Что находится по другую сторону черной дыры, и почему Вселенная – это большой дуршлаг

Физические особенности всех черных дыр были предсказаны теорией общей относительности Эйнштейна и хорошо описываются ею. Все, что наука успела узнать о черных дырах, прекрасно согласуется с теорией Эйнштейна. Но есть два ключевых вопроса, на которые теория Эйнштейна не отвечает, пишет Science Focus.

• Во-первых, неизвестно, что происходит, когда материя попадает в черную дыру, куда она направляется дальше?
• Во-вторых, как заканчивают свою жизнь черные дыры?

Стивен Хокинг предполагал, что черные дыры истощаются, испуская горячее излучение, которое сейчас называют излучением Хокинга.

В процессе этого излечения черная дыра становится все меньше и меньше, пока не превратится совсем в крошечную. Но что с ней происходит дальше?

Дальше все становится еще сложнее, так как оба этих вопроса связаны с квантовыми аспектами пространства-времени. То есть они оба связаны с квантовой гравитацией. А у нас пока нет развитой теории квантовой гравитации.

Попытка не пытка

Несмотря на это, имеются предварительные теории, которые не могут считаться общепринятыми, так как пока не были подкреплены экспериментами и наблюдениями.

Правда, они достаточно масштабны, чтобы дать предварительные ответы на два важных вопроса.

Пожалуй, самой подробной и развитой теорией квантового пространства-времени является петлевая квантовая гравитация, или LQG — предварительная теория квантовой гравитации, которая неуклонно развивается с конца 1980-х годов.

Благодаря этой теории появился интересный ответ на эти вопросы. Этот ответ дает следующий сценарий. Внутренняя часть черной дыры эволюционирует, пока не достигает фазы, в которой начинают преобладать квантовые эффекты.

Это создает мощную отталкивающую силу, которая изменяет динамику внутренней части коллапсирующей черной дыры, заставляя ее "отскочить" назад. После этой квантовой фазы, описываемой LQG, пространственное время внутри дыры снова подчиняется теории Эйнштейна, только теперь черная дыра расширяется, а не сжимается.

Возможность существования расширяющейся дыры действительно предсказана теорией Эйнштейна, точно так же, как были предсказаны черные дыры. Такая возможность настолько давно рассматривается учеными, что они даже придумали для нее название: "белая дыра".

Все то же самое, но наоборот

Белую дыру, в некоторой степени, можно считать обратной стороной черной дыры.

Белая дыра — это пространственно-временная структура, похожая на черную дыру, но с обратным течением времени. В черной дыре все падает внутрь, а в белой дыре все движется наружу. Ничто не может выйти из черной дыры и точно так же ничто не может войти в белую дыру.

Если смотреть со стороны, то получается, что в конце своего испарения черная дыра, которая теперь стала крошечной, потому что испарила большую часть своей массы, превращается в крошечную белую дыру. LQG указывает на то, что такие структуры становятся очень стабильными благодаря квантовым эффектам, поэтому они могут жить долгое время.

Белые дыры иногда называют "остатками", потому что это то, что остается после испарения черной дыры. Ученые предполагают, что этот остаток может иметь массу в доли микрограмма: примерно как масса человеческого волоса.

Такой сценарий также отвечает на второй вопрос. В конце испарения происходит квантовый переход черной дыры в долгоживущую крошечную белую дыру. И материя, попавшая в черную дыру, может позже выйти из этой белой дыры.

Большая часть энергии материи уже будет излучена излучением Хокинга. Но то, что выходит из белой дыры — это не энергия упавшей в нее материи, а остаточное низкоэнергетическое излучение.

Интригующая возможность, которую открывает этот сценарий, заключается в том, что таинственная темная материя, эффекты которой астрономы наблюдают в небе, на самом деле может быть полностью или частично образована крошечными белыми дырами, порожденными древними испарившимися черными дырами. Они могли образоваться на ранних этапах развития Вселенной, возможно, на этапе, предшествовавшем Большому взрыву, который, по-видимому, также предсказывается LQG.

Что дальше

Но можем ли мы найти эти белые дыры? Вряд ли ученые смогут найти их с помощью прямых наблюдений, так как эти крошечные объекты могут взаимодействовать с окружающим их пространством и материей только с помощью гравитации, а она будет слишком маленькой.

Не так-то просто обнаружить волосок, используя только его гравитационное притяжение. Но, возможно, с развитием технологий это не останется невозможным. Уже предложены идеи, как сделать это с помощью детекторов, основанных на квантовых технологиях.

Если темная материя состоит из остатков белых дыр, то, по простым подсчетам, несколько таких объектов могут пролетать через пространство размером с большую комнату каждый день. Пока что мы должны изучать этот сценарий и его совместимость с тем, что мы знаем о Вселенной, ожидая, когда технологии помогут нам обнаружить эти объекты напрямую.