urychluje částice a může vyvolat mohutné sluneční erupce.

Právě tento mechanismus patří mezi významné zdroje energetických procesů v astrofyzice.

Comisso a Asenjo nyní ukazují, že podobný princip by mohl fungovat také u gravitace. Rozdíl je však zásadní: magnetické pole si můžeme představit pomocí siločar, zatímco gravitace podle Einsteinovy teorie souvisí se zakřivením čtyřrozměrného časoprostoru.

Místo jednotlivých siločar proto vědci pracují s matematickými strukturami připomínajícími vrstvy, neboli plochy. Ty se mohou za určitých podmínek přeskupovat a znovu propojovat. Nejde tedy o fyzické vrstvy, které bychom mohli pozorovat, ale o matematický popis geometrie časoprostoru.

Klíčem k objevu bylo nové matematické přeformulování Einsteinových rovnic. Fyzici zjistili, že při určitém způsobu zápisu začínají připomínat rovnice používané při studiu plazmatu.

To je důležité zejména pro Lucu Comissa, který se dlouhodobě zabývá právě fyzikou plazmatu. Díky podobnosti mohl společně se svým kolegou využít některé zavedené postupy z této oblasti a aplikovat je na zcela jiný problém – chování gravitace.

Výsledkem je nový způsob, jak odhalovat pravidla určující vývoj časoprostoru. Některé z těchto souvislostí jsou v původním zápisu Einsteinových rovnic obtížně rozpoznatelné.

Podle vědců přitom nejde jen o matematickou zajímavost. Nový přístup může pomoci pochopit, jak se gravitační pole chová v prostředích, kde běžné fyzikální představy přestávají stačit.

Jednou z nejzajímavějších oblastí, kde by se gravitační rekonexe mohla uplatnit, jsou srážky černých děr.

Když se dvě černé díry přibližují a nakonec splynou, dochází k extrémnímu zakřivení časoprostoru a uvolňování obrovského množství energie v podobě gravitačních vln. Jejich zachycením se zabývají například detektory observatoře LIGO.

Předpovídat přesný průběh takových událostí je mimořádně náročné. Vědci proto využívají výkonné superpočítače, které pomocí složitých simulací modelují vývoj gravitačního pole a následné chování černých děr.

Nově objevený mechanismus by mohl nabídnout další nástroj, jak tyto procesy pochopit. Namísto spoléhání pouze na rozsáhlé výpočty by fyzici mohli využívat také obecnější pravidla, která omezují možné chování časoprostoru.

V budoucnu by to mohlo pomoci přesněji předpovídat, kolik energie se při srážkách černých děr uvolní a jaké charakteristické stopy zanechají v gravitačních vlnách.

Je důležité zdůraznit, že gravitační rekonexe je zatím teoretickým objevem. Vědci dosud neprokázali, že tento mechanismus skutečně probíhá při konkrétních kosmických událostech. Dalším krokem proto bude zkoumat, jak by se mohl projevovat v reálných astrofyzikálních podmínkách a zda by jeho účinky bylo možné pozorovat.

Výzkum publikovaný v odborném časopise Physical Review D ukazuje, že Einsteinovy rovnice stále skrývají nečekané možnosti interpretace.

Možná tak stojíme na začátku nového způsobu, jak chápat gravitaci – nejen jako sílu, která drží planety na oběžných drahách a formuje vesmír, ale také jako dynamický systém schopný přeskupovat své vlastní struktury a uvolňovat energii.

A právě v tom může spočívat jeden z klíčů k pochopení nejextrémnějších jevů, které se odehrávají hluboko ve vesmíru.

Zdroj: EurekAlert; Kolumbijská univerzita, výzkum publikovaný v časopise Physical Review DOI: 10.1103/lmqy-pf9k