# чтиво | Куда ведут космические черные дыры?
Как часть космической матрешки, наша вселенная может находиться внутри черной дыры, которая сама по себе является частью большой вселенной. Все черные дыры, обнаруженные в нашей Вселенной — от микроскопических до сверхмассивных — могут быть дверными проемами в альтернативные реальности.
Одна из последних «галлюциногенных» теорий гласит, что черная дыра является туннелем между вселенными — нечто вроде червоточины. Черная дыра не коллапсирует в одну точку, как предполагалось, а переходит в «белую дыру» на другом конце черной дыры.
В статье, опубликованной в журнале Physics Letters B, физик из Университета Индианы Никодем Поплавский представил новую математическую модель спиралевидного движения материи, падающей в черную дыру. Его уравнения показывают, что такие червоточины являются жизнеспособными альтернативами сингулярностям пространства-времени, которые, как предполагал Альберт Эйнштейн, находятся в центре черных дыр.
Согласно уравнениям общей теории относительности Эйнштейна, сингулярности создаются, когда материя в регионе становится слишком плотной, как в сверхплотном сердце черной дыры.
Теория Эйнштейна предполагает, что сингулярности не занимают пространства, бесконечно плотные и бесконечно горячие — что, в принципе, поддерживается многочисленными косвенными доказательствами, но до сих пор остается трудно понятной для многих ученых.
Если Поплавский прав, может и понимать не придется.
В соответствии с новыми уравнениями, материя, которую поглощает и, видимо, уничтожает черная дыра, становится строительным материалом для галактик, звезд и планет в другой реальности.
Могут ли червоточины решить загадку Большого Взрыва?
Поплавский говорит, что понимание черных дыр как червоточин может объяснить определенные загадки в современной космологии. К примеру, теория большого взрыва утверждает, что вселенная началась с сингулярности. Но ученых не устраивает объяснение того, как такая сингулярность могла образоваться первоначально. Если наша вселенная родилась из белой дыры, а не из сингулярности, «это решает проблему сингулярностей черных дыр и сингулярности большого взрыва».
Червоточины также могут объяснять гамма-всплески, вторые по силе взрывы во вселенной после Большого Взрыва. Гамма-всплески возникают на периферии известной вселенной. Их связывают со сверхновыми, или смертью звезд, в далеких галактиках, но их точные источники являются загадкой. Поплавский предполагает, что всплески могут быть выбросами вещества из альтернативных вселенных. Материя проникает в нашу вселенную через сверхмассивные черные дыры — червоточины — в сердцах галактик, хотя и непонятно, как это возможно.
«Идея сумасшедшая, но кто знает?», — говорит ученый.
Есть по меньшей мере один способ проверить теорию Поплавского. Некоторые из черных дыр в нашей вселенной вращаются, и если наша вселенная родилась внутри такой же вращающейся черной дыры, значит, она должна унаследовать вращение родительского объекта. Если будущие эксперименты покажут, что наша вселенная вращается в предполагаемом направлении, это может быть косвенным доказательством теории червоточин.
Могут ли червоточины производить «экзотическую материю»?
Теория червоточин может также объяснить, почему некоторые особенности нашей вселенной отклоняются от того, что предсказывает теория, согласно физикам. Основываясь на Стандартной модели физики, после Большого Взрыва кривизна Вселенной должна увеличиваться со временем, поэтому спустя 13,7 миллиарда лет, то есть сегодня, мы должны сидеть на поверхности замкнутой сферической Вселенной.
Однако наблюдения показывают, что Вселенная плоская во всех направлениях. Кроме того, данные света от юной Вселенной показывают, что температура после большого взрыва была примерно одинакова везде. Это означает, что самые дальние объекты, которые мы видим на противоположном конце вселенной, были достаточно близки друг к другу и находились в равновесии, как молекулы газа в герметичной камере.
И опять же, наблюдения не соответствуют предсказаниям, поскольку противоположные объекты в известной вселенной настолько далеки друг от друга, что время, которое понадобится на путешествие между ними на скорости света, превышает возраст вселенной.
Чтобы объяснить расхождения, астрономы разработали инфляционную теорию.
Инфляция говорит о том, что вскоре после того как была создана Вселенная, она наблюдала быстрый рывок роста, в течение которого само пространство расширялось со скоростью, превышающей световую. Вселенная растянулась от размеров атома до астрономических пропорций за долю секунды.
Вселенная потому кажется плоской, поскольку мы находимся на сфере, которая чрезвычайно большая с нашей точки зрения; так и Земля кажется плоской для того, кто стоит в поле.
Инфляция также объясняет, как объекты, которые находятся далеко друг от друга, когда-то могли находиться достаточно близко, чтобы взаимодействовать. Но если даже предположить, что инфляция реальна, астрономы изо всех сил пытаются объяснить, чем она была вызвана. И здесь-то на выручку приходит новая теория червоточин.
Согласно Поплавскому, некоторые инфляционные теории говорят, что событие было вызвано «экзотической материей», теоретической субстанцией, которая отличается от нормальной материи отчасти потому, что отталкивается, а не притягивается под действием силы гравитации. На основе этих уравнений Поплавский пришел к выводу, что такая экзотическая материя могла возникнуть, когда некоторые из первых массивных звезд коллапсировали и превратились в червоточины.
«Возможно, имело место некоторое взаимодействие экзотической материи, которая образовала червоточины, и экзотической материи, которая вызвала инфляцию», — говорит он.
Уравнения червоточин — «хорошее решение»
Новая модель не стала первой, предположившей, что другие вселенные существуют внутри черных дыр. Дэмиен Иссон, физик-теоретик из Аризонского университета, ранее уже предполагал такое.
«Что нового? То, что решение червоточин в ОТО является переходом от внешней части черной дыры к внутренности новой вселенной», — говорит Иссон, не принимавший участия в исследовании Поплавского. — «Мы просто предполагали, что такое решение могло быть, но Поплавский его нашел».
Тем не менее, идея кажется Иссону очень спорной.
«Возможно ли это? Да. Вероятен ли такой сценарий? Даже не знаю. Но это однозначно интересно».
Будущая работа в сфере квантовой гравитации — исследовании гравитации на субатомном уровне — уточнит уравнения и потенциально подтвердит или опровергнет теорию Поплавского.
В теории червоточин нет ничего удивительного
В целом, теория червоточин интересная, но не прорывная, не проливает свет на происхождение вселенной, считает Андреас Альбрехт, физик из Калифорнийского университета в Дэвисе, который также не принимал участия в исследовании.
Утверждая то, что наша вселенная была создана из куска материи от родительской вселенной, теория просто сдвигает событие возникновения всего сущего в альтернативную реальность. Другими словами, она не объясняет, как возникла родительская вселенная или почему наша обладает именно такими свойствами — более того, свойства должны наследоваться, а значит родительская вселенная будет такой же.
«Есть несколько актуальных проблем, которые мы пытаемся решить, и непонятно, к чему все это приведет», — говорит он, отмечая исследование Поплавского.
Тем не менее, Альбрехт не находит идею червоточин, связывающих вселенные, «страньше», чем идею сингулярностей в черных дырах, и он не собирается отказываться от новой теории только потому, что она выглядит слегка двинутой.
«Все, чем занимаются люди в этой сфере, довольно странно», — говорит он. — «Вы не имеете права утверждать, что победит менее странная идея, потому что этого не произойдет, ни при каких обстоятельствах».
Источник
Куда ведут чёрные дыры?
Представьте, что вы вот-вот нырнёте в чёрную дыру. Что будет ожидать там, если вы, вопреки всему, выживете? Куда попадёте и какие удивительные истории сможете поведать, если найдёте дорогу назад?
Самый простой ответ на все эти вопросы даёт профессор Ричард Мэсси: “Это никому неизвестно”. Являясь научным сотрудником Королевского Исследовательского Общества при Институте космологических вычислений Даремского университета, Мэсси ясно осознаёт тот факт, что тайны чёрных дыр имеют очень глубокий характер. По его словам, “пройти через горизонт событий – это всё равно, что скрыться за вуалью; никто и никогда не сможет отправить какое-либо сообщение наружу. Попавший внутрь объект был бы раздавлен гравитацией чудовищной силы, так что я сильно сомневаюсь в том, что таким способом можно куда-либо попасть”.
Если такой ответ вас разочаровывает, то это не удивительно. Когда Альберт Эйнштейн разрабатывал свою общую теорию относительности, он предсказал особую связь пространства-времени с действием гравитационных сил чёрных дыр, а теперь известно и то, что эти космические аномалии появляются в результате смерти массивных звёзд, от которых остаётся лишь маленькое ядро высокой плотности.
Масса этого ядра по самым грубым расчётам превышает массу Солнца минимум в три раза, а сила гравитации достигает настолько высоких значений, что такое тело будет сжиматься в одну точку пространства (сингулярность), пока не станет ядром чёрной дыры бесконечной плотности. Таким образом, внутри чёрной дыры невозможна никакая жизнь, и даже свет не способен сопротивляться притяжению гравитационного поля. Так что, случись вам оказаться у горизонта событий (этот термин предложил немецкий астроном Карл Шварцшильд для обозначения границы чёрной дыры, после которой свет и материя могут двигаться только внутрь, но не наружу) – выхода больше нет. По словам Мэсси, приливные силы гравитационного поля превратят ваше тело в нити из атомов (этот эффект называется “спагеттификацией”), пока сингулярность не расщепит его полностью. Сама идея о том, что после такого можно куда-нибудь выскочить – включая “другую сторону” – кажется чрезвычайно фантастичной.
А как же червоточины?
Или не кажется? Многие годы учёные рассматривают вероятность того, что чёрные дыры могут являться червоточинами в другие галактики. Они могут быть даже – как некоторые предполагают – дверью в другую Вселенную.
Эта идея некоторое время витает в научных кругах: ещё в 1935 году Эйнштейн объединился с Натаном Розеном для того, чтобы вывести теорию о “мостах” между двумя разными точками пространства-времени. Новый виток обсуждений пришёлся на 1980 год, когда физик Кип Торн – один из главных мировых экспертов по общей теории относительности – поднял дискуссию о возможности физического перемещения объектов по таким “мостам”.
Мэсси признаётся: “будучи ребёнком, я вдохновился на изучение физики именно после прочтения научно-популярной книги Торна о червоточинах. Но сейчас мне не кажется, что они существуют”.
Сам Торн (который, кстати, консультировал режиссёрскую команду фильма “Интерстеллар”), пишет в своей новой книге: “сейчас мы не наблюдаем во Вселенной объекты, которые могли бы являться червоточинами”. В своём интервью для SpaceCom он заявил, что путешествия через такие гипотетические туннели скорее всего останутся научной фантастикой. Твёрдых доказательств того, что чёрные дыры могут для этого сгодиться, на данный момент нет.
Проблема в том, что мы не можем подобраться поближе и выяснить всё наверняка. Мы даже не можем сфотографировать то, что происходит внутри такого тела: так как весь свет вокруг поглощается центром дыры, то камера запечатлеет только черноту. На данный момент считается, что любой объект, пересёкший горизонт событий, просто становится частью чёрной дыры. А поскольку время искажается при приближении к этой границе, все события здесь будут происходить крайне медленно, из-за чего ответы мы получим ну очень нескоро.
“Я думаю, что попавшие в чёрную дыру объекты будут двигаться к концу времён”, – заявляет Дуглас Финкбейнер, профессор астрономии и физики Гарвардского Университета. “Наблюдающий издалека астронавт не увидит, как его коллега провалится внутрь, тот лишь будет становиться всё более красным и тусклым из-за так называемого гравитационного красного смещения. Но с позиции провалившегося, он будет падать прямо к центру, в место за гранью “вечности”. Что бы это ни значило”.
Чёрная дыра может вести к белой дыре
Определенно, если чёрная дыра ведёт в другую часть галактики или другую Вселенную, то там, на другой стороне, должен быть противоположный объект. Может быть, это белая дыра? Такую теорию выдвинул в 1964 году русский космолог Игорь Новиков. Он предположил, что чёрная дыра связана с белой, которая существует в прошлом. В отличие от чёрной, белая испускает свет и материю, но не позволяет им попасть внутрь.
Вместо уничтожения поглощённой информации, схлопнувшаяся чёрная дыра начнёт колебаться, произойдёт мощный квантовый скачок. В этом случае становится обоснованным предположение физика-теоретика Стивена Хокинга, сделанное им в 1970 году. Он говорил о вероятности того, что причиной термального излучения чёрной дыры (т.е. излучения частиц и радиации) является квантовая нестабильность.
Художественная концепция червоточины. Если червоточины существуют, то они могут привести нас в другую Вселенную. Но нет никаких доказательств того, что червоточины реальны. Авторы и права: Shutterstock.
Хокинг заявил, что чёрные дыры не могу существовать вечно. По его расчётам получается, что излучение радиации приводит к потере энергии, а затем к сжатию и смерти космического тела, а вся информация, которая к этому времени окажется поглощена исчезнет.
Это заявление вступает в противоречие с квантовой теорией, которая гласит, что информация не может быть уничтожена.
Идея Хокинга привела к “информационному парадоксу чёрной дыры” и долгое время ломала головы учёных. Некоторые считали, что Хокинг попросту не прав – Стивен и сам в 2004 году заявил о допущенной ошибке.
И что же, нам стоит вернуться к концепции чёрной дыры, которая выпускает поглощённую информацию через белую? Возможно. В 2013 году в журнале Physical Review Letters были опубликованы результаты исследования Джорджа Пуллина и Рудольфа Гамбини. Они применили петлевую квантовую гравитацию к чёрной дыре и обнаружили, что сила гравитации увеличивается до определённого момента приближения к ядру, но затем становится слабее и вышвыривает объект в другой регион Вселенной. Это исследование подтверждает идею о том, что чёрные дыры служат порталами, сингулярности внутри нет и затянутые объекты не уничтожаются. Информация не исчезает.
Может, чёрные дыры ведут в никуда?
Однако, физики Ахмед Альмхейри, Дональд Марольф, Джозеф Полчински и Джеймс Салли уверены, что Хокинг в чём-то был прав. Они разработали гипотезу огненной стены внутри чёрной дыры. По их расчётам, квантовые механизмы, вероятно, могут преобразовывать горизонт событий в гигантскую стену огня, из-за чего любой попавший туда объект мгновенно сгорит. С этой точки зрения, чёрные дыры ведут в никуда, ведь ничего не может проникнуть внутрь.
Эта теория, однако, противоречит общей теории относительности Эйнштейна, ведь, согласно ей, попавший в чёрную дыру объект не должен сталкиваться с препятствиями какого угодно рода – он лишь будет подвержен свободному падению к центру космического тела. К тому же, идея огненной стены противоречит и теории квантового поля, ведь допускает вероятность полного уничтожения информации.
Событие приливного разрушения происходит, когда звезда приближается достаточно близко к горизонту событий сверхмассивной чёрной дыры. Авторы и права: All About Space.
Чёрная дыра неопределенности
Вернёмся к Стивену Хокингу. В 2014 году он опубликовал исследование, в котором предложил отказаться от термина “горизонт событий”. По его мнению, гравитационный коллапс приводит к образованию другого явления, которое он назвал “видимым горизонтом”.
Этот горизонт на “определённый временной период” задерживает лучи света и материю внутри, расщепляет и смешивает их, а затем выпускает обратно. Такое объяснение хорошо ложится на квантовую теорию, ведь информация сохраняется, а не уничтожается. Таким образом, любой попавший внутрь объект со временем может выбраться из чёрной дыры. Хокинг пошёл дальше и поставил под сомнение сам факт существования чёрных дыр, написав: “чёрные дыры следует переименовать в объекты метастабильной связи гравитационного поля. Вероятно, что сингулярности нет, а видимый горизонт, который будет сжиматься внутрь под действием гравитационных сил, никогда не достигнет центра объекта и будет консолидирован в плотную массу”.
В этом случае, выпущенные объекты будут иметь совершенно иную форму от той, в которой находились при поглощении. Вряд ли удастся, глядя на выпущенный объект, точно определить, чем он являлся ранее. Что, разумеется, будет не очень приятной новостью для, скажем, попавших внутрь астронавтов.
Одно известно наверняка: эта загадка будет занимать умы учёных ещё очень долгое время. Ровелли и Франческа Видотто недавно предположили, что компоненты тёмной материи могут быть сформированы из останков испарившихся чёрных дыр, а в опубликованных в 2018 году записях Хокинга “О чёрных дырах и мягких волосах” он объясняет, как частицы нулевой энергии сохраняются около точки невозврата, горизонта событий, вместо того, чтобы исчезнуть. Многие физики сейчас изучают чёрные дыры с позиции физики элементарных частиц и в этой области уже появились смелые теории. Учёные активно обсуждают эти идеи, но потребуется ещё немало времени для того, чтобы точно заявить, куда же ведут чёрные дыры. Если бы только мы могли запрыгнуть хотя бы в одну их них…
Перевод: Дмитрий Гришин (специально для ресурса UniverseTodayRu).
Источник