Существуют ли в космосе белые дыры: чем отличаются от черных и что говорят ученые

О существовании в космосе черных дыр знают даже школьники. Эти супермассивные объекты представляют собой одну из самых больших загадок Вселенной. Но ученые предполагают, что в межзвездном пространстве могут существовать их антиподы – белые дыры.

Видео дня

Об этих теоретических космических областях рассказало издание Space.com. Считается, что они могут работать противоположным образом. Если ничто из попавшего внутрь не может покинуть черную дыру, так же ничто не может попасть в белую дыру.

Что такое белая дыра

Белые дыры долгое время считались плодом общей теории относительности, порожденными теми же уравнениями, что и черные дыры. Однако недавно физики-теоретики задались вопросом, могут ли эти двойные вихри пространства-времени быть двумя сторонами одной медали.

Для экипажа наблюдающего издалека с космического корабля белая дыра выглядит так же, как черная дыра. Она массивна и может вращаться. Вокруг горизонта событий может собираться кольцо пыли и газа. Но только у белой дыры можно наблюдать, как она отторгает объект. И только в этот момент теоретически можно понять, что речь идет именно о белой, а не о черной дыре.

Физики описывают белую дыру как "обращение времени" черной дыры. Приблизительно, как отпрыгивающий мяч является обращением времени для падающего мяча. В то время как горизонт событий черной дыры – это предел, из-за которого нет возврата, горизонт белой дыры – самая непроницаемая граница во Вселенной.

Объекты, находящиеся внутри белой дыры, могут выходить и взаимодействовать с внешним миром. Но поскольку ничто не может попасть внутрь, ее внутреннее пространство отрезано от прошлого Вселенной: ни одно внешнее событие никогда не повлияет на внутреннее.

Уравнение Эйнштейна, перевернувшего представление о космосе

Уравнение поля Эйнштейна совершило настоящую революцию в физике еще в 1915 году и ученые до сих пор разбираются с реалиями Вселенной, которые удалось вывести благодаря ему. Помимо описания силы гравитации, гипотезы выдающегося физика также коренным образом изменило парадигму представления о природе реальности. Пространство и время стали представляться как твердое тело, которое может изгибаться и складываться вместе с массой звезд и планет. Ученые начали выяснять, какие свойства могут иметь схожие процессы.

В течение года физик и астроном Карл Шварцшильд нашел первое точное решение уравнений Эйнштейна, рассчитав, как пространство-время искривляется вокруг одного шара массы. В его ответе заложен базис того, что сегодня физики называют сингулярностью — сферическая масса, сжатая до бесконечно плотной точки, настолько плотно обволакивающей пространство, что эта область отделяется от остальной Вселенной. Так появляется объект, горизонт событий которого разрывает связь между причиной и следствием.

Самым известным примером сингулярности являются черные дыры. Это настолько искривленные области космоса, что из них нет выходов. Внешняя Вселенная может оказывать влияние на внутреннюю часть горизонта черной дыры, но внутренняя часть не может влиять на внешнюю. Чтобы окончательно понять природу таких объектов понадобилось 40 лет. Их исследования продолжаются до сих пор. И, очевидно, еще очень далеки от завершения.

Как работает белая дыра

Как объяснил астрофизик, специалист по гравитационному линзированию Герайнт Льюис (Сиднейский унивеситет), в упрощенном объяснении белая дыра является обратной стороной черной. Расчеты Шварцшильда показали, что в общей теории относительности нет ничего, что диктовало бы, в каком направлении протекает время. В привычном нам потоке времени мы видим, как вещи бесконечно падают в черную дыру. Но, если выбрать противоположное направление протекания времени, эффект тоже станет обратным. Таким образом, кроме черной дыры, математика Шварцшильда также дает нам белую дыру, просто переворачивая, как работает время.

Чем белые дыры отличаются от черных?

В черной дыре действует мощное гравитационное поле, притягивающее вещи. Оно окружено односторонней мембраной, называемой горизонтом событий. Все, что попадает за нее, потом не может выбраться – попадает в непреодолимую ловушку. Гравитация захватывает объект и его будущее с этого момента – это оказаться в центре черной дыры, изменить которое невозможно, что бы вы ни делали.

Белая дыра представляет собой обратную сторону этого. Ее можно описать как антигравитацию, бесконечно выбрасывающую материю. Она также имеет горизонт событий, где вещи изнутри пересекают его и выбрасываются во Вселенную. И попасть внутрь этого объекта невозможно. Итак, в черной дыре вы можете пройти внутрь, но не наружу, из белой дыры вы можете выйти наружу, но не попасть внутрь.

Есть ли доказательства существования белых дыр?

Фактических доказательств существования подобных объектов в космосе нет – они остаются теоретическими моделями. Как объясняет Льюис, так может происходить потому, что мы способны воспринимать только одно направление движения времени – из прошлого в будущее. А это значит, что мы можем иметь решение только для черных дыр.

Некоторые ученые предполагают, что дело в том, что Вселенная асимметрична, мы видим начало с Большого Взрыва, а впереди у нас бесконечное будущее. Математически существование белой дыры возможно, но асимметричность Вселенной, которая двигается по временной шкале в одну сторону, означает, что они физически не реализованы.

Как обнаружить белую дыру?

Подобный объект представляют как место, откуда материя выбрасывается с большой энергией. Такие ученые, как Роджер Пенроуз (Нобелевская премия по физике 2020), предполагают, что белая дыра – это выход для черной дыры в другую Вселенную. Таким образом, материя, которая попадет в черную дыру в одной Вселенной, будет выброшена в другую Вселенную через белую.

Впрочем, Льюис убежден, что подобных объектов во Вселенной не существует. Пока физики не имеют представления, каким образом они могут образовываться. Так чёрная дыра возникает вследствие коллапса звезды. Но воспроизведение этого процесса в обратном направлении времени не имеет физического смысла. Горизонт событий, превращающийся в функционирующую звезду, будет немного похож на яичницу, которая снова становится яйцом – это нарушение статистического закона, требующего, чтобы Вселенная со временем становилась все более беспорядочной.

И даже если бы белые дыры образовывались, существовать долго они, вероятно, не могли бы. Любая материя, исходящая из такого объекта, столкнется с материей на орбите, и система превратится в черную дыру.

Почему белые дыры могут существовать

С тех пор как Стивен Хокинг в 1970-х годах понял, что черные дыры испускают энергию, физики спорят о том, как эти сущности могут прекратить свое существование. Если черная дыра "испарится", что произойдет с внутренней записью всего, что она поглотила? Общая теория относительности не упускает информацию, а квантовая механика запрещает ее удаление.

Карло Ровелли, физик-теоретик из Центра теоретической физики во Франции, объясняет это так: "Как умирает черная дыра? Мы не знаем. Как рождается белая дыра? Возможно, белая дыра – это смерть черной дыры. Эти два вопроса прекрасно сочетаются, но при переходе от одного к другому приходится нарушать уравнение общей теории относительности".

Ровелли является основателем теории квантовой петлевой гравитации – незавершенной попытки выйти за рамки общей теории относительности, описывая само пространство как построенное из частиц в стиле Lego. Руководствуясь инструментами этой схемы, он и другие описывают сценарий, в котором черная дыра становится настолько маленькой, что больше не подчиняется правилам существования звезд. На уровне частиц вступает в силу квантовая случайность, и черная дыра может превратиться в белую дыру.

Согласно Халу Хаггарду, физику-теоретику из Бард колледжа в Нью-Йорке, такая белая дыра размером в микрограмм, имеющая массу, подобную человеческому волосу, не будет иметь ничего общего с гравитационной драмой своего предка, черной дыры. Но она может скрывать кавернозную внутреннюю часть, содержащую информацию обо всем, что она поглотила в своей прежней жизни. Слишком маленькая, чтобы притягивать вращающееся вокруг него вещество, белая дыра может оставаться достаточно стабильной, чтобы в конце концов выдать всю информацию, накопленную ее предшественником. В такой картине Вселенной когда-то именно белые дыры начнут доминировать во времени-пространстве, когда все черные дыры "испарятся".

Модель белой дыры

Физики также предполагают, что последствия действия белой дыры могут существовать повсюду. Так Большой взрыв, с которого началась наша Вселенная, выглядит как потенциальное поведение белой дыры. "Геометрия в обоих случаях очень похожа. Даже настолько, что порой они математически идентичны", – объяснил Хаггард.

Космологи называют эту картину "Великим отскоком", а некоторые ищут характерные черты белой дыры в раннем свете Вселенной, который можно до сих пор наблюдать. Ровелли также задается вопросом, составляют ли мощные радиовсплески отголоски оставшихся после Большого взрыва теоретических мини-черных дыр, когда они совершают ранний переход в белые дыры (хотя это объяснение кажется все более маловероятным).

Вселенная может не принимать все формы, допускаемые общей теорией относительности, но Хаггард считает, что физики должны исследовать эту кроличью нору до конца. "Почему бы вам не исследовать, имеют ли они [белые дыры] интересные последствия. Возможно, эти последствия не такие, как вы ожидали, но игнорировать их было бы безрассудно", – говорит он.

Ранее OBOZREVATEL рассказывал, о загадочных радиосигналах из дальних галактик оказались эхом мощных взрывов.

Подписывайтесь на каналы OBOZREVATEL в Telegram, Viber и Threads, чтобы быть в курсе последних событий.