Stötvågor är störningar som fortplantar sig genom ett medium, som en krusning i vatten eller en ljudbom i luften. I universum förknippas chockvågor ofta med våldsamma astrofysiska händelser, som supernovor och kollision av svarta hål.
Medan fysiker länge har förstått de grundläggande egenskaperna hos stötvågor, har deras inverkan på själva rymdtidens struktur varit mindre tydlig. Det nya ramverket, utvecklat av forskare vid University of Cambridge och Queen Mary University of London, ger en matematisk grund för att studera hur stötvågor kan kröka rumtiden.
Nyckelidén är att behandla stötvågor som defekter i rumtiden. Precis som en spricka i ett material kan få det omgivande utrymmet att deformeras, så kan också en stötvåg skapa en veck eller rynka i rymdtidens tyg.
"Vårt arbete visar att chockvågor kan ses som "tårar" i rymdtiden, säger Dr Silviu-Marian Udrea, forskare vid University of Cambridge och huvudförfattare till studien. "Dessa tårar är inte permanenta, men de kan kvarstå under en begränsad tid."
Forskarna använde en matematisk teknik som kallas differentialgeometri för att beskriva rymdtidens deformation runt stötvågor. De fann att rumtidens krökning är proportionell mot stötvågens styrka och hastigheten med vilken den rör sig.
Det betyder att starkare stötvågor och de som rör sig snabbare kommer att orsaka en mer uttalad deformation av rumtiden. Forskarna fann också att formen på stötvågen spelar en roll i deformationen av rumtiden. Till exempel kommer en sfärisk stötvåg att orsaka en annan deformation än en cylindrisk eller plan stötvåg.
"Vårt arbete ger ett nytt sätt att tänka på chockvågor och deras inverkan på universum", säger Udrea. "Det tyder på att chockvågor kan spela en viktig roll i evolutionen av kosmos och bildandet av galaxer och svarta hål."
Forskarna säger att deras fynd också kan bidra till att kasta ljus över naturen hos mörk energi, en mystisk kraft som påskyndar universums expansion. Mörk energi tros utgöra cirka 68 % av universum, men dess natur är fortfarande okänd.
"Vårt arbete tyder på att mörk energi kan relateras till krökningen av rymdtid orsakad av stötvågor," sa Udrea. "Detta är en spännande möjlighet som vi undersöker i vår pågående forskning."
Studien är publicerad i tidskriften Physical Review D.
