Согласно результатам нового исследования, гравитационные поля вокруг черных дыр могут образовывать подобие водоворота. Ранее среди исследователей, специализирующихся на изучении гравитации, бытовало мнение, что область в пространстве-времени не может стать турбулентной. Недавнее исследование, тем не менее, предполагает, что общепринятое мнение может быть ошибочным.
Исследователи полагают, что гравитация может вести себя, как жидкость, одной их характеристик которой является турбулентность. Турбулентностью жидкости принято называть такое явление, при котором увеличение скорости потока жидкости вызывает образование в среде многочисленных нелинейных фрактальных волн. Иными словами, жидкость при определённых условиях не движется гладко, а образует водоворот. Учёные задались вопросом, может ли гравитация производить нечто подобное?
Luis Lehner из Perimeter Facultу объясняет, почему есть смысл рассматривать гравитацию как жидкость. По его словам, согласно голографической гипотезе, гравитация может быть описана как теория поля. При высоких энергиях, теории поля могут быть описаны с помощью математических инструментов, используемых для описания жидкостей. Исходя из того, что гравитация равна теории поля, а теория поля равна жидкости, получается, что гравитация равна жидкости. Эта концепция получила название двойственности гравитации/жидкостей.
Двойственность гравитации/жидкости — это не новое направление — учёные занимаются его разработкой на протяжении последних 6 лет. Если гравитацию можно рассматривать как жидкость, то как обстоят дела с турбулентностью?
По словам Lehner, на протяжении многих лет физики настаивали на том, что гравитация не может быть турбулентной. Эта уверенность основывалась на том, что гравитация описана системой уравнений, которая существенно отличается от уравнений гидродинамики.
Lehner акцентирует внимание на возникшем парадоксе, согласно которого, либо есть проблема с двойственностью, и гравитация действительно не может быть описана уравнениями для жидкостей, либо гравитации присуща турбулентность. Команда исследователей из Lehner, Huan Yang (из Perimeter и Institute for Quantum Computing) и Aaron Zimmerman из Canadian Institute for Theoretical Astrophysics поставила перед собой цель — докопаться до истины.
Команда приняла решение сфокусировать свое внимание на изучении быстро вращающихся черных дыр, так как пространство-время, вокруг них менее вязкое, нежели вокруг других видов черных дыр. Низкая вязкость увеличивает вероятность возникновения турбулентности, так как турбулентность воды намного выше, чем турбулентность патоки.
Команда также приняла решение изучить нелинейные возмущения черных дыр. Гравитационные системы редко анализируются на этом уровне детализации, так как уравнения чрезвычайно сложны. Учёные были ошеломлены, когда результаты показали, что пространство-время действительно становится турбулентным.
По словам Yang, который специализируется на изучении Общей теории относительности, его удивлению не было предела. Он признается, что никогда не верил в турбулентность в Общей теории относительности, и у него на это были все основания, ведь никто и никогда их не встречал в числовых моделях.
Но как турбулентности удавалось так долго скрываться? По словам Yang, у астрономов не было достаточного уровня мотивации, чтобы провести нелинейные исследования. Учёный объясняет, что на сей раз он и его коллеги конкретно знали, что именно им нужно искать.
Это исследование подтверждает мысль о том, что гравитацию можно рассматривать как жидкость, из чего также следует, что жидкости можно рассматривать гравитационно.
