Чи існують у космосі білі діри: чим відрізняються від чорних і що кажуть учені

Про існування у космосі чорних дір знають навіть школярі. Ці супермасивні об’єкти являють собою одну з найбільших загадок Всесвіту. Але вчені припускають, що у міжзоряному просторі можуть існувати також їхні антиподи – білі діри.

Про ці теоретичні космічні області розповіло видання Space.com. Вважається, що вони можуть функціонувати протилежним чином. Якщо ніщо з того, що потрапило всередину, не може покинути чорну діру, так само ніщо не може потрапити у білу діру.

Що таке біла діра

Білі діри довгий час вважалися плодом загальної теорії відносності, породженими тими ж рівняннями, що і чорні діри. Проте не так давно фізики-теоретики задались питанням, чи можуть бути ці подвійні вихори простору-часу бути двома сторонами однієї медалі.

Для екіпажу космічного корабля, що спостерігає здалеку, біла діра виглядає так само, як чорна діра. Вона масивна і може обертатись. Навколо її горизонту подій може збиратись кільце пилу та газу. Але лише біля білої діри можна спостерігати, як вона відторгає об’єкт. І лише в цей момент теоретично можна зрозуміти, що йдеться саме про білу, а не про чорну діру.

Фізики описують білу діру як "обернення часу" чорної діри. Приблизно, як м’яч, що відстрибує є оберненням часу для м’яча, що падає. У той час, як горизонт подій чорної діри – це межа, з-за якої немає повернення, горизонт білої діри – найнепроникніший кордон у Всесвіті.

Об'єкти, які перебувають всередині білої діри, можуть виходити і взаємодіяти із зовнішнім світом. Але оскільки ніщо не може потрапити всередину, її внутрішній простір відрізаний від минулого Всесвіту: жодна зовнішня подія ніколи не вплине на внутрішню.

Рівняння Ейнштейна, яке перевернуло уявлення про космоc

Рівняння поля Ейнштейна здійснило справжню революцію у фізиці ще у 1915 році і науковці досі розбираються з реаліями Всесвіту, які вдалось вивести завдяки йому. Крім опису сили гравітації, гіпотези видатного фізика також докорінно змінило парадигму уявлення про природу реальності. Простір і час почали представлятись, як тверде тіло, яке може згинатись і складатись разом із масою зірок і планет. Вчені почали зясовувати, які властивості можуть мати подібні процеси.

Протягом року фізик та астроном Карл Шварцшильд знайшов перше точне рішення рівнянь Ейнштейна, розрахувавши, як простір-час викривляється навколо однієї кулі маси. У його відповіді закладений базис того, що сьогодні фізики називають сингулярністю — сферична маса, стиснута до нескінченно щільної точки, яка настільки щільно обволікає простір, що ця область відокремлюється від решти Всесвіту. Так утворюється об’єкт, горизонт подій якої розриває зв'язок між причиною та наслідком.

Найвідомішим прикладом сингулярності є чорні діри. Це настільки викривлені області космосу, що з них не існує виходів. Зовнішній Всесвіт може впливати на внутрішню частину горизонту чорної дірки, але внутрішня частина не може впливати на зовнішню. Щоби остаточно зрозуміти природу таких об’єктів, знадобилось 40 років. Їх дослідження тривають і досі. І, вочевидь, ще дуже далекі від завершення.

Як працює біла діра

Як пояснив астрофізик, спеціаліст із гравітаційного лінзування Герайнт Льюїс (Сіднейський унівеситет), у спрощеному поясненні біла діра є зворотним боком чорної. Розрахунки Шварцшильда показали, що у загальній теорії відносності немає нічого, що диктувало б, у якому напрямі протікає час. У звичному нам потоці часу ми бачимо, як речі безкінечно падають у чорну діру. Але, якщо обрати протилежний напрямок протікання часу, ефект теж стане оберненим. Таким чином, крім чорної діри, математика Шварцшильда також дає нам білу діру, просто перевертаючи те, як працює час.

Чим білі дірки відрізняються від чорних?

У чорній дірі діє потужне гравітаційне поле, яке притягує речі. Воно оточене односторонньою мембраною, яка називається горизонтом подій. Все, що потрапляє за неї, потім не може вибратись – потрапляє у нездоланну пастку. Гравітація захоплює об’єкт і його майбутнє з цього моменту – це опинитись в центрі чорної дірки, змінити яке неможливо, що б ви не робили.

Біла діра представляє собою зворотний бік цього. Її можна описати, як антигравітацію, що нескінченно викидає матерію. Вона також має горизонт подій, де речі зсередини перетинають його і викидаються у Всесвіт. І потрапити всередину цього об’єкта неможливо. Отже, в чорній дірі ви можете пройти всередину, але не назовні, з білої діри ви можете вийти назовні, але не потрапити всередину.

Чи є докази існування білих дірок?

Фактичних доказів існування подібних об’єктів у космосі не існує – вони залишаються теоретичними моделями. Як пояснює Льюїс, так може відбуватись через те, що ми здатні сприймати лише один напрямок руху часу – з минулого у майбутнє. А це означає, що ми можемо мати рішення тільки для чорних дір.

Деякі вчені припускають, що справа в тому, що Всесвіт асиметричний, ми бачимо початок з Великого Вибуху, а попереду у нас нескінченне майбутнє. Математично існування білої діри можливе, але асиметричність Всесвіту, який рухається по часовій шкалі в один бік, означає що вони фізично не реалізовані.

Як можна виявити білу діру?

Подібний обєкт уявляють як місце, звідки матерія викидається з великою енергією. Такі вчені, як Роджер Пенроуз (Нобелівська премія з фізики 2020), припускають, що біла діра – це вихід для чорної діри в інший Всесвіт. Таким чином, матерія, яка потрапить в чорну діру в одному Всесвіті, буде викинута в іншому Всесвіті через білу.

Втім, Льюїс висловив переконання, що подібних об’єктів у Всесвіті не існує. Наразі фізики не мають уявлення, яким чином вони можуть утворюватися. Так чорна діра виникає внаслідок колапсу зірки. Але відтворення цього процесу у зворотньому напрямку часу не має фізичного сенсу. Горизонт подій, що перетворюється на функціонуючу зірку, буде трохи схожий на яєчню, що знову стає яйцем – це порушення статистичного закону, що вимагає, щоб Всесвіт з часом ставав все більш безладним.

І навіть якби білі діри утворювались, існувати довго вони, ймовірно, не могли б. Будь-яка матерія, яка виходить з такого об’єкту, зіткнеться з матерією на орбіті, і система перетвориться на чорну діру.

Чому білі діри можуть існувати

З того часу, як Стівен Хокінг у 1970-х роках зрозумів, що чорні діри випускають енергію, фізики сперечаються про те, як ці сутності можуть припинити своє існування. Якщо чорна діра "випарується", що станеться з внутрішнім записом всього, що вона поглинула? Загальна теорія відносності не пропускає інформацію, а квантова механіка забороняє її видалення.

Карло Ровеллі, фізик-теоретик з Центру теоретичної фізики у Франції, пояснює це так: "Як помирає чорна діра? Ми не знаємо. Як народжується біла діра? Можливо, біла діра – це смерть чорної діри. Ці два питання чудово поєднуються, але при переході від одного до іншого доводиться порушувати рівняння загальної теорії відносності".

Ровеллі є засновником теорії квантової петльової гравітації – незавершеної спроби вийти за рамки загальної теорії відносності, описуючи сам простір як побудований з частинок в стилі Lego. Керуючись інструментами з цієї схеми, він та інші описують сценарій, у якому чорна діра стає настільки маленькою, що більше не підкоряється правилам існування зірок. На рівні частинок набуває чинності квантова випадковість, і чорна діра може перетворитися на білу діру.

Згідно з Халом Хаггардом, фізиком-теоретиком з Бард коледжу у Нью-Йорку, така біла діра розміром у мікрограм, що має масу, подібну до людського волосся, не матиме нічого спільного з гравітаційною драмою свого предка, чорної діри. Але вона може приховувати кавернозну внутрішню частину, що містить інформацію про все, що вона поглинула у своєму попередньому житті. Занадто маленька, щоб притягувати речовину, що обертається навколо неї, біла діра може залишатися досить стабільною, щоб зрештою видати всю інформацію, накопичену її попередником. В такій картині Всесвіту колись саме біли діри почнуть домінувати у часі-просторі, коли всі чорні діри "випаруються".

Модель білої діри

Фізики також припускають, що наслідки дії білої діри можуть існувати всюди. Так Великий вибух, з якого почався наш Всесвіт, виглядає як потенційна поведінка білої діри. "Геометрія в обох випадках дуже схожа. Навіть настільки, що часом вони математично ідентичні", – пояснив Хаггард.

Космологи називають цю картину "Великим відскоком", а деякі шукають характерні риси білої дірки в ранньому світлі Всесвіту, яке можна досі спостерігати. Ровеллі також задається питанням, чи становлять потужні радіосплески відголоски теоретичних міні-чорних дір, що залишилися після Великого вибуху, коли вони здійснюють ранній перехід у білі діри (хоча це пояснення здається все більш малоймовірним).

Всесвіт може не приймати всі форми, що допускаються загальною теорією відносності, але Хаггард вважає, що фізики повинні дослідити цю кролячу нору до кінця. "Чому б вам не дослідити, чи мають вони [білі дірки] цікаві наслідки. Можливо, ці наслідки не такі, як ви очікували, але ігнорувати їх було б безрозсудно", – каже він.

Підписуйтесь на канали OBOZREVATEL в Telegram, Viber і Threads, щоб бути в курсі останніх подій.