Gravitacijsko polje moglo bi se preuređivati na način koji mijenja njegovu razmjenu energije s materijom. Dvojica fizičara opisala su takav proces unutar Einsteinove opće teorije relativnosti, polazeći od matematičke sličnosti s procesima oslobađanja magnetske energije u plazmi.
Luca Comisso sa Sveučilišta Columbia i Felipe A. Asenjo sa Sveučilišta Adolfo Ibáñez u Čileu taj proces nazivaju gravitacijskom rekonekcijom. U radu objavljenom 28. listopada u časopisu Physical Review D matematički određuju u kojim se uvjetima može promijeniti povezanost struktura gravitacijskog polja i kako opisati brzinu te promjene.
Takav bi pristup mogao pomoći pri proučavanju sudara crnih rupa i neutronskih zvijezda, gdje se prostorvrijeme snažno mijenja. Zasad je riječ o teorijskom rezultatu; njegovu ulogu u konkretnim svemirskim događajima tek treba izračunati i provjeriti.
Ideja dolazi iz fizike Sunčevih erupcija
Polazište je magnetska rekonekcija, proces u kojem se mijenja povezanost magnetskih silnica, a dio energije polja prelazi na čestice. U plazmi takvo preuređivanje može zagrijavati tvar i ubrzavati čestice. Važno je i za naglo oslobađanje energije u Sunčevim bakljama.
Magnetska rekonekcija proučava se opažanjima, simulacijama i pokusima. Primjer su laserski eksperimenti koji proučavaju fiziku Sunčevih baklji. Magnetska rekonekcija razmatra se i pri tumačenju erupcija u plinu oko crnih rupa.
Comisso i Asenjo sada sličnim matematičkim alatima pristupaju gravitaciji. Poveznica se pokazuje kada se Einsteinove jednadžbe zapišu drukčijim varijablama: njihov oblik tada podsjeća na jednadžbe kojima se opisuju elektromagnetska polja i plazma. Fizički sadržaj opće relativnosti pritom ostaje isti.
Što se zapravo ponovno povezuje?
U uobičajenim prikazima magnetskog polja pratimo silnice. Za gravitaciju autori upotrebljavaju dvodimenzionalne matematičke plohe u četverodimenzionalnom prostorvremenu. One opisuju povezanost polja kroz prostor i vrijeme.
Te plohe nisu materijalne opne. Njihovo ponovno povezivanje označava promjenu matematičke strukture polja, a ne opaženo kidanje prostorvremena. Ta je razlika važna za razumijevanje naziva „rekonekcija”, koji lako priziva sliku niti koje pucaju i ponovno se vežu.
U idealiziranom opisu promjena polja određene se veze među tim plohama čuvaju. Novo istraživanje ispituje uvjete u kojima to više ne vrijedi. Autori pokazuju i da svako odstupanje od idealnog opisa ne znači automatski rekonekciju: promjena povezanosti mora ostati prisutna i kad se provjeri može li se objasniti drukčijim opisom prijenosa polja.
Od preuređivanja polja do energije materije
Promjena povezanosti polja mogla bi utjecati i na prijenos energije. U matematičkom opisu kojim se autori služe ukupna energija i količina gibanja ostaju očuvane. Rekonekcija, međutim, mijenja način na koji ih gravitacijsko polje i materija lokalno razmjenjuju.
U objašnjenju Sveučilišta Columbia istraživači posebno ističu mogućnost prijenosa energije iz gravitacijskog polja u materiju. Rad daje matematički okvir za analizu tog procesa. Koliko bi energije materija tako mogla dobiti pri stvarnom sudaru zvijezda, tek treba utvrditi.
Hoće li ostaviti trag u gravitacijskim valovima?
Sudari kompaktnih objekata osobito su zahtjevni jer se geometrija prostorvremena brzo mijenja. Fizičari ih proučavaju velikim numeričkim simulacijama, a njihove rezultate uspoređuju sa signalima detektora gravitacijskih valova. Opća pravila o ponašanju polja mogla bi pomoći u tumačenju onoga što takve simulacije pokazuju.
Sljedeći je zadatak provjeriti kako bi gravitacijska rekonekcija izgledala pri spajanju crnih rupa ili neutronskih zvijezda. Tek će takvi izračuni pokazati oslobađa li u tim uvjetima znatnu energiju i postoji li prepoznatljiv trag koji bi se mogao tražiti u gravitacijskim valovima.
