Поиск проходимых кротовых нор в современных наблюдательных данных

Кротовые норы (КН) относятся к экзотическим, пока только теоретически предсказываемым, космическим объектам и представляют собой гипотетические структуры пространства-времени, обладающие нетривиальной топологией. Они могут связывать короткими расстояниями области нашей Вселенной, физически удаленные на произвольно большие расстояния, а также могут служить гипотетическими “мостами” между различными вселенными в рамках концепции Мультимира. КН были впервые предложены Эйнштейном и Розеном [1] как “мост Эйнштейна–Розена”. КН являются решениями классической ОТО наряду с черными дырами (ЧД). В силу многократного уверенного обнаружения ЧД с помощью как наблюдений объектов в их окрестностях, так и с помощью новых методов гравитационно-волновой астрономии, поиск и отождествление КН становится актуальной задачей. КН и ЧД обладают характерными астрофизическими свойствами, которые на текущем уровне моделей и наблюдательных точностей невозможно с достоверностью различить. Однако такое свойство КН как проходимость, свойственное широкому теоретическому классу таких объектов, может позволить получить астрофизические свойства, характерные только для КН.

В настоящее время существует достаточно много теоретических механизмов образования КН в ранней Вселенной и поддержания их устойчивости, в том числе, устойчивой проходимой горловины [2]. Среди механизмов образования КН следует отметить связанные с парадигмой инфляционного расширяющейся ранней Вселенной [3] следующие: наиболее общий формализм евклидовых инстантонов (EI) [4] и туннелирование Коулмана – Де Лучча (CDL) [5].

Проходимость КН можно обеспечивать как с помощью обычного вещества, так и с помощью фантомной материи. Традиционно вводимая фантомная материя для стабилизации горловины находит подтверждения в недавних исследованиях Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), согласно которым в более ранней Вселенной (при красных смещениях z ≥ 0 . 3 ) имело место доминирование экзотического вида темной энергии – фантомной энергии. Ограничения на формирование КН, обладающих горловиной, стабилизированной фантомной энергией, рассматриваются в работе авторов [6].

Таким образом, проходимые КН получают дополнительный косвенный статус реалистичных объектов, и, следовательно, требуют разработки новых методов их обнаружения и тестов для поиска отличий их астрофизических проявлений от ЧД.

В данной работе представлены некоторые методы и предварительные результаты наблюдательного поиска проходимых КН со стабилизированной горловиной (без уточнения методов стабилизации). Основная рассматриваемая модельная система представляет собой проходимую КН простейшего типа (сшивка двух пространств Шварцшильда), объект А по другую, ненаблюдаемую, сторону горловины КН и объект Б на наблюдаемой стороне. В качестве кандидатов в КН принимается ряд реальных объектов, в настоящее время отождествленных как ЧД: сверхмассивная ЧД Sgr A* в центре Галактики, а также темные компаньоны двойных звездных систем, в т.ч. объекты GAIA, в настоящее время известные как содержащие ЧД.

Здесь отметим, что формально КН, построенная из сшивки двух пространств Шварцшильда, не является проходимой. Однако поскольку все изучаемые нами гравитационные эффекты лежат много дальше радиуса горловины КН, то ее детальная конфигурация (тот или иной вид метрики) в таком приближении может не приниматься во внимание и быть взята в простейшем виде геометрии Шварцшильда; в то же время важна асимптотическая плоскостность получившихся при

“склейке” пространств. В дальнейшем планируется учет более тонких эффектов, зависящих от вида конкретной метрии и ее параметров для проходимой КН со стабильной горловиной.

В качестве объектов А и Б выступают звезды различных классов. Основная теоретическая предпосылка основана на поисках дополнительного возмущающего ускорения, его характерного систематического влияния на наблюдаемые движения объектов в окрестностях предполагаемых кандидатов в КН. С целью проверки модели составлен каталог наиболее перспективных двойных объектов. Для некоторых реальных систем указаны проведенные ранее авторами оценки возмущающие дополнительные ускорения [7], а также вызванные ими характерные периодичности скоростей. Указаны интересные перспективы наблюдения КН в связи с данными DESI оценки параметра уравнения состояния темной энергии.

• 1.    Объекты исследования

В рамках предлагаемой работы исследуются два различных типа систем, содержащих кандидатов в КН, которые при текущем уровне наблюдений имеют статус КН.

• •    В качестве кандидатов в КН рассматривается ЧД Sgr A* в центре Галактики и ряд звезд (объекты Б), обращающихся по эллиптическим орбитам вокруг нее. В роли объектов Б выступают следующие звезды: S2, S21, S23, S4711, S4, S62. В роли объекта А по другую сторону от горловины КН выступают модельные звезды на эллиптических орбитах.

• •    Рассматриваются кандидаты в КН в виде ЧД звездных масс. В роли объекта Б выступают нейтронные звезды, звезды класса О (VFTS-243) или класса B, в т.ч. объекты GAIA: BH1 [8] – [9], BH2 [10], BH3 [11]. В роли объекта А по другую сторону от горловины КН аналогично предыдущему пункту выступают модельные звезды на эллиптических орбитах.

• 2.    Предлагаемые методы выявления проходимых КН в двойных системах

  Двойная звездная система Gaia BH1 (Gaia DR3 4373465352415301632) содержит массивным компонентом предположительно ЧД массой 9 . 62 ± 0 . 18 солнечных масс, которая в рамках рассматриваемой нами концепции может оказаться КН. При проведении высокоточных исследований системы, а именно, построения кривой лучевой скорости видимого компаньона с точностью порядка 1 – 2 км/с, можно исследовать гипотезу КН. Альтернативная гипотеза против гипотезы КН – это наличие третьего компонента указанной системы. Так, наблюдения на телескопе БТА САО РАН (Россия) могли бы позволить построить точный участок кривой лучевых скоростей при мониторинге этой системы в течение возможно большего промежутка времени, достаточного для уточнения параметров орбиты визуального компонента этой двойной системы. Предлагаемый метод следующий. Как было показано авторами в работе [7], дополнительное возмущающее ускорение, которое при наличии проходимой КН создается объектом А для объекта Б, зависит от параметров орбиты и параметров рассматриваемых систем: массы кандидата в КН, радиуса ее горловины, радиального удаления наблюдаемого объекта от горловины, а от также перицентри-ческого и апоцентрического расстояний возмущающего объекта А.

Так, при численном интегрировании уравнений движения объекта Б (видимой звезды) в перицентре ее орбиты добавляется импульсное воздействие постоянного возмущающего ускорения, что приводит к изменению периода обращения звезды и, как следствие, смещению ожидаемого положения экстремума ее лучевой скорости.

Для систем BH2 и BH3 нет альтернативной гипотезы наличия третьего компонента системы, однако уточненные параметры орбиты также могут позволить выявить отличия в движении без возмущающего ускорения (если темный компаньон – ЧД) и с возмущающим ускорением (если невидимый компаньон – КН).

В целом в рассматриваемой модели существенным преимуществом является независимость эффекта от конкретного выбора метрики проходимой КН. Величина возмущающего ускорения, оцененная для реальных объектов, варьируется от 10-4 до 10-2 см/с2, что в будущем при увеличении точности наблюдений позволит выявить искомый эффект либо при непосредственном анализе возмущающих ускорений, либо уже на современном этапе исследований путем анализа параметров орбит с помощью, например, таких телескопов как БТА САО РАН или Кек (Гавайи, США).

Выделение эффекта возмущающего ускорения на основании наблюдений лучевой скорости объекта Б и ее сравнения с ожидаемой кеплеровской требует длительных наблюдений (от 10 лет), однако может быть улучшено путем использования фильтров из искомого сигнала известного профиля, а также аппроксимацией дискретного набора наблюдательных данных ортонормальными полиномами. Авторами ведутся исследования в этом направлении.

Также отметим, что для звезд в галактическом центре эффект возмущающего ускорения преобладает над основными конкурирующими эффектами (возмущением от окружающих звезд и от гало темной материи), а точность определения ускорения звезды в перицентре орбиты двойной системы по данным GAIA, оцененная как функция ошибок наблюдения параметров двойной системы (масс каждой компоненты, эксцентриситета орбиты, периода), уже сопоставима с предсказываемой моделью расчетной величиной искомого эффекта.

С целью систематического анализа указанных эффектов в настоящее время ведется построение каталога пар “ЧД звездной массы – звезда”. Важно отметить, что звезды (объекты Б) следует отбирать по принципу определяемых с наименьшими ошибками величин скорости и ускорения, а также не подверженных значительным аккреционным эффектам, которые не учитываются в нашей модели.

Перспективы дальнейших исследований

В данной работе сформулирована стратегия и описаны перспективы дальнейшего поиска наблюдательных проявлений проходимых КН со стабильными горловинами, начатых в работах [6] – [7], а именно, исследования влияния возмущающего ускорения объекта А (расположенного по другую сторону горловины) на известные наблюдаемые объекты Б (звезды вокруг центра Галактики; звезды в системах, содержащих вторым компонентом ЧД звездной массы). По состоянию на 2024 г. точность определения ускорения звезды в перицентре орбиты двойной системы в астрометрическом проекте GAIA сопоставима с предсказываемой моделью рассчетной величины искомого эффекта, от 10 ^-4 до 10 ^-2 см/с ² . При рассмотрении нами синтетических систем (с целью поиска оптимальных параметров для выявления КН), состоящих из проходимой КН, объекта А и нейтронной звезды в качестве объекта Б на стороне наблюдателя при специальном подборе масс и параметров орбит эффект возмущающего ускорения достигает величин порядка 1.5 см/с ² , что делает исследуемый гравитационный эффект критически значимым для поиска проходимых КН в нашей в нашей Галактике.

Дальнейшая стратегия поиска нетривиальных структур во Вселенной с необходимостью должна включать следующие этапы.

• •    Исследование динамических эффектов в отобранных астрофизических системах, а именно: ряд объектов в широких двойных системах из данных миссии Gaia (2024), содержащих темные объекты. В рамках этой задачи планируется организация наблюдательной программы на телескопе БТА САО РАН, как в оптическом диапазоне, так и в режиме спектроскопических измерений. Из выделенных объектов системы Gaia DR3 4318465066420528000 (0.59 кпк) и Gaia DR3 4373465352415301632 (0.48 кпк) доступны для наблюдений в условиях БТА и представляют собой перспективные кандидаты для составления заявки, организации, проведения наблюдательной программы и обработки результатов.

• •    Расчет и моделирование стохастических гравитационных полей с целью учета их влияния на гравитационные возмущения, которые объект А будет оказывать на объект Б.

• •    Оценки темпа рождения и эволюции проходимых КН со стабилизированными горловинами с учетом доминирования фантомной темной энергии на красных смещениях z >  0 . 3 .