Onderzoekers hebben voor het eerst succesvolle driedimensionale simulaties uitgevoerd van binaire systemen bestaande uit Ellis-Bronnikov-wormgaten. De resultaten tonen aan dat deze theoretische structuren uiterst instabiel zijn en bij interacties leiden tot de vorming van zwarte gaten of een explosieve expansie.
In een recent onderzoek, gepubliceerd op de preprint-server arxiv.org, presenteren natuurkundigen Nikita M. Shirokov en Ilya Nachevsky de eerste numerieke relativiteitsmodellen van paren massieve Ellis-Bronnikov-wormgaten. Deze specifieke wormgaten worden in het model opengehouden door een zogenaamd 'fantoom scalair veld', waarvan de energiedichtheid nergens positief is. De simulaties maakten gebruik van adaptive mesh refinement om de complexe interacties tussen de twee wormgatkeelpunten te bestuderen.
Instabiliteit en interactie
Een centrale bevinding van het onderzoek is dat een geïsoleerd wormgat inherent onstabiel is. Afhankelijk van de aard van een kleine verstoring zal de keel van het wormgat ofwel inklappen tot een zwart gat, ofwel opzwellen (inflatie). De snelheid van dit proces komt binnen een marge van 1,9% overeen met de voorspellingen uit de lineaire perturbatietheorie.
Wanneer twee wormgaten in één universum worden geplaatst, hangt hun interactie af van de tekens van hun scalaire ladingen. Volgens de publicatie op stoten paren met dezelfde lading elkaar af, terwijl paren met tegengestelde tekens elkaar aantrekken. Alleen deze laatste groep is in staat om daadwerkelijk samen te smelten.
Botsingen en gravitatiegolven
Het onderzoek beschrijft verschillende scenario's bij de interactie tussen de wormgaten:
- Frontale botsingen: Bij een directe botsing vormt zich een gemeenschappelijke waarnemingshorizon rond beide openstaande kelen. Deze horizon krimpt vervolgens met 28% terwijl het scalaire veld wordt geabsorbeerd, waarna het systeem stabiliseert tot een zwart gat met een massa die overeenkomt met de gecombineerde massa van het paar.
- Fly-bys: Wanneer de wormgaten elkaar passeren zonder te botsen, vormt zich geen horizon en zwellen beide kelen op.
- Straling: Elke ontmoeting produceert een korte burst van gravitatiegolven, vergezeld door een scalaire dipoolgolf met een vergelijkbare, negatieve energie.
Het firstinterstellarinstitute.com meldt in een samenvatting van het werk dat deze binaire systemen geen spiraalvormige beweging (inspiral) vertonen, omdat geen enkel wormgat langer dan enkele orbitale perioden overleeft, zelfs niet bij minimale initiële verstoringen. De computationele kosten van dit onderzoek waren aanzienlijk, met een verbruik van 592 H100-GPU-uren voor 103 verschillende evoluties.
De rol van rotatie en massa
Naast de binaire systemen hebben Shirokov en Nachevsky ook onderzoek gedaan naar roterende wormgaten. In een apart artikel op arxiv.org stellen zij vast dat rotatie de radiale instabiliteit van Ellis-Bronnikov-wormgaten vertraagt. Bij een rotatiesnelheid vanaf 58% van de extremale waarde vonden de onderzoekers geen bewijs voor instabiliteit gedurende de gesimuleerde tijd.
Andere theoretische benaderingen van wormgaten richten zich op verschillende aspecten. Zo analyseerde Sung-Won Kim in een artikel via Springer Nature de effectieve massa van wormgaten en de productie van gravitatiegolven in systemen met wormgat-wormgat of wormgat-zwart gat combinaties in de Newtoniaanse limiet. Daarnaast is er onderzoek naar vacuümringwormgaten, waarbij in aps.org wordt beschreven hoe stationaire generalisaties van deze structuren zich gedragen bij verschillende rotatiesnelheden.
Samen werpen deze studies een nieuw licht op de dynamiek van exotische ruimtetijdstructuren, waarbij numerieke relativiteit essentieel blijkt om de overgang van theoretische modellen naar dynamische, evoluerende systemen te begrijpen.