Czy białe dziury istnieją w kosmosie: czym różnią się od czarnych dziur i co na to naukowcy?

Nawet dzieci w wieku szkolnym wiedzą o istnieniu czarnych dziur w kosmosie. Te supermasywne obiekty są jedną z największych tajemnic Wszechświata. Naukowcy sugerują jednak, że w przestrzeni międzygwiezdnej mogą istnieć ich antypody - białe dziury.

Space.com poinformował o tych teoretycznych kosmicznych regionach. Uważa się, że mogą one działać w odwrotny sposób. Jeśli nic nie może opuścić czarnej dziury, podobnie nic nie może dostać się do białej dziury.

Czym jest biała dziura?

Przez długi czas uważano, że białe dziury są wymysłem ogólnej teorii względności, generowanym przez te same równania co czarne dziury. Ostatnio jednak fizycy teoretyczni zaczęli zastanawiać się, czy te bliźniacze wiry czasoprzestrzeni mogą być dwiema stronami tego samego medalu.

Dla załogi obserwującej z daleka ze statku kosmicznego, biała dziura wygląda tak samo jak czarna dziura. Jest masywna i może się obracać. Wokół horyzontu zdarzeń może gromadzić się pierścień pyłu i gazu. Ale tylko przy białej dziurze można zaobserwować obiekt, który ją odrzuca. I tylko w tym momencie można teoretycznie zdać sobie sprawę, że jest to biała dziura, a nie czarna dziura.

Fizycy opisują białą dziurę jako "odwrócenie czasu" czarnej dziury. Mniej więcej tak, jak odbijająca się piłka jest odwróceniem czasu spadającej piłki. Podczas gdy horyzont zdarzeń czarnej dziury jest granicą, z której nie ma powrotu, horyzont zdarzeń białej dziury jest najbardziej nieprzeniknioną granicą we wszechświecie.

Obiekty znajdujące się wewnątrz białej dziury mogą z niej wychodzić i wchodzić w interakcje ze światem zewnętrznym. Ale ponieważ nic nie może dostać się do środka, jej wnętrze jest odcięte od przeszłości wszechświata: żadne zewnętrzne wydarzenie nigdy nie wpłynie na jej wnętrze.

Równanie Einsteina, które wywróciło kosmos do góry nogami.

Równanie pola Einsteina zrewolucjonizowało fizykę w 1915 roku, a naukowcy wciąż zmagają się z rzeczywistością wszechświata, którą pomogło wyprowadzić. Oprócz opisania siły grawitacji, hipotezy wybitnego fizyka zasadniczo zmieniły również paradygmat koncepcji natury rzeczywistości. Przestrzeń i czas zaczęły być przedstawiane jako ciało stałe, które mogło się zginać i składać razem z masą gwiazd i planet. Naukowcy zaczęli odkrywać, jakie właściwości mogą mieć podobne procesy.

W ciągu roku fizyk i astronom Karl Schwarzschild znalazł pierwsze dokładne rozwiązanie równań Einsteina, obliczając, jak czasoprzestrzeń zakrzywia się wokół pojedynczej kuli masy. Jego odpowiedź stanowiła podstawę tego, co fizycy nazywają dziś osobliwością - kulistą masą ściśniętą do nieskończenie gęstego punktu tak ściśle otaczającego przestrzeń, że region ten jest oddzielony od reszty wszechświata. W ten sposób pojawia się obiekt, którego horyzont zdarzeń przerywa związek między przyczyną a skutkiem.

Najbardziej znanym przykładem osobliwości są czarne dziury. Są to obszary przestrzeni tak wypaczone, że nie ma z nich wyjścia. Zewnętrzny wszechświat może wpływać na wewnętrzną część horyzontu czarnej dziury, ale wewnętrzna część nie może wpływać na zewnętrzną. Ostateczne zrozumienie natury takich obiektów zajęło 40 lat. Badania nad nimi trwają do dziś. I, oczywiście, są dalekie od zakończenia.

Jak działa biała dziura

Jak wyjaśnił astrofizyk, specjalista w dziedzinie soczewkowania grawitacyjnego Geraint Lewis (Uniwersytet w Sydney), w uproszczeniu biała dziura jest odwrotnością czarnej dziury. Obliczenia Schwarzschilda wykazały, że w ogólnej teorii względności nie ma nic, co dyktowałoby, w którym kierunku płynie czas. W zwykłym przepływie czasu widzimy rzeczy spadające w nieskończoność do czarnej dziury. Ale jeśli wybierzemy przeciwny kierunek przepływu czasu, efekt również się odwróci. Tak więc oprócz czarnej dziury, matematyka Schwarzschilda daje nam również białą dziurę, po prostu odwracając sposób działania czasu.

Czym białe dziury różnią się od czarnych dziur?

Czarna dziura ma potężne pole grawitacyjne, które przyciąga rzeczy. Otacza ją jednostronna membrana zwana horyzontem zdarzeń. Wszystko, co znajdzie się poza nią, nie może się wydostać - jest uwięzione w pułapce nie do pokonania. Grawitacja więzi obiekt, a jego przyszłość od tego momentu kończy się w centrum czarnej dziury, której nie da się zmienić bez względu na to, co zrobisz.

Biała dziura reprezentuje odwrotność tego. Można ją opisać jako antygrawitację bez końca wyrzucającą materię. Posiada również horyzont zdarzeń, przez który przechodzą rzeczy z jej wnętrza i są wyrzucane do wszechświata. Nie można dostać się do wnętrza tego obiektu. Tak więc w przypadku czarnej dziury można wejść do środka, ale nie na zewnątrz, a w przypadku białej dziury można wyjść na zewnątrz, ale nie do środka.

Czy istnieją dowody na istnienie białych dziur?

Nie ma faktycznych dowodów na istnienie takich obiektów w kosmosie - pozostają one modelami teoretycznymi. Jak wyjaśnia Lewis, może tak być, ponieważ jesteśmy w stanie dostrzec tylko jeden kierunek podróży w czasie - z przeszłości do przyszłości. Oznacza to, że możemy mieć rozwiązanie tylko dla czarnych dziur.

Niektórzy naukowcy sugerują, że dzieje się tak, ponieważ wszechświat jest asymetryczny, widzimy początek Wielkiego Wybuchu i mamy przed sobą nieskończoną przyszłość. Matematycznie istnienie białej dziury jest możliwe, ale asymetria wszechświata, który porusza się w jedną stronę na osi czasu, oznacza, że nie są one fizycznie realizowane.

Jak wykryć białą dziurę?

Taki obiekt jest wyobrażany jako miejsce, z którego materia jest wyrzucana z dużą energią. Naukowcy tacy jak Roger Penrose (Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2020 r.) sugerują, że biała dziura jest wyjściem dla czarnej dziury do innego wszechświata. Zatem materia, która wpadnie do czarnej dziury w jednym wszechświecie, zostanie wyrzucona do innego wszechświata przez białą dziurę.

Lewis jest jednak przekonany, że takie obiekty nie istnieją we wszechświecie. Jak dotąd fizycy nie mają pojęcia, w jaki sposób mogą one powstawać. Czarna dziura powstaje więc w wyniku zapadnięcia się gwiazdy. Jednak odtworzenie tego procesu wstecz w czasie nie ma fizycznego sensu. Horyzont zdarzeń zmieniający się w funkcjonującą gwiazdę byłby trochę jak jajko stające się ponownie jajkiem - naruszeniem prawa statystycznego, które wymaga, aby wszechświat z czasem stawał się coraz bardziej nieuporządkowany.

A nawet gdyby białe dziury powstały, prawdopodobnie nie mogłyby istnieć długo. Jakakolwiek materia pochodząca z takiego obiektu zderzyłaby się z materią na orbicie, a system stałby się czarną dziurą.

Dlaczego białe dziury mogą istnieć

Odkąd Stephen Hawking w latach 70. zdał sobie sprawę, że czarne dziury emitują energię, fizycy spierają się o to, w jaki sposób te byty mogą przestać istnieć. Jeśli czarna dziura "wyparuje", co stanie się z wewnętrznym zapisem wszystkiego, co pochłonęła? Ogólna teoria względności nie pomija informacji, podczas gdy mechanika kwantowa zabrania ich usuwania.

Carlo Rovelli, fizyk teoretyczny z Centrum Fizyki Teoretycznej we Francji, wyjaśnia to w ten sposób: "Jak umiera czarna dziura? Nie wiemy. Jak rodzi się biała dziura? Być może biała dziura jest śmiercią czarnej dziury". Te dwa pytania idealnie do siebie pasują, ale przechodząc od jednego do drugiego, trzeba naruszyć równanie ogólnej teorii względności".

Rovelli jest twórcą teorii kwantowej grawitacji pętlowej, niedokończonej próby wyjścia poza ogólną teorię względności poprzez opisanie samej przestrzeni jako zbudowanej z cząstek w stylu Lego. Kierując się narzędziami tego schematu, on i inni opisują scenariusz, w którym czarna dziura staje się tak mała, że nie przestrzega już zasad gwiezdnej egzystencji. Na poziomie cząstek w grę wchodzi kwantowa losowość, a czarna dziura może przekształcić się w białą dziurę.

Według Hala Haggarda, fizyka teoretycznego z Bard College w Nowym Jorku, taka biała dziura wielkości mikrograma o masie przypominającej ludzki włos nie miałaby nic wspólnego z grawitacyjnym dramatem swojego przodka, czarnej dziury. Mogłaby jednak skrywać przepastne wnętrze zawierające informacje o wszystkim, co wchłonęła w swoim poprzednim życiu. Zbyt mała, by przyciągnąć wirującą wokół niej materię, biała dziura może pozostać na tyle stabilna, by ostatecznie przekazać wszystkie informacje zgromadzone przez jej poprzedniczkę. W takim obrazie wszechświata to właśnie białe dziury zaczną kiedyś dominować w czasoprzestrzeni, gdy wszystkie czarne dziury "wyparują".

Model białej dziury

Fizycy sugerują również, że efekty białej dziury mogą istnieć wszędzie. Tak więc Wielki Wybuch, który zapoczątkował nasz wszechświat, wygląda jak potencjalne zachowanie białej dziury. "Geometria w obu przypadkach jest bardzo podobna. Nawet tak bardzo, że czasami są matematycznie identyczne" - wyjaśnił Haggard.

Kosmolodzy nazywają ten wzór "Wielkim Odbiciem", a niektórzy szukają charakterystycznych cech białej dziury we wczesnym świetle wszechświata, które wciąż można zaobserwować. Rovelli zastanawia się również, czy potężne wybuchy radiowe nie stanowią echa teoretycznych mini-czarnych dziur, które pozostały po Wielkim Wybuchu, gdy wcześnie przekształciły się w białe dziury (choć to wyjaśnienie wydaje się coraz mniej prawdopodobne).

Wszechświat może nie przyjmować wszystkich form dozwolonych przez ogólną teorię względności, ale Haggard uważa, że fizycy powinni zbadać tę króliczą norę w pełni. "Dlaczego nie zbadać, czy mają one [białe dziury] interesujące konsekwencje. Konsekwencje te mogą nie być tym, czego można by się spodziewać, ale ignorowanie ich byłoby lekkomyślne" - mówi.

Wcześniej OBOZREVATEL informował o tajemniczych sygnałach radiowych z odległych galaktyk, które okazały się echem potężnych eksplozji.

Subskrybuj kanały OBOZREVATEL w Telegram, Viber i Threads, aby być na bieżąco z najnowszymi wydarzeniami.