Может ли гравитация быть источником света?

Около 14 миллиардов лет назад Большой взрыв ознаменовал собой рождение Вселенной. С тех самых пор она начала расширяться, постепенно охлаждаясь и становясь все более плотной. По мере падения температуры на просторах ранней Вселенной стали появляться первые частицы, формируя ядра известных нам атомов. С течением времени Вселенная изменилась и эволюционировала, подарив жизнь звездам, планетам, черным дырам и электромагнитным полям. Этого всего, однако, не существовало бы без самой главной движущей силы космоса – гравитации. Недавно исследователи предположили, что именно она ответственна за свет, впервые воцарившейся в космической пустоте. Согласно новой теории, гравитационные волны, вскоре после рождения Вселенной, накладывались друг на друга, создавая мощные волны гравитационной энергии. Последние, в свою очередь, могли заставить электромагнитные поля излучать свет. Но означает ли это, что гравитация может являться источником света?

Способна ли гравитация создавать свет? Результаты нового исследования показывают, что да.

Изучая параметрическое резонансное возбуждение электромагнитного поля гравитационными волнами мы пришли к выводу о том, что имеющиеся знания о событиях и силах, сформировавших раннюю Вселенную, зависят от нашей способности понимать ее самые экстремальные условия, – аннотация к исследованию.

Теория Большого взрыва

В 1920-х годах американский астроном Эдвин Хаббл наблюдал далекие галактики с помощью чрезвычайно мощного телескопа и сделал два ошеломляющих открытия. Во-первых, Хаббл выяснил, что Млечный Путь – всего лишь одна из миллиардов галактик. Во-вторых, все другие галактики постоянно удаляются друг от друга. Другими словами, он понял, что Вселенная расширяется и постоянно становится больше.

Несколько лет спустя бельгийский астроном Жорж Леметр использовал удивительные открытия Хаббла, чтобы предложить ответ на важный астрономический вопрос: как возникла Вселенная? Он предположил, что если Вселенная становится все больше и больше, то в прошлом она была значительно меньше. Намного меньше. Это означает, что миллиарды лет назад Вселенная представляла собой крошечную точку – сингулярность, породившую Большой взрыв.

Большой взрыв был моментом 13,8 миллиарда лет назад, когда Вселенная возникла как крошечный, плотный огненный шар, который взорвался.

Это интересно: Искусственная гравитация перестаёт быть фантастикой

Напомним, что теория Большого взрыва является ведущей теорий в космологии. Большинство астрономов используют ее чтобы объяснить как возникла Вселенная. Правда, что именно послужило причиной Большого взрыва по-прежнему не известно. Считается, что в первую долю секунды после Большого взрыва произошло быстрое расширение космоса, во время которого последний пребывал в экзотическом состоянии: материя и четыре фундаментальных взаимодействия только-только формировались.

Итак, после события, произошедшего 13, 8 миллиардов лет назад, Вселенная начала расширяться, а все вокруг состояло из газа, в основном водорода и гелия, который охлаждался с течением времени. Все потому, что гравитация медленно усиливала крошечные неоднородности в распределении газа, образуя пустые пространства и массивные облака водорода, что впоследствии, привело к образованию галактик, звезд, планет и других космических объектов.

В ранней Вселенной могло произойти необыкновенное, с нашей точки зрения, явление – мощные гравитационные волны так сильно сотрясали пространство-время, что гравитация в конечно итоге, породила свет.

Выходит, гравитация является своего рода генеральным директором космоса, ответственным за все происходящее на его просторах.

Гравитация – главная сила Вселенной

Среди четырех фундаментальных сил гравитация особенно выделяется, так как управляет природой известных астрофизических объектов, таких как звезды и галактики, а также структурой и эволюцией всей Вселенной. Эта сила впервые была признана универсальной и действующая между любыми двумя частицами материи, Исааком Ньютоном в семнадцатом веке. Используя свой знаменитый закон всемирного тяготения и независимо разработанное им исчисление, Ньютон смог описать движение объектов вблизи поверхности Земли, орбиту Луны вокруг Земли и орбиты планет вокруг Солнца.

Гравитация управляет всем, что мы видим не только вокруг себя, но и тем, что происходит на просторах Вселенной

Читайте также: Если гравитация это не сила, то как она «притягивает» объекты?

Но, несмотря на успехи, теория Ньютона не согласуется со специальной теорией относительности, что привело Альберта Эйнштейна к разработке удивительной новой теории – Общей теории относительности (ОТО), которая описывает гравитацию как выражение искривления пространства-времени, создаваемого материей и энергией.

ОТО, в свою очередь, совместима со специальной теорией относительности и согласуется с теорией Ньютона, когда гравитация слаба, как в Солнечной системе. Он способен объяснить небольшое расхождение в наблюдаемой орбите планеты Меркурий по сравнению с орбитой, предсказанной теорией Ньютона, предсказать правильное значение отклонения света под действием силы тяжести и предсказать существование гравитационных волн.

Гравитационные волны носили в основном теоретический характер с тех пор, как Альберт Эйнштейн впервые предположил об их существовании более 100 лет назад, в 1918 году.

Напомним, что гравитационное искривление света лежит в основе гравитационного линзирования, которое оказалось важным инструментом для астрономов. Еще одним основополагающим открытием последних лет стало обнаружение уже упомянутых гравитационных волн в 2016 году. Тогда исследователи из лабораторий LIGO и VIRGO обнаружили так называемую рябь пространства-времени, вызванную столкновением двух сверхмассивных черных дыр.

Подробнее об этом знаменательном событии ранее рассказывал мой коллега Артем Сутягин.

Может ли гравитация создавать свет?

Новая теория предполагает, что экстремальные силы гравитации после Большого взрыва, возможно, были настолько сильны, что создали первый свет во Вселенной. Теория надеется пролить “свет” на относительно короткое время после Большого взрыва (первые несколько сотен тысяч лет), когда во Вселенной царила кромешная темнота. Если выдвинутые предположения подтвердятся, то физики и космологи наконец смогут разгадать тайну гравитации.

В частности, группа исследователей из Ягеллонского университета в Польше и Университета Макгилла в Монреале, Канада, полагают, что экстремальные гравитационные волны были настолько сильными после Большого взрыва, что, смогли «вырвать» энергию прямо из ткани реальности и превратить ее часть в свет.

Согласно новой теории, во время расширения, сразу после Большого взрыва, гравитационные волны, возможно, накладывались друг на друга, создавая огромные стоячие волны гравитационной энергии.

В космологии ранней Вселенной параметрический резонанс играет решающую роль в передаче энергии обычной материи в конце гипотетического периода инфляции, – объясняют авторы статьи в ее предварительной публикации.

Исследователи, стоящие за новой теорией, отмечают, что события, о которых идет речь, произошли достаточно давно, так что прямого способа измерить его и непосредственно подтвердить теорию не существует. Тем не менее, они полагают, что остаточные эффекты этих массивных столкновений все еще можно обнаружить (например, с помощью современных телескопов).

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш канал в Telegram – так вы точно не пропустите ничего интересного!

Несмотря на то, что мы представляем пространство-время чем-то стабильным и неподвижным, оно постоянно вибрирует под действием гравитационных волн. И хотя эта «рябь мироздания», обнаруженная в 2016 году, довольно слабая, именно из-за нее размеры пространства изменяются на величины. И так как в прошлом все во Вселенной было иначе, чрезвычайно мощные гравитационные волны могли наполнять космическое пространство и создавать области интенсивной гравитации.

Авторы новой работы полагают, что массивные гравитационные волны, возможно, располагались в определенных местах раннего космоса, пока не столкнулись с другими гравитационными волнами, проходящими рябью сквозь ткань пространства-времени. Их взаимодействие друг с другом привело к нестабильности на квантовом уровне, из-за чего произошел выброс безмассовых частиц света – фотонов.

По сути, это был бы первый свет во Вселенной, который появился благодаря силе гравитационных волн, – отмечают исследователи.

Гравитационные волны удалось обнаружить благодаря столкновению двух сверхмассивных черных дыр

Необходимо отметить, что гравитационные волны в том виде, в каком мы знаем их сегодня, чрезвычайно слабы и чтобы их обнаружить, требуется мощнейшее оборудование. Во времена ранней Вселенной, однако, гравитационные волны были очень мощными и смогли невероятным образом создать свет. И поскольку эти гравитационные волны в буквальном смысле являются просто гравитацией, то представляют собой мощь гравитационной энергии.

Исследователи также указывают, что некоторые гравитационные волны в ранней Вселенной и вовсе могли находиться в «замороженном» состоянии, удерживая огромное количество энергии в одном месте. Авторы работы предполагают, что в то время эти области, возможно, возбуждали электромагнитное поле Вселенной, создавая излучение и свет.

Это интересно: Искусственная гравитация перестаёт быть фантастикой

Лучшая аналогия

Отметим, что некоторые гравитационные волны, возникающие в результате таких катастрофических событий, как слияния черных дыр и взрыв сверхновых звезд, достаточно сильны, чтобы самопроизвольно генерировать свет.

Так, в ранней Вселенной гравитационные волны ранней могли двигаться вперед и назад, увлекая за собой все остальные качающиеся объекты. Подобные «качели» из гравитационных волн привели бы к ранее упомянутому резонансному эффекту.

В ранней Вселенной могло произойти необыкновенное, с нашей точки зрения, явление.

Лучшее объяснение – это аналогия с качелями. Представьте, что на них сидит человек, качая ногами в нужное время, благодаря чему качели поднимаются все выше и выше. Поскольку гравитационные волны в ранней Вселенной распространялись вперед и назад, то смогли разогнать излучение до чрезвычайно высоких энергий, что привело к спонтанному образованию фотонов. Именно так, по сути, гравитация и превратилась в свет. Дополнительные исследования, разумеется, помогут внести ясность и предоставить более убедительные доказательства.

Больше по теме: Гравитационные волны могут пролить свет на темную материю

Тайны Вселенной

Идея о том, что гравитация может создавать свет, является совершенно новой, и ученые, без сомнения, захотят углубиться в нее, чтобы понять, возможно ли это. Но так как обо всем, что касается ранней Вселенной, информации недостаточно, крайне маловероятно, что мы когда-нибудь узнаем окончательный ответ.

Новое открытие, если окажется верным, откроет новую эпоху в нашем понимании самой главной силы Вселенной

Вам будет интересно: Ученые приблизились к созданию новой теории квантовой гравитации

И тем не менее сама возможность того, что гравитационные волны могли помочь создать свет в ранней Вселенной, заслуживает восхищения. Это открытие, если окажется верным, может привести к пониманию одного из самых темных периодов существования нашей Вселенной.

Отметим также, что ученые не первый раз обнаруживают связь между понятиями и физическими явлениями, которые, на первый взгляд, не имеют друг с другом ничего общего. Физики, например, до сих пор ищут подтверждение процесса Брейта-Уилера, а также работают над созданием Теории всего. Ну а пока исследователям есть чем заняться, будем довольствоваться гравитационными волнами, которые позволяют нам заглянуть в самые загадочные объекты Вселенной – черные дыры.