Що по той бік чорної діри, і чому Всесвіт — це великий друшляк

Фізичні особливості всіх чорних дір були передбачені теорією загальної відносності Ейнштейна і добре описуються нею. Усе, що наука встигла дізнатися про чорні діри, чудово узгоджується з теорією Ейнштейна. Але є два ключові питання, на які теорія не відповідає, пише Science Focus.

• По-перше, невідомо, що відбувається, коли матерія потрапляє в чорну діру, куди вона прямує далі?
• По-друге, як закінчують своє життя чорні діри?

Стівен Гокінг припускав, що чорні діри виснажуються, випускаючи гаряче випромінювання, яке зараз називають випромінюванням Гокінга.

У процесі цього чорна діра стає все меншою і меншою, поки не перетвориться зовсім на крихітну. Але що з нею відбувається далі?

Далі все стає ще складнішим, оскільки обидва ці питання пов'язані з квантовими аспектами простору-часу. Тобто вони обидва пов'язані з квантовою гравітацією. А в нас поки що немає розвиненої теорії квантової гравітації.

Спробувати можна

Попри це, є попередні теорії, які не можуть вважатися загальноприйнятими, оскільки поки що не були підкріплені експериментами та спостереженнями.

Щоправда, вони досить масштабні, щоб дати попередні відповіді на два важливих запитання.

Мабуть, найдокладнішою і найрозвиненішою теорією квантового простору-часу є петльова квантова гравітація, або LQG — попередня теорія квантової гравітації, що неухильно розвивається з кінця 1980-х років.

Завдяки цій теорії з'явилася цікава відповідь на ці питання. Ця відповідь дає такий сценарій. Внутрішня частина чорної діри еволюціонує, доки не досягає фази, в якій починають переважати квантові ефекти.

Це створює потужну відштовхувальну силу, яка змінює динаміку внутрішньої частини колапсуючої чорної діри, змушуючи її "відскочити" назад. Після цієї квантової фази, описуваної LQG, просторовий час усередині діри знову підпорядковується теорії Ейнштейна, тільки тепер чорна діра розширюється, а не стискається.

Можливість існування діри, що розширюється, справді передбачена теорією Ейнштейна, так само, як були передбачені чорні діри. Така можливість настільки давно розглядається вченими, що вони навіть придумали для неї назву: "біла діра".

Усе те саме, але навпаки

Білу діру, певною мірою, можна вважати зворотним боком чорної діри.

Біла діра — це просторово-часова структура, схожа на чорну діру, але зі зворотним плином часу. У чорній дірі все падає всередину, а в білій дірі все рухається назовні. Ніщо не може вийти з чорної діри і точно так само ніщо не може увійти в білу діру.

Якщо дивитися збоку, то виходить, що наприкінці свого випаровування чорна діра, яка тепер стала крихітною, бо випарувала більшу частину своєї маси, перетворюється на крихітну білу діру. LQG вказує на те, що такі структури стають дуже стабільними завдяки квантовим ефектам, тому вони можуть жити довгий час.

Білі діри іноді називають "залишками", тому що це те, що залишається після випаровування чорної діри. Вчені припускають, що цей залишок може мати масу частки мікрограма: приблизно як маса людської волосини.

Такий сценарій також відповідає на друге запитання. Наприкінці випаровування відбувається квантовий перехід чорної діри в довгоживучу крихітну білу діру. І матерія, що потрапила в чорну діру, може пізніше вийти з цієї білої діри.

Більша частина енергії матерії вже буде випромінена випромінюванням Гокінга. Але те, що виходить із білої діри — це не енергія матерії, що впала в неї, а залишкове низькоенергетичне випромінювання.

Багатообіцяльна можливість, яку відкриває цей сценарій, полягає в тому, що таємнича темна матерія, ефекти якої астрономи спостерігають у небі, насправді може бути повністю або частково утворена крихітними білими дірами, породженими стародавніми чорними дірами, що випарувалися. Вони могли утворитися на ранніх етапах розвитку Всесвіту, можливо, на етапі, що передував Великому вибуху, який, мабуть, також передбачається LQG.

Що далі

Але чи можемо ми знайти ці білі діри? Навряд чи вчені зможуть знайти їх за допомогою прямих спостережень, оскільки ці крихітні об'єкти можуть взаємодіяти з навколишнім простором і матерією тільки за допомогою гравітації, а вона буде занадто маленькою.

Не так-то просто виявити волосинку, використовуючи тільки її гравітаційне тяжіння. Але, можливо, з розвитком технологій це не залишиться неможливим. Уже запропоновано ідеї, як зробити це за допомогою детекторів, заснованих на квантових технологіях.

Якщо темна матерія складається із залишків білих дір, то, за простими підрахунками, кілька таких об'єктів можуть пролітати через простір розміром з велику кімнату щодня. Поки що ми повинні вивчати цей сценарій і його сумісність із тим, що ми знаємо про Всесвіт, чекаючи, коли технології допоможуть нам виявити ці об'єкти безпосередньо.