Decoupled asymmetric thin-shell wormholes

Stel je het universum niet alleen voor als een podium voor sterren en sterrenstelsels, maar als een weefsel dat gevouwen, uitgerekt en zelfs doorboord kan worden. In het domein van de algemene relativiteitstheorie, de theorie die beschrijft hoe zwaartekracht ruimte en tijd vormgeeft, bestaat er een theoretische mogelijkheid genaamd een wormgat. Denk eraan als een tunnel die twee verre punten in het kosmos verbindt en een kortere route biedt door de uitgestrektheid van de ruimte. Decennialang wisten natuurkundigen dat men, om een dergelijke tunnel open en begaanbaar te houden, een zeer vreemd soort materiaal nodig zou hebben. Dit materiaal zou naar buiten toe moeten duwen tegen de zwaartekracht in, waarbij het de gebruikelijke regels tart die bepalen hoe materie zich gedraagt, zoals de manier waarop een steen valt of een ster schijnt. Deze vereiste creëert een puzzel: hoewel de wiskunde van Einsteins vergelijkingen deze tunnels toestaat, lijkt de fysieke materie die nodig is om ze te bouwen de fundamentele energievoorwaarden te schenden die de natuur elders overal lijkt te volgen.

Om deze exotische structuren te bestuderen zonder te verdwalen in het onmogelijke, gebruiken wetenschappers vaak een vereenvoudigd model dat bekend staat als een dunne-schil-wormgat (thin-shell wormhole). In plaats van te proberen een tunnel te construeren uit een continue, vreemde substantie, stellen zij zich voor dat ze twee afzonderlijke regio's van de ruimte doorsnijden en deze aan elkaar naaien op een specifieke grens, zoals het aan elkaar stikken van twee stukken stof. De "naad" waar ze samenkomen, is de keel van het wormgat. Deze naad is de plek waar het exotische materiaal leeft, terwijl de rest van het universum aan beide zijden normaal blijft. Deze benadering stelt onderzoekers in staat om de globale vorm van de tunnel te scheiden van de specifieke eigenschappen van het materiaal dat het openhoudt, waardoor een complex probleem wordt omgezet in een beheersbaar probleem. De vraag is dan: wat gebeurt er als de twee zijden van de tunnel niet identiek zijn? Wat als de ene kant een standaard, lege ruimte is, en de andere kant een ruimte die subtiel is veranderd door een verborgen kracht?

Een team van onderzoekers heeft onlangs exact dit scenario verkend, waarbij zij een wormgat construeerden waarbij de twee zijden fundamenteel verschillend zijn. Aan de ene kant plaatsten zij een standaard zwart gat, een regio van de ruimte die zo dicht is dat niets eruit kan ontsnappen, beschreven door de klassieke vergelijkingen van Karl Schwarzschild. Aan de andere kant gebruikten zij een versie van datzelfde zwarte gat die was vervormd door een specifieke theoretische techniek gena been genoemd gravitationele ontkoppeling (gravitational decoupling). Deze techniek stelt natuurkundigen in staat om een nieuwe laag complexiteit toe te voegen aan een bekende oplossing zonder de meest basale kenmerken te veranderen, zoals de totale massa of de manier waarop de tijd nabij het object verloopt. In deze specifieke constructie werd de vervorming veroorzaakt door een scalair veld, een type onzichtbare energie, die interacteert met elektromagnetische velden. De onderzoekers kozen een versie van deze interactie waarbij de fysica "reëel" en goed gedefinieerd bleef, waarbij zij mathematische onzin zoals imaginaire getallen vermeden. Het resultaat is een tunnel waarbij de twee ingangen op afstand identiek lijken qua massa en tijdsverloop, maar de ruimte binnenin de ene ingang subtiel anders is dan de andere.

Het team ontdekte dat deze asymmetrie een fascinerend evenwicht van krachten creëert. Toen zij de totale energie berekenden die nodig is om de tunnel open te houden, vonden zij een precieze wiskundige relatie tussen het exotische materiaal op de naad en de vreemde energie die de vervormde zijde van de tunnel vult. In de standaard, symmetrische versie van deze wormgaten is het exotische materiaal altijd negatief, wat betekent dat het de gebruikelijke energievoorwaarden schendt. Echter, in deze nieuwe, asymmetrische opstelling ontdekten de onderzoekers dat als de vervorming sterk genoeg is, de positieve radiale nul-energie van de vervormde zijde de negatieve energie van de naad daadwerkelijk kan compenseren. Dit betekent dat het hele systeem, wanneer het als geheel wordt beschouwd, een positieve radiale nul-energie verkrijgt, ook al vereist de naad zelf nog steeds exotische materie en blijven de tangentiële energievoorwaarden geschonden. Het is alsof de verborgen complexiteit van de ene zijde van de tunnel de nodige druk levert om de andere zijde te stabiliseren, waardoor de "exotischheid" wordt herverdeeld in plaats van geëlimineerd.

Dit evenwicht heeft een directe impact op de stabiliteit van het wormgat. Een wormgat is alleen nuttig als het niet instort op het moment dat er iets doorheen probeert te gaan. De onderzoekers toonden aan dat de stabiliteit van de keel afhangt van een specifieke stroom van impuls tussen de naad en de ruimte eromheen. In het symmetrische geval is de tunnel vaak onstabiel, tenzij het materiaal op de naad zich op zeer specifieke, vaak onrealistische manieren gedraagt. Maar in hun asymmetrische model verandert de vervorming de regels. Zij vonden dat het bereik van de condities waaronder het wormgat stabiel blijft, feitelijk groter is, en het punt waar de tunnel overgaat van stabiel naar onstabiel beweegt dichter naar het centrum, dieper in de regio waar licht normaal gesproken rond het zwarte gat zou draaien. Zij merkten echter ook op dat dit vergrote stabiele domein nooit het conventionele interval van stabiliteit bereikt waarbij de schil zich als gewone materie gedraagt; het blijft beperkt tot meer exotische reacties. Dit suggereert dat de verborgen krachten in de vervormde zijde de tunnel robuuster maken tegen bepaalde verstoringen vergeleken met het symmetrische geval, maar dat het niet stabiel is onder alle standaardcondities.

De studie onderzocht ook wat er zou gebeuren als dit wormgat zou draaien. Door hun model uit te breiden om rotatie te bevatten, vergelijkbaar met hoe echte zwarte gaten draaien, waren zij in staat om exact te berekenen hoe het impulsmoment — de spin van het systeem — wordt gedeeld tussen de naad en de vervormde ruimte. Zij vonden dat de naad werkt als een roterende vloeistof die een specifiek deel van de totale spin met zich meedraagt, terwijl de rest wordt gedragen door de vervormde ruimte zelf. Deze verdeling is vast en precies, bepaald door de sterkte van de vervorming op het punt waar de twee zijden elkaar ontmoeten. Bovendien schatten zij de gravitatiegolven in die een dergelijk draaiend, wiebelend wormgat zou uitzenden. Als de keel zou kantelen en precesseren, zoals een draaiende tol die iets uit balans is, zou dit rimpelingen in de ruimtetijd uitzenden. De frequentie van deze rimpelingen zou afhangen van de massa en de grootte van de tunnel, maar de sterkte van het signaal zou direct geschaald worden door de vervorming.

Uiteindelijk biedt dit werk een nieuwe manier om na te denken over hoe exotische objecten onopgemerkt aanwezig kunnen zijn. Omdat de twee zijden van het wormgat dezelfde massa- en tijdsverloopkenmerken delen als een standaard zwart gat, zou een waarnemer op afstand geen verschil zien in de lichtbuiging rondom het object of de banen van nabijgelegen sterren. De enige manier om een dergelijk object te detecteren, zou zijn door te kijken naar de dynamica van de keel zelf. Als de tunnel oscilleert of precesseert, zal hij gravitatiegolven uitzenden op specifieke frequenties. De onderzoekers suggereren dat toekomstige detectoren, die steeds gevoeliger worden om deze zwakke fluisteringen uit het universum op te vangen, dergelijke signalen potentieel kunnen opmerken. De unieke handtekening zou niet een verandering in de frequentie van de golven zijn, maar een specifieke verandering in hun amplitude, een vingerafdruk achtergelaten door de verborgen vervorming. Dit biedt een concrete weg om te testen of het universum dergelijke exotische sluiproutes bevat, niet door ze direct te zien, maar door te luisteren naar hoe ze trillen.