Черные дыры могут превращаться в белые: новая теория меняет представление о судьбе самых загадочных объектов Вселенной

Черные дыры считаются одними из самых экстремальных объектов во Вселенной. Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, все, что пересекает горизонт событий черной дыры, исчезает навсегда. Свет не может покинуть такую область пространства, а сама черная дыра способна существовать практически бесконечно долго. Однако квантовая физика уже несколько десятилетий показывает, что эта картина может быть неполной.

Новое исследование, опубликованное на сервере arXiv, предлагает необычный сценарий эволюции черных дыр. Согласно расчетам ученых, некоторые черные дыры могут не просто испаряться, а переходить в особое метастабильное состояние, напоминающее так называемые белые дыры — гипотетические объекты, которые не поглощают материю, а наоборот выбрасывают ее наружу.

Почему черные дыры не вечны

В классической физике черная дыра действительно должна существовать бесконечно долго. После формирования ее гравитация удерживает все вещество внутри горизонта событий, а выйти наружу не может даже свет.

Но в 1974 году Стивен Хокинг показал, что квантовые эффекты меняют ситуацию. Он доказал, что черные дыры способны медленно терять массу через процесс, получивший название излучение Хокинга.

Суть эффекта связана с квантовыми флуктуациями вакуума рядом с горизонтом событий. Вблизи черной дыры постоянно возникают виртуальные пары частиц. Иногда одна частица падает внутрь, а другая улетает в космос. Для внешнего наблюдателя это выглядит так, будто черная дыра испускает излучение и постепенно теряет энергию.

Со временем масса уменьшается, а скорость испарения растет. Чем меньше черная дыра, тем интенсивнее она излучает.

Время жизни черных дыр почти невообразимо

Хотя черные дыры не вечны, их жизнь чрезвычайно длинна. Хокинг подсчитал, что черная дыра массой как Солнце будет испаряться примерно 2 × 10^67 лет. Для сравнения: возраст Вселенной составляет около 13,8 миллиарда лет, то есть примерно 10^10 лет.

Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик могут существовать еще дольше — практически непредставимые интервалы времени.

Однако проблема заключается в том, что расчеты Хокинга являются полу-классическими. Они объединяют квантовую механику и общую теорию относительности лишь частично. Полноценной теории квантовой гравитации у современной физики пока нет.

Именно поэтому физики продолжают спорить о том, что происходит с черной дырой на финальных стадиях испарения.

Новая работа предлагает минимальное время жизни

Авторы нового исследования попытались вычислить минимально возможное время существования черной дыры с учетом более строгих квантовых ограничений.

Исследователи исходили из нескольких предположений:

• пространство-время на больших расстояниях остается полу-классическим;
• квантовые эффекты усиливаются около горизонта событий;
• энтропия запутанности со временем уменьшается;
• информационный парадокс должен решаться без нарушения фундаментальных законов физики.

В результате ученые получили относительно простую формулу минимального времени жизни черной дыры. Но гораздо интереснее оказался вывод о последних стадиях эволюции.

У черной дыры может быть три фазы существования

Согласно новой модели, эволюция черной дыры проходит через три этапа:

1. классическая фаза излучения Хокинга;
2. переходная стадия;
3. квантовая метастабильная фаза.

Именно последняя стадия вызывает наибольший интерес.

Исследователи предполагают, что в определенных условиях черная дыра может начать вести себя подобно белой дыре — гипотетическому объекту, являющемуся математической противоположностью черной дыры. Вместо поглощения вещества такая структура должна выбрасывать материю и энергию наружу.

Что такое белая дыра

Белые дыры пока никогда не наблюдались напрямую. Они возникают как математическое решение уравнений общей теории относительности.

Если черная дыра работает как область, из которой невозможно выбраться, то белая дыра должна вести себя противоположным образом: в нее невозможно попасть извне, зато вещество и энергия могут только выходить наружу.

Большинство физиков относятся к существованию белых дыр скептически. Проблема в том, что подобные объекты крайне нестабильны. Даже попадание одной частицы вещества теоретически должно разрушить такую структуру.

Тем не менее некоторые модели квантовой гравитации допускают, что черные дыры способны переходить в состояния, похожие на белые дыры.

Квантовая гравитация и «отскок» сингулярности

Одним из направлений, рассматривающих такую возможность, является петлевая квантовая гравитация. В этой модели пространство-время имеет дискретную структуру на планковских масштабах.

Согласно некоторым расчетам, сингулярность внутри черной дыры не становится бесконечно плотной. Вместо этого происходит квантовый «отскок». После длительного периода сжатия объект может перейти в состояние белой дыры.

Снаружи такой процесс может занять невероятно долгое время из-за экстремального замедления времени возле горизонта событий.

Для внешнего наблюдателя переход может длиться миллиарды, триллионы или даже значительно больше лет.

Особый интерес вызывают первичные черные дыры

Новая работа особенно важна для гипотетических первичных черных дыр. Это объекты, которые могли сформироваться вскоре после Большого взрыва, а не в результате гибели звезд.

Такие черные дыры могли иметь сравнительно небольшую массу, а значит испаряться значительно быстрее обычных звездных черных дыр.

Некоторые модели даже рассматривают первичные черные дыры как кандидатов на роль темной материи. Если часть из них перешла в метастабильное состояние, напоминающее белые дыры, это может влиять на эволюцию ранней Вселенной.

Проблема информационного парадокса

Исследование также связано с одной из крупнейших проблем современной физики — информационным парадоксом черных дыр.

Согласно квантовой механике, информация о состоянии системы не может исчезнуть бесследно. Но классическая модель черной дыры предполагает, что все упавшее вещество навсегда скрывается за горизонтом событий.

Если черная дыра полностью испаряется, возникает вопрос: куда исчезает информация?

Сценарий перехода в белую дыру может частично решить проблему. Информация теоретически способна возвращаться обратно во Вселенную на поздних стадиях эволюции объекта.

Пока белые дыры никто не обнаружил

Несмотря на математические модели, никаких убедительных наблюдений белых дыр пока не существует.

Астрономы обнаружили тысячи черных дыр разных типов:

• звездные;
• сверхмассивные;
• промежуточной массы;
• активно поглощающие вещество;
• спящие объекты в центрах галактик.

Но ни один объект пока нельзя уверенно назвать белой дырой.

Некоторые физики считают это серьезным аргументом против существования подобных структур. Если белые дыры действительно формируются, они могут быть либо крайне редкими, либо очень короткоживущими, либо выглядеть совсем не так, как ожидается.

Черные дыры остаются одной из главных загадок физики

Современная наука уже уверенно подтверждает существование черных дыр. Их наблюдают по движению звезд, рентгеновскому излучению, гравитационным волнам и изображениям горизонта событий, полученным телескопом Event Horizon Telescope.

Однако внутренняя структура черных дыр по-прежнему остается неизвестной. Внутри горизонта событий перестают работать привычные модели физики. Именно поэтому черные дыры считаются одной из главных лабораторий для поиска теории квантовой гравитации.

Новая работа не доказывает существование белых дыр, но показывает, что финальные стадии эволюции черных дыр могут быть значительно сложнее, чем предполагалось раньше.

Если подобные объекты действительно существуют, они могут изменить представление ученых о природе пространства-времени, происхождении информации и будущем Вселенной.

Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com