Физики предложили вычислять варп-двигатели по гравитационным волнам

Физики обнаружили положительную сторону нестабильности варп-двигателей и использовали ее для их обнаружения. Они смоделировали процесс работы двигателя и показали, что его отказ порождает гравитационные волны, поведение которых отличается от других известных источников гравитационных волн. Препринт работы опубликован на arXiv.org.

Часто писатели и режиссеры задействуют научные идеи и открытия в своих произведениях. Но иногда происходит наоборот — ученые пытаются построить модель и описать то, что упоминалось в научной фантастике. Яркий пример этому — варп-двигатель, который, по замыслу фантастов, должен позволять перемещаться в пространстве со скоростью выше скорости света. Считается, что такой космический корабль должен сжимать пространство перед собой и расширять пространство позади себя.

Еще в 1994 году физик Мигель Алькубьерре показал, что такое предположение согласуется с уравнениями Эйнштейна — основой ОТО. Они позволяют найти метрический тензор, то есть подробно описать искривления пространства-времени, в зависимости от плотности и потока энергии и импульса полей материи. Именно эти искривления позволяют теоретическому космическому кораблю двигаться со сверхсветовой скоростью: двигатель сдвигает пространство вокруг корабля, подталкивая его в направлении движения. При этом сам корабль находится внутри области плоского пространства, которое называют варп-пузырем. С другой стороны, чтобы создать требуемые искривления, устройство обязательно должно содержать в себе области с отрицательной плотностью энергии — тогда как для известных разновидностей вещества эта величина положительна.

В 2021 году ученые рассмотрели больше разных вариантов искажений пространства-времени и показали, что субсветовые (при скорости, близкой к скорости света) варп-двигатели могут состоять из обычной материи. Еще более точное и приближенное к реальности решение уравнений Эйнштейна физикам удалось найти совсем недавно — они использовали для этого программу компьютерного моделирования Warp Factory, а двигатель в их модели двигается с постоянной скоростью.

Помимо теоретического обоснования существования двигателя ученых интересует и вопрос его обнаружения. Физики Кэти Клафф (Katy Clough), Тим Дитрих (Tim Dietrich) и Себастьян Хан (Sebastian Khan) из Великобритании и Германии смоделировали процесс работы и сбоя варп-двигателя. Они выяснили, что в случае сбоя двигатель становится источником гравитационных волн, которые можно зарегистрировать.

В идеальном случае двигатель должен перемещаться с постоянной скоростью и работать стабильно, но моделирование показывает, что добиться такой стабильности сложно. Зато, в отличие от движения с постоянной скоростью, любые ускорения и замедления, как и поломки, позволяют его зарегистрировать. Физики связывают это с нарушением силового поля, которое создает варп-пузырь.

Авторы рассчитывали и моделировали процесс разрушения пузыря и заметили, что характеристики гравитационных волн отличаются от тех, что возникают при его формировании. Сразу после разрушения возникает всплеск, не имеющий гравитационной природы, и только за ним появляются гравитационные волны. Причем период их колебаний зависит от параметров пузыря.

Оказалось, что сигнал отличается от того, что возникает при двойных слияниях, а скорее похож на сигнал от нейтронной звезды при коллапсе или от столкновения двух черных дыр.

Формализм для изучения динамики пространственно-временных искажений вокруг двигателя, который разработали авторы, полностью согласуется с численными решениями релятивистских уравнений. Кроме того, он позволил подробно смоделировать эволюцию потоков материи и энергии гравитационных волн и обнаружить, что при коллапсе пузыря сначала излучается волна материи с отрицательной энергией, за которой следуют чередующиеся волны отрицательной и положительной энергий. А поток гравитационных волн начинается почти сразу же после них и остается положительным на протяжении всего времени, как и ожидалось.

Физики отмечают, что есть несколько направлений для дальнейшей работы. Во-первых, они хотели бы изменить симметрию задачи, чтобы рассматривать сверхсветовые скорости. Во-вторых, их расчеты показывают, что для космического корабля размером порядка километра частота сигнала значительно выше диапазона, в котором работают существующие детекторы. Поэтому создание более высокочастотных детекторов в будущем, возможно, позволить наблюдать смоделированные волны.

Сейчас детекторы гравитационных волн умеют регистрировать слияния нейтронной звезды и черной дыры и улавливать наногерцовый гравитационно-волновой фон. А инструментом для создания более высокочастотных детекторов могут стать радиотелескопы.