Ψάχνοντας για σκουληκότρυπες. How to spot a wormhole (if they exist)

Μια πρόσφατη μελέτη μας δείχνει πως θα μπορούσαμε να ανιχνεύσουμε τα αστρονομικά αντικείμενα που εξιτάρουν την φαντασία των φίλων της επιστημονικής φαντασίας. Τις σκουληκότρυπες. An artist’s concept illustrates a supermassive black hole. A new theoretical study outlines a method that could be used to search for wormholes (a speculative phenomenon) in the background of supermassive black holes. Image Credit: NASA/JPL-Caltech

Το 1916, έναν χρόνο μετά την διατύπωση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας , o Ludwig Flamm ανακάλυψε μια λύση των εξισώσεων του Eisntein που περιέγραφε αυτό που σήμερα ονομάζουμε σκουληκότρυπα. Πρόκειται για μια τοπολογική ιδιότητα του χωροχρόνου βάσει της οποίας σχηματίζεται ένα «τούνελ» που συνδέει δύο απομακρυσμένα σημεία του – ένα «κόψιμο δρόμου» διαμέσου του χωρόχρονου. Τον όρο «σκουληκότρυπα» εμπνεύστηκε ο John Archibald Wheeler, από τις σκουληκότρυπες των μήλων.

α) Διάγραμμα μιας σκουληκότρυπας που συνδέει δυο διαφορετικά σύμπαντα. (β) Διάγραμμα σκουληκότρυπας που συνδέει δυο απομακρυσμένες περιοχές του σύμπαντος.

Για μια απλή οπτική εξήγηση της σκουληκότρυπας, φανταζόμαστε τον χωρόχρονο να απεικονίζεται ως μία δισδιάστατη επιφάνεια. Αν αυτή η επιφάνεια καμπυλωθεί διαμέσου μιας τρίτης διάστασης, μας δίνει την εικόνα της σκουληκότρυπας σαν έναν «σωλήνα» που ενώνει δύο απομακρυσμένες περιοχές του χωρόχρονου. Στην πραγματικότητα αυτή η δισδιάσταστη επιφάνεια είναι τετραδιάστατη (τρεις διαστάσεις χώρου + μία χρόνου) και γι αυτό η οπτικοποίηση της πραγματικής καμπυλότητας είναι αδύνατη. Προς το παρόν δεν υπάρχουν παρατηρησιακά δεδομένα για σκουληκότρυπες, οι οποίες όμως προβλέπονται από την Γενική θεωρία της Σχετικότητας.

Diagram of a wormhole. (Image: © Shutterstock)

Το αν υπάρχουν οι σκουληκότρυπες μπορεί να είναι υπό συζήτηση, όμως κανείς δεν απαγορεύει τους φυσικούς να ψάχνουν τρόπους για να τις ανιχνεύσουν, στην περίπτωση που υπάρχουν. Κι αυτό κάνουν οι De-Chang Dai και Dejan Stojkovic στο άρθρο τους με τίτλο «Observing a wormhole».

Artist’s concept of the orbit of the star S2 (sometimes S0-2), shown in light blue. Τhis star is expected to plunge near a gigantic black hole in our galaxy. Image via S. Sakai/A.Ghez/Keck Observatory/UCLA Galactic Center Group.

Η μέθοδός τους επικεντρώνεται στον εντοπισμό μιας σκουληκότρυπας γύρω από τον Τοξότη Α*, ένα αντικείμενο που θεωρείται πως είναι μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία μας. Ενώ δεν υπάρχουν αποδείξεις ότι εκεί υπάρχει μια σκουληκότρυπα, πρόκειται για την κατάλληλη θέση αναζήτησης, διότι η ύπαρξη σκουληκότρυπας απαιτεί ισχυρά βαρυτικά πεδία, σαν αυτά που υπάρχουν στις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

Οι Dai και Stojkovic υποστηρίζουν ότι αν υπάρχει μια σκουληκότρυπα στον Τοξότη Α*, τα κοντινά σ’ αυτήν άστρα θα επηρεάζονται από την βαρύτητα των άστρων που υπάρχουν στο άλλο άκρο της σκουληκότρυπας. Επομένως, αναζητώντας μικρές αποκλίσεις στην αναμενόμενη τροχιά των άστρων στην γειτονιά του Τοξότη Α*, θα ήταν δυνατόν να ανιχνευθεί η ύπαρξη της σκουληκότρυπας

Σύμφωνα με τον Dejan Stojkovic: «αν έχετε δύο άστρα, ένα σε κάθε πλευρά της σκουληκότρυπας, το άστρο που βρίσκεται στην πλευρά μας θα πρέπει να αισθάνεται την βαρυτική αλληλεπίδραση από το άστρο που βρίσκεται στην απέναντι πλευρά. Η βαρυτική ροή θα περνάει μέσα από τη σκουληκότρυπα. Επομένως, θα εμφανίζονται αποκλίσεις στην αναμενόμενη τροχιά ενός άστρου γύρω από τον Τοξότη Α*, εφόσον εκεί υπάρχει σκουληκότρυπα με ένα άλλο άστρο στην άλλη πλευρά της».

Εστιάζοντας στο S2, ένα άστρο που περιφέρεται γύρω από τον Τοξότη A*

Ο Stojkovic υποστηρίζει πως αν ποτέ βρεθούν σκουληκότρυπες, δεν θα είναι σαν αυτές που περιγράφονται από την επιστημονική φαντασία. Ισχυρίζεται πως οι άνθρωποι και τα διαστημόπλοια πιθανότητα δεν θα μπορούν να τις διασχίσουν. Απαιτείται μια πηγή αρνητικής ενέργειας για να διατηρηθεί η σκουληκότρυπα ανοιχτή, και δεν ξέρουμε πως μπορούμε να πετύχουμε κάτι τέτοιο. Η δημιουργία μιας σκουληκότρυπας που θα παραμένει σταθερή φαίνεται (προς το παρόν) εξωπραγματική.

Παρ’ όλα αυτά, οι σκουληκότρυπες – είτε μπορούμε να τις διασχίσουμε είτε όχι – είναι ένα από τα πιο ενδιαφέροντα θεωρητικά φυσικά φαινόμενα για μελέτη. Μπορεί να μην έχουν ανιχνευθεί, σύμφωνα όμως με την θεωρία είναι δυνατή η ύπαρξή τους. Οι σκουληκότρυπες, λέει ο Stojkovic, «είναι μια νόμιμη λύση των εξισώσεων του Αϊνστάιν».

Στην εργασία τους οι Stojkovic και Dai επικεντρώνονται στο πως θα μπορούσαμε να εντοπίσουμε μια σκουληκότρυπα αναζητώντας διαταραχές στην τροχιά του άστρου S2, που περιφέρεται γύρω από τον Τοξότη A*.

Ενώ οι σημερινές τεχνικές παρακολούθησης δεν είναι ακόμα αρκετά ακριβείς για να αποκαλύψουν την παρουσία μια σκουληκότρυπας, οι Stojkovic και Dai υποστηρίζουν ότι η συλλογή δεδομένων για το S2 για ένα μεγαλύτερο χρονικό διάστημα ή η ανάπτυξη τεχνικών για την ακριβέστερη παρακολούθηση της κίνησης, θα καθιστούσε δυνατή μια τέτοια ανίχνευση. Κι αυτό θα μπορούσε να συμβεί στα επόμενα δέκα με είκοσι χρόνια από σήμερα.

Ωστόσο, ακόμα κι αν με τον έναν ή τον άλλο τρόπο ανιχνεύσουμε διαταραχές στην τροχιά του S2, δεν θα μπορούμε να τις αποδώσουμε με βεβαιότητα σε μια σκουληκότρυπα. Θα μπορούσε πιθανόν να υπάρχει κάποια άλλη αιτία στην δική μας πλευρά που διαταράσσει την κίνηση αυτού του άστρου.

Αν και η εργασία επικεντρώνεται στις διαπερατές σκουληκότρυπες, η μέθοδος θα μπορούσε να δείχνει την παρουσία και μη διαπερατής σκουληκότρυπας. Διότι σύμφωνα με τον Stojkovic η επίδραση της βαρύτητας γίνεται αισθητή και στις δυο πλευρές της σκουληκότρυπας, είτε αυτές διασχίζονται από αντικείμενα είτε όχι.

Πηγές: http://www.buffalo.edu/news/releases/2019/10/035.html - https://physicsgg.me/2019/10/24/