Тайны белых дыр: как устроены антиподы черных дыр и где их искать?
Черные дыры нельзя увидеть, на них указывают разные косвенные данные. Противоположные им по свойствам белые дыры существуют только в теории, однако у ученых есть наблюдения и догадки о том, как они выглядят, где находятся и какими свойствами обладают. Рассказываем об этом подробнее.
Что такое белые дыры?
Белая дыра — гипотетический физический объект во Вселенной, в область которого ничто не может войти. Белая дыра является временно́й противоположностью черной дыры и предсказывается теми же уравнениями общей теории относительности. Большинство физиков убеждены, что белых дыр в природе в принципе быть не может.
Предполагается, что белые дыры могут образовываться при выходе из-за горизонта событий вещества черной дыры, находящейся в обратном направлении термодинамической стрелы времени.
При этом полная карта пространства-времени содержит как черную, так и белую дыры, а отдельного образования только «чистой» черной или только «чистой» белой дыры на полной карте пространства-времени не может быть в принципе.
В 1960-е годы советский физик-теоретик Игорь Новиков (АКЦ ФИАН), исходя из теории относительности, пришел к выводу, что в космосе должны быть объекты, противоположные по свойствам черным дырам. Он назвал их белыми дырами.
Полное решение Шварцшильда содержит как черную, так и белую дыры. Считается, что шварцшильдовских белых дыр на данный момент не существует. Полное решение Керра содержит как черную, так и белую дыры. Керровская белая дыра (результат решения Керра для черных дыр) образуется в одной Вселенной при образовании черной дыры в другой.
История появления теории о белых дырах
Впервые о белых дырах заговорили астрофизики из Израиля — Шломо Хеллер и Алан Реттер заявили, что источником непонятной вспышки гамма-излучения, которой присвоили номер GRB060614, послужила белая дыра.
Вспышку зарегистрировали в 2006 году. Ученые утверждают, что гамма-излучение такого вида происходит в процессе рождения черных дыр и делится на два типа. Длинные вспышки длятся около 2 секунд и случаются в результате превращения массивных звезд в черные дыры и короткие, меньше секунды, они случаются после столкновения двух нейтронных звезд.
Аномальный всплеск GRB 060614 стал необычным явлением, потому что вспышка длилась более 100 секунд, но никакой черной дыры там не образовалось.
Ученые утверждают, что если предположить о существовании белых дыр, то тогда можно представить, что произошел выброс вещества из черной дыры, которое находилось за горизонтом событий. Произошло явление, обратное процессу, происходящему внутри черной дыры, притягивающей все к себе в результате невероятно мощных гравитационных сил.
Как выглядит белая дыра?
Представьте себе сферу такой чудовищной массы, что с ее поверхности можно оторваться только со скоростью света. Это черная дыра. Ее радиус называют гравитационным. Если все вещество Солнца уплотнить в сферу радиусом три километра, оно превратится в черную дыру.
Гравитационный радиус называют также горизонтом событий. Если за него, внутрь сферы, попадет какой-то объект, допустим, космический корабль или кусок звездной материи, то назад он уже не вернется. Огромные гравитационные силы затянут его в черную дыру и там разорвут на элементарные частицы.
Из черной дыры атомы попадают в белую дыру и мгновенно вылетают из нее, но уже в другой Вселенной. Причем вылетают из будущего в прошлое. Белая дыра — это обращенная во времени черная дыра.
Белые дыры нестабильны. По мере образования в них материи гравитационные силы растут и в какой-то момент схлопывают объект, превращая его в черную дыру.
Возможно, все белые дыры, образовавшиеся сразу после Большого Взрыва, теперь в буквальном смысле мертвы, поэтому мы их не видим.
Где искать белые дыры?
На роль белых дыр примерялись квазары — ярчайшие космические объекты в космосе и активные ядра галактик. Ученые Алон Реттер и Шломо Хеллер предположили, что белые дыры совершенно спонтанно рождаются в космосе и, выбросив разом всю материю, погибают.
Их нельзя рассматривать как космические тела, скорее, это «окна» во Вселенной, живущие всего несколько минут. Предсказать время и место рождения белых дыр невозможно.
Больше всего на роль таких спонтанных окон, по мнению Реттера и Хеллера, подходят гамма-всплески, представляющие собой сильнейшие взрывы с излучением высокоэнергетичных частиц, которое длится две секунды и больше. Их следы наблюдают в разных областях Вселенной за многие миллиарды световых лет от нас. Случись гамма-всплеск рядом, жизнь на Земле была бы быстро уничтожена.
Какие события можно связать с белыми дырами?
Израильские астрономы Алон Реттер и Шломо Хеллер предполагают, что аномальный гамма-всплеск GRB 060614, который произошёл в 2006 году, был белой дырой. Алон Реттер считает, что белые дыры, возникнув, сразу распадаются, процесс напоминает Большой Взрыв Реттер с коллегами назвали его «Малый Взрыв».
GRB 060614 — гамма-всплеск, обнаруженный 14 июня 2006 года орбитальной обсерваторией Swift. Необычные свойства этого всплеска поставили под сомнение сложившийся к тому моменту научный консенсус относительно предшественников гамма-всплесков и чёрных дыр.
Все обнаруженные ранее гамма-всплески делились на две категории: длинные (более 2 секунд) и короткие. Предполагаемым источником длинных всплесков являются очень удаленные от Земли массивные звезды в момент коллапсирования в черную дыру. Такой механизм образования гамма-всплеска предполагает, что за ним должна последовать вспышка сверхновой.
Возможными источниками коротких всплесков назывались слияние двух нейтронных звезд с образованием черной дыры, слияние нейтронной звезды и черной дыры, или слияние двух черных дыр. Кроме длительности всплеска, категории также различаются средней энергией (частотой) гамма-квантов, у коротких всплесков она значительно выше.
GRB 060614 не вписывался в имевшуюся картину наблюдений. Длительность гамма-всплеска составила 102 секунды, рентгеновское послесвечение длилось более недели. Он был зафиксирован в галактике в созвездии Индейца, удаленной на 1,6 миллиарда световых лет от Земли. Временная протяженность GRB 060614 свидетельствовала о его принадлежности к категории длинных всплесков.
Доминирующая теория длинных всплесков предсказывала обнаружение массивной сверхновой при оптических наблюдениях. Однако ни одна из обсерваторий, наблюдавших этот регион неба, не обнаружила ни сверхновой, ни спектральных подписей атомов никеля-56, которые должны образовываться при коллапсировании звезды.
Родительская галактика источника GRB 060614 невелика (около одной сотой веса Млечного Пути) и содержит крайне мало звезд, которые могли бы стать сверхновой или источником длинного всплеска.
В то же время GRB 060614 согласно данным наблюдений можно разделить на две части: первоначальный импульс длительностью менее 5 секунд из высокоэнергетичных гамма-квантов и последующий поток протяжённостью почти 100 секунд из гамма-квантов с меньшей энергией. Уже имевшиеся на тот момент наблюдения коротких всплесков с подобной картиной излучения могли бы дать повод причислить GRB 060614 к тому же классу, однако он был примерно в 8 раз мощнее.
Позиция ученых по белыми дырам
Еще никому не удавалось засечь белую дыру, пока что она является лишь теорией, которая кажется достаточно яркой и интересной. Сторонники этой теории считают, что их тяжело найти, потому что они находится в зонах, где нет никакого космического вещества, так как оно способно разрушить белую дыру. Один атом может сделать такой объект неустойчивым и он взорвется.
На сегодня неизвестны физические объекты, которые можно достоверно считать белыми дырами, также неизвестны теоретические механизмы их образования помимо реликтового — сразу после Большого взрыва, а также нет предпосылок по методам их поиска (в отличие от черных дыр, которые должны находиться, например, в центрах крупных спиральных галактик).
Источник
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