Что такое белая дыра и чем она отличается от черной?
Возможность существования белых дыр впервые была предложена теоретическим астрофизиком Игорем Новиковым в 1964 году.
Белая дыра — это гипотетическая область в пространстве-времени, которая предсказывается как часть решения уравнений поля Эйнштейна.
Но давайте начнем с черных дыр, потому что их легче объяснить. Черные дыры образуются, когда центр большой умирающей звезды падает на себя. Вся масса выдавливается в бесконечно малый объем. Их гравитационное притяжение становится настолько большим, что даже свет не может избежать этого.
Белые дыры в точности противоположны черным дырам: хотя ничто не может вырваться из горизонта событий черной дыры, ничто не может войти в горизонт событий белой дыры. Проще говоря, белая дыра выплевывает все и ничего не входит.
Концепция белой дыры чрезвычайно сложна. Таким образом мы попытались объяснить это в небольших разделах. К концу этой статьи вы узнаете намного больше об этом интригующем явлении.
Существуют ли белые дыры?
Белая дыра — это просто теоретическая математическая концепция, и она не наблюдалась во вселенной. Большинство дискуссий о белых дырах вращаются вокруг слов «гипотетический», «неосуществимый» и «нереальный».
Они являются потенциальным решением законов общей теории относительности, которые подразумевают, что если существуют вечные черные дыры, то белые дыры также должны существовать во вселенной.
Ожидается, что они будут иметь такие свойства, как масса, заряд, момент импульса, но все, что приближается к белой дыре (даже со скоростью света), никогда не достигнет ее. Теоретически, в нашей вселенной недостаточно энергии, которая могла бы втянуть вас внутрь.
Они нарушают второй закон термодинамики
Одна из основных причин, по которой белые дыры считаются нереальными, заключается в том, что они уменьшают энтропию, что противоречит закону термодинамики.
Второй закон термодинамики гласит, что общая энтропия вселенной постоянно увеличивается, поэтому изменение энтропии всегда положительно. Вот почему белые дыры не вписываются в нашу текущую модель вселенной.
Доказательства в отношении белых дыр
Хотя свидетельства и информация, касающиеся белых дыр, остаются неопределенными, гамма-всплеск, названный GRB 060614, обнаруженный Свифтской обсерваторией Нила Гереля в 2006 году, считается первым зарегистрированным явлением для белой дыры.
В отличие от типичных гамма-всплесков, которые длятся всего несколько секунд, гибридный всплеск GRB 060614 длился замечательные 102 секунды, но не был связан со сверхновой. Это поставило под сомнение предыдущий научный консенсус в отношении черных дыр и других типов небесных тел, которые могут испускать гамма-всплески.
Белые дыры могут составить темную материю
В 2018 году ученые предположили, что белые дыры с микроскопическими диаметрами могут составлять темную материю. Такие крошечные белые дыры не будут излучать никакого излучения, и, поскольку они меньше длины волны света, они будут невидимы.
Темная материя составляет примерно 27% нашей вселенной, а ее локальная плотность составляет примерно 1% массы Солнца на кубический парсек. Чтобы учесть эту плотность с белыми дырами, команда оценила, что одна микроскопическая белая дыра (около одной миллионной грамма и намного меньше, чем протон) требуется на 10000 кубических километров.
Белые дыры могут даже предшествовать Большому взрыву
Другая интригующая теория, выдвинутая исследователями, заключается в том, что белые дыры могут объяснить Большой Взрыв, поскольку это еще один случай, когда спонтанно появилось огромное количество вещества и энергии.
Фактически утверждалось, что Большой Взрыв был результатом взрыва белой дыры, который предположительно извергал всю материю и информацию, которая была поглощена черной дырой.
Очевидно, мы не знаем, верна ли теория или нет, но опять же забавно думать, что жизнь возникла из белой дыры.
Белая дыра и черная дыра связаны через червоточину
Одна из главных причин изучения существования белых дыр заключается в том, что они могут раскрыть загадку: что происходит в центре черной дыры. Что происходит со всей информацией, которая засасывается?
Несколько теорий предполагают, что на другом конце черной дыры есть белая дыра. Вся материя и информация, поглощенная черной дырой, выбрасывается белой дырой в другую вселенную.
«Вход» черной дыры и «выход» белой дыры могут быть связаны с двумя совершенно разными вселенными. И то, что делает это соединение возможным, называется червоточиной: его можно представить в виде туннеля с двумя концами, каждый в разных местах в пространстве-времени.
Теория общей теории относительности имеет действительные уравнения, которые состоят из червоточин, однако, они еще не наблюдались во вселенной. Червоточина может соединять короткие расстояния (несколько метров), чрезвычайно большие расстояния (миллионы световых лет) или разные вселенные.
В 1935 году ученые открыли червоточину первого типа, называемую червоточиной Шварцшильда, с использованием общей теории относительности Эйнштейна. Вся метрика Шварцшильда состоит из белой дыры, черной дыры и двух отдельных миров, связанных на их горизонтах событий через червоточину.
Решение Шварцшильда имеет два действительных уравнения — положительный и отрицательный квадратный корень. Последнее объясняет, что черная дыра движется назад во времени, что также представляет собой белую дыру.
Белые дыры открывают возможности путешествий во времени
В определенных условиях червоточина может соединять две точки во времени вместо двух точек в пространстве. Таким образом, объект, проглоченный черной дырой, может пройти через червоточину и извергаться белой дырой в другой области времени [или пространства].
Тем не менее концепция имеет многочисленные недостатки. Например, объект, падающий в черную дыру, не сможет выдержать своего огромного гравитационного притяжения. А поскольку червоточина невероятно нестабильна, она мгновенно обрушится на себя.
Тем не менее некоторые физики показали, что червоточина (если она существует) может позволить путешествовать как в пространстве, так и во времени. Профессор Кип Торн из Калифорнийского технологического института, который также является лауреатом Нобелевской премии, предположил, что эти три явления (черные дыры, червоточины и белые дыры) могут позволить людям путешествовать во времени и назад (тысячи лет).
Честно говоря, существуют сотни теорий, касающихся белых дыр, но ученые не нашли убедительных доказательств, подтверждающих их существование. Может быть, в нашей огромной таинственной вселенной есть место даже для них.
Источник
«Белая дыра» в космосе
Астрономы обнаружили во Вселенной пустое пространство протяженностью до десяти миллиардов триллионов километров. Оно не содержит в себе ни одного известного вида вещества – ни галактик, ни звезд, ни газа, ни черных дыр. При этом дыра в 1000 раз превышает обычное пустое пространство во Вселенной.
Это открытие противоречит существующим моделям эволюции Вселенной.
Исследователи Национальной Радиоастрономической Обсерватории штата Миннесота (США) направили на темное пятно радиотелескоп Very Large Array (VLA) и в буквальном смысле слова обнаружили огромную брешь во Вселенной. Этот феномен журналисты окрестили «белой дырой» в противоположность «черным дырам».
Вопрос о существовании «белых дыр» уже рассматривался учеными.
Они выдвинули гипотезу «белых дыр», чтобы объяснить феномен «взрывающихся галактик» и другие космические явления, которые порождают огромные массы энергии. «По теории Эйнштейна, время может течь вспять», – поясняет Блейк Темпл, астрофизик из Калифорнийского университета. – Именно здесь и кроется залог существования «белых дыр». «Эти странные объекты вполне удовлетворяют законам природы. В сущности, белые дыры – это. те же черные дыры, время в которых течет вспять».
Не так давно учеными проводились радиосъемки космического пространства. В регионе созвездия Эридана астрономы заметили темное пятно, в котором на 45% материи меньше, чем обычно. Позже выяснилось, что и температура реликтового излучения (остаточное излучение после Большого взрыва) в этой зоне на миллионные доли градуса ниже средней. Полученные данные оказались настолько неожиданными для исследователей, что до сих пор не появилось конкретных выводов.
Астрономы не могут объяснить пока еще тот факт, что космическое пространство, состоящее из звезд, звездной пыли и газа, все-таки в некоторых местах невидимо. «Темную материю» можно вычислить по гравитационному эффекту, который ее обнаруживает, но в «белой дыре» отсутствуют даже скрытые массы.
Есть одна теория, что «белые дыры» возникли в результате воздействия мощного галактического кластера. Он при помощи силы притяжения активно «откачивал» вещество из некоего пространства Вселенной. Сам кластер мог уже давно исчезнуть, а вот пустота, оставшаяся без космических тел, существует и поныне.
Итог подводить, конечно, рано. Ясно одно: несмотря на то, что некоторые тайны Вселенной стали явью, большая часть остается непостижимой даже для ученых.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Источник
Нобелевская неделя: о черных дырах и «белых пятнах» во Вселенной
В 2020 г. Нобелевскую премию по физике поделили британский физик и математик Р. Пенроуз, разработавший теорию процессов формирования черной дыры в результате гравитационного коллапса звезд и других массивных объектов, а также немецкий астроном Р. Генцель и американский астрофизик А. Гез, на основе 16-летних наблюдений представившие опытное свидетельство существования в центре Млечного пути сверхмассивной черной дыры – Стрельца А* (Sgr A*)
В этом году Нобелевскую премию по физике получили ученые, теоретики и «практики», занимающиеся исследованиями, связанными с черными дырами – астрофизическими объектами, гравитационное притяжение которых настолько велико, что их не могут покинуть даже кванты света. А три года назад нобелевскими лауреатами стали ученые из США, которым с помощью интерферометра LIGO удалось «поймать» гравитационную волну, возникшую при слиянии черных дыр с массами 36 и 29 солнечных масс, и тем самым открыли новую эру в науке, изучающей Вселенную. Как такие черные дыры возникают и тем более, как они формируют двойные системы, – на подобные вопросы у исследователей до сих пор нет однозначных ответов.
О черных дырах и других «горячих» точках современной космологии любознательный читатель может узнать из публикаций известных российских специалистов в области астрономии и астрофизики, которые постарались рассказать о сложных вещах максимально простым языком.
Астрофизик, д. ф.-м. наук, профессор Александр Дмитриевич ДОЛГОВ: «Сегодня мы изучаем небо во всех длинах волн электромагнитного диапазона, смотрим и через другие «окна», которые открывают нам нейтрино и космические лучи разных энергий. Строятся новые телескопы, возникают новые международные коллаборации. Сейчас мы способны видеть Вселенную на больших красных смещениях, то есть в тот период, когда ей было всего полмиллиарда лет от роду. И мы видим, что при этом происходят удивительные вещи. Например, уже существуют сверхтяжелые черные дыры, а за такой короткий срок после Большого взрыва, казалось бы, невозможно их образование! Кроме того, оказалось, что Вселенная на красных смещениях очень запыленная. Пыль – это остатки от взрыва сверхновых, которые сначала должны родиться, а на это нужно значительное время.
Вселенная оказалась более развитой на ранних этапах ее эволюции, чем мы думали. 500 млн лет – это не тот возраст, при котором мы могли ожидать интенсивного звездообразования и появления сверхмассивных черных дыр; мы думали, что для этого нужно гораздо больше времени. Это еще одна загадка, над которой сегодня думают ученые».
Научный журналист и историк науки, к. фил.н. Алексей Ефимович ЛЕВИН: «Звезды с начальной массой свыше 8 солнечных масс заканчивают жизнь взрывами фантастической мощности, вызванными очень быстрым сжатием (коллапсом) их ядер… Именно эти космические катаклизмы и называют сверхновыми звездами, или просто сверхновыми… Хотя в наши дни процессы коллапса массивных звезд обсчитывают с использованием хорошо проработанных физических моделей и мощных компьютерных ресурсов, многие детали этого процесса еще далеки от ясности.
Для иллюстрации рассмотрим в общих чертах типичную судьбу голубого сверхгиганта с начальной массой порядка 20—25 солнечных масс. Водородное топливо он сжигает за 7 млн лет, еще полмиллиона лет займет формирование углеродно-кислородного ядра, нагретого до 200 млн К. С его возникновением термоядерный синтез останавливается, но ненадолго. В отсутствие тепловой подпитки ядро сжимается под действием тяготения звездного вещества и соответственно нагревается. По достижении температуры 600—800 млн К углерод начинает гореть с образованием неона и магния, а спустя еще 600 лет при температуре 2,3 млрд К начинается горение кислорода. Оно запускает цепочки ядерных превращений, которые приводят к синтезу различных изотопов кремния, серы, фосфора, аргона, калия, кальция и скандия.
За сутки до кончины звезды ее ядро нагревается до 3,3 млрд К. При этой температуре кванты гамма-излучения разбивают ядра изотопа кремния 28 на ядра магния 24 и альфа-частицы, которые поглощаются другими ядрами с образованием все более тяжелых элементов. Все это завершается образованием железа 56, рекордсмена по стабильности среди всех атомных ядер. Последние поглощаются другими ядрами, образуя все более тяжелые элементы. Поскольку далее термоядерный синтез не идет, железное ядро сжимается и нагревается. В результате возрастает кинетическая энергия атомов железа, и они претерпевают хаотические превращения. Некоторые из них распадаются, а некоторые, напротив, вступают в реакции слияния и порождают более тяжелые элементы, такие как платина и золото. Поскольку эти реакции идут за счет накопленной тепловой энергии, температура звездного ядра уменьшается, давление его вещества падает, и ядро вновь начинает сжиматься. Этот процесс ускоряется, если в окрестностях ядра продолжаются процессы термоядерного синтеза, которые порождают новые и новые ядра железа.
Затем наступает финальный катаклизм. Это происходит, когда масса ядра достигает порога, при котором давление вырожденного электронного газа уже не может противостоять гравитационному сжатию (этот порог, так называемый предел Чандрасекара, примерно на 44% превышает массу Солнца). Ядро схлопывается со скоростью, достигающей 20% световой. Электроны прижимаются к ядрам и сливаются с протонами, превращаясь в нейтроны и нейтрино. Нейтроны остаются на месте, а нейтрино вылетают в пространство. В результате сердцевина звезды охлаждается, давление ее вещества вновь падает, а темп сжатия увеличивается. Этот процесс начинается и завершается за считанные секунды, поэтому внешние слои звезды не успевают ничего почувствовать. Наружный наблюдатель в течение еще нескольких часов не заметит ни малейших перемен.
На этой стадии возможны два сценария. Полагают, что звезды с массой от 30 до 100 солнечных масс коллапсируют полностью и дают начало черным дырам. ».
Астроном и популяризатор науки, к.ф.-м. н. Владимир Георгиевич СУРДИН: «Как вы думаете, что будет происходить при затягивании планеты в черную дыру? Кто не слушал лекций по астрономии, тем обычно кажется, что черная дыра только с обращенной к себе поверхности будет срывать вещество. Они не знают, что почти столь же сильный эффект проявляется на обратной стороне свободно падающего тела. То есть оно разрывается в двух диаметрально противоположных направлениях, отнюдь не в одном».
Насколько подобные знания об Вселенной нужны и полезны широкой публике? Стоит ли обычному человеку «напрягать мозги», чтобы попытаться понять происхождение и судьбу таких далеких, в прямом и переносном смысле, объектов, как те же черные дыры?
Ответы на эти вопросы есть у профессора А. Д. Долгова: «Популяризировать научные результаты необходимо. Другой вопрос, что есть разделы науки, которые трудно поддаются популяризации. Но знать основные научные достижения в изучении Вселенной, думаю, стоит каждому жителю планеты Земля. Человеку проще объяснить значение научного открытия, рассказав о его приложениях в обычной жизни. И действительно, человечество всегда пыталось использовать научное достижение в практических целях. Взять квантовую механику – сейчас каждое электронное устройство использует квантово-механические эффекты. А общая теория относительности, например, просто необходима для спутникового ориентирования, для наведения ракет с точностью до 10 м. Если вы будете для этого использовать старую теорию гравитации, то просто промахнетесь. Даже если, например, наш подход в поиске темной материи окажется нерабочим, то детектор, который мы собрали, не будет выброшен на помойку…
Естественно, некоторые вещи, которые возникают в ходе исследований, имеют практические приложения. На вопрос английского лорда о том, какая же, в конце концов, польза от созданных Фарадеем основ электротехники, ученый ответил: «Сэр, не лишено возможности, что Вы в ближайшем будущем из всего этого будете извлекать налоги». Какое практическое приложение будет у гравитационных волн, у черных дыр – я не знаю. Некоторые, как всегда, говорят, что человечество начнет путешествовать во времени – я в это не верю. Хотя в общей теории относительности существуют решения, которые позволяют путешественнику совершить замкнутую времениподобную траекторию, то есть прийти в какую-то точку позже, чем он из нее вышел».
Источник