Варп-двигатели могут генерировать гравитационные волны
Будут ли люди будущего использовать варп-двигатели для исследования космоса? Мы не в состоянии исключить такую возможность. Но если наши далекие потомки когда-нибудь это сделают, то для этого не понадобятся кристаллы дилития, а шотландский акцент к тому времени уйдет в историю.
Варп-двигатели уходят корнями в одну из самых популярных научно-фантастических франшиз, но у них есть и научная основа. Новая статья рассматривает научные основы и задается вопросом, приведет ли сбой в системе варп-двигателей к возникновению гравитационных волн, которые можно будет обнаружить.
Работа называется "То, что никто не видел раньше: гравитационные волны от разрушения варп-двигателя" и размещена на сервере препринтов arXiv. Авторы работы - Кэти Клаф, Тим Дитрих и Себастьян Хан, физики из университетов Великобритании и Германии.
В общей теории относительности есть место для варп-двигателей, и мексиканский физик Мигель Алькубьерре в 1994 году описал, как они теоретически могут работать. Он хорошо известен в космических и физических кругах благодаря своему приводу Алькубьерре.
Всем известно, что ни один объект не может двигаться быстрее скорости света. Но варп-двигатели могут предложить обходной путь. Искажая само пространство-время, космический корабль с приводом искривления не будет нарушать правило скорости света (FTL).
"Несмотря на то, что варп-двигатели появились в научной фантастике, они имеют конкретное описание в общей теории относительности: Алькубьер впервые предложил метрику пространства-времени, поддерживающую путешествия быстрее света, - пишут авторы.
Существуют очевидные научные препятствия для создания варп-двигателя. Но можно смоделировать, как он будет работать и как его можно будет обнаружить по гравитационным волнам в случае поломки.
Варп-двигатели искажают само пространственное время, как и бинарные слияния компактных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды. Теоретически возможно, что они излучают сигнал гравитационных волн так же, как и слияния.
"Чтобы искать такие сигналы и правильно идентифицировать их в измеренных данных, важно понимать их феноменологию и свойства, - объясняют авторы.
Это начинается с понимания того, как могут работать варп-двигатели, а для этого нам придется глубоко погрузиться в физику.
Основная идея варп-двигателя заключается в том, что вместо того, чтобы превышать скорость света непосредственно в локальной системе отсчета, что нарушило бы инвариантность Лоренца, "варп-пузырь" может преодолевать расстояния быстрее скорости света (измеряемой каким-то удаленным наблюдателем) за счет сжатия пространства-времени перед ним и расширения пространства-времени за ним", - говорится в статье.
Первое препятствие заключается в том, что для варп-двигателей требуется условие нулевой энергии (NEC). Физика гласит, что область пространства не может иметь отрицательную плотность энергии. Существуют теоретические обходные пути решения этой проблемы, но пока ни один из них не применим на практике.
"Другие проблемы, связанные с метрикой варп-двигателя, включают в себя потенциал для замкнутых кривых, похожих на время, и, с более практической точки зрения, трудности для тех, кто находится на корабле, в управлении и деактивации пузыря", - объясняют авторы.
Это связано с тем, что у экипажа не будет возможности посылать сигналы в переднюю часть корабля. События внутри пузыря трудно повлиять на события за пределами варп-пузыря, как объясняется в одной из предыдущих работ.
"С точки зрения динамического моделирования варп-двигателя ключевой проблемой является стабильность", - поясняют авторы. Уравнения показывают, что привод Алькубьерре может инициировать варп-пузырь с помощью уравнения Эйнштейна, но ни одно из известных уравнений не может обеспечить его устойчивость.
"Насколько нам известно, не существует уравнения состояния, которое бы поддерживало метрику варп-двигателя в стабильной конфигурации в течение долгого времени. Поэтому, хотя можно потребовать, чтобы изначально пузырь варпа был постоянным, он будет быстро эволюционировать от этого состояния, и в большинстве случаев жидкость варпа и деформации пространства-времени будут рассеиваться или разрушаться в центральной точке".
Хотя нестабильность является главным препятствием для варп-двигателей, именно она может сделать их обнаруживаемыми. Если привод Алькубьерре достигает постоянной скорости, его невозможно обнаружить. Он не генерирует гравитационных волн и не имеет массы ADM. ADM означает Arnowitt-Deser-Misner, по имени трех физиков.
Но варп-драйв можно не обнаружить, только если он постоянен и стабилен. Как только он разрушится, ускорится или замедлится, его можно будет обнаружить. В своей работе авторы позволили пузырю варп-двигателя разрушиться.
"Физически это может быть связано с разрушением сдерживающего поля, которое цивилизация постварпа (предположительно) использует для поддержки варп-пузыря против коллапса", - пишут они.
В их формулировках природа самого корабля не важна. Важен только варп-пузырь и варп-жидкость внутри него.
Исследователи смоделировали разрушение варп-пузыря. Они обнаружили, что при коллапсе генерируются гравитационные волны с характеристиками, отличными от тех, что возникают при слияниях. "Сигнал приходит в виде всплеска, изначально не имеющего гравитационно-волнового содержания, за которым следует колебательный период с характерной частотой порядка 1/[R]", - пишут они.
"В целом, сигнал очень отличается от типичных компактных коалесценций бинаров, наблюдаемых детекторами гравитационных волн, и больше похож на такие события, как коллапс нестабильной нейтронной звезды или лобовое столкновение двух черных дыр".
Авторы отмечают, что хотя варп-двигатель и создает сигнал ГВ, он находится за пределами частотного диапазона наших современных наземных детекторов. "Были сделаны предложения по созданию более высокочастотных детекторов, так что в будущем, возможно, удастся установить границы существования таких сигналов", - пишут они.
Сам корабль также может посылать некий тип сигнала с несколькими мессенджерами, но трудно сказать, как материя корабля будет взаимодействовать с обычной материей. "Поскольку нам неизвестен тип материи, из которой построен варп-корабль, мы не знаем, будет ли он взаимодействовать (помимо гравитационного) с обычной материей при распространении по Вселенной, - объясняют исследователи.
Это забавный мысленный эксперимент. Возможно, когда-нибудь в далеком будущем появится какой-то обходной путь для сверхсветовых путешествий. Если так, то это может быть связано с лучшим пониманием темной материи и темной энергии. Если ЭТИ существуют, они могут использовать фундаментальные знания о Вселенной, которыми мы пока не обладаем.
Если они придумали, как создать и использовать варп-двигатель, даже несмотря на все его кажущиеся невозможности, их деятельность может привести к появлению гравитационных волн, которые наши будущие обсерватории смогут обнаружить даже в других галактиках. Но пока это все теоретические выкладки.
"Мы предупреждаем, что полученные формы волн, скорее всего, очень специфичны для используемой модели, которая имеет несколько известных теоретических проблем, как обсуждалось во Введении", - пишут авторы в своем заключении. "Потребуется дальнейшая работа, чтобы понять, насколько общими являются сигнатуры, и правильно охарактеризовать их обнаруживаемость".
Несомненно, некоторые любопытные физики продолжат работать над этим.