ホワイトホール

ブラックホールの鏡像：どうすれば作れるか、そしてどう見えるか

仮説です。物理学の上では可能ですが、実際に見た人はいません。表示はすべて現在の理論に基づきます。

ステップごとに

ブラックホールの逆再生

一般相対性理論の方程式は、時間がどちらへ進んでも同じように働きます。ブラックホールの物語を逆再生すると、ホワイトホールになります。何も入れず、物質を外へ投げ出すものです。

ブラックホールは、何も、光さえも、抜け出せない場所です。アインシュタインの方程式は時間の向きを気にしないので、鏡像の解があります。ホワイトホールです。そこからは物が出てきますが、何も入れません。イーゴリ・ノヴィコフは1964年に、そうした天体が本当に存在するかもしれないと提案しました。

遠くから見ると、2つは似ています。ホワイトホールの外の重力は、同じ質量のブラックホールの外と同じなので、光はそのまわりで同じように曲がり、惑星は同じように周回するでしょう。違いは縁にあります。ブラックホールの地平面ではすべてが入り、ホワイトホールの地平面ではすべてが出ていきます。

ホワイトホールは一度も見つかっていません。ここにあるものはすべて理論です。絵は太陽10個分、直径59kmのブラックホールで、その先は、方程式がその鏡像について語ることです。

1枚の地図、4つの領域

孤立したブラックホールについてのアインシュタイン方程式の完全な解には、4つの領域があります。私たちの宇宙、ブラックホール、ホワイトホール、そして別の宇宙です。ホワイトホールは過去に、ブラックホールは未来にあります。

1960年にクルスカルとセケレスは、ブラックホールのまわりの空間の完全な地図を見つけました。光がつねに45度で進む図として描くと、2本の対角線で4つの三角形に分けられた正方形になります。私たちの宇宙は右にあり、時間は上へ進みます。

私たちの宇宙から落ちるものは、上の領域、ブラックホールへ入ります。ホワイトホールから出てきたものは、すべて下の領域、過去から出てきました。私たちの宇宙から何かがホワイトホールに入ることはできません。それは時間をさかのぼることになるからです。

崩壊する星が作るブラックホールには、ホワイトホールの領域がありません。星の表面が地図を切り、ホワイトホールと2つ目の宇宙はそこには決してありません。だからホワイトホールには、どうできるかという独自の物語が必要です。

どうすれば作れるか

知られているものでは作れません。ひとつの考え：崩壊する星が量子重力の許す最も密な状態に達して跳ね返り、ブラックホールがホワイトホールになる。跳ね返りは描いたものです。

アインシュタインの理論は、ブラックホールの中の物質は密度が無限大の1点に崩壊すると言いますが、それをほとんど誰も信じていません。重力と量子物理を結びつける試みのひとつ、ループ量子重力は、空間は最小の大きさより小さく押しつぶせないと言うので、崩壊は止まって跳ね返ります。プランク星です。

もうひとつの考えはもっと古いものです。ノヴィコフは1964年に、初期宇宙の一部の領域が膨張に遅れ、遅れてホワイトホールとして噴き出したかもしれないと提案しました。ロヴェッリとヴィドットは2018年に、蒸発したブラックホールの小さな名残がホワイトホールで、ダークマターの一部をなすかもしれないと論じました。どちらも見つかっていません。

最後の1000分の1秒

星がブラックホールへ崩壊するとき、その表面は、遠くから見ると、地平面へ向かって這い、赤くなり、太陽10個分では4分の1ミリ秒ごとにe分の1ずつ暗くなります（エイムズとソーン、1968年）。逆再生すれば、開いていくホワイトホールです。暗い円盤、次いで、明るさを増して青白くなる淡い赤い輝き。

これは厳密な解で、塵の球の崩壊の逆再生です（オッペンハイマーとスナイダー、1939年）。星の表面は影から出てきて、最初はちょうど地平面に、次第に高く上がり、影全体が光で満たされるまで続きます。

だから影は長くは黒くありません。閉じ込められるはずの光がホワイトホールからは出られるのです。この段階のすべては方程式から描いたものです。こんなものを見た人はいません。

長くは続かない

ホワイトホールには何も落ちられませんが、近くのあらゆるものが試みます。1974年にアードリーは、それに向かって落ちる光がその縁にたまり、限りないエネルギーを得て、それをブラックホールに変えることを示しました。

ホワイトホールの地平面は、出ることはできても、逆向きに越えることは決してできません。しかし外の物質と光は、その重力に引かれてそれに向かって動き、入れません。そのため地平面に集まります。閉じた門の前の車の列のように。

ホワイトホールから出てくる物質から見ると、この遅れてきたものたちの群れは押しつぶされ、限りなく青方偏移します。ダグラス・アードリーは1974年に、最もかすかな降着でも、ホワイトホールをブラックホールに崩壊させるだけのエネルギーを運ぶことを示しました。同じ年、ゼルドヴィッチ、ノヴィコフ、スタロビンスキーは、量子効果による2つ目の不安定性を見つけました。

だから永遠のホワイトホールは期待されていません。もしできても短命でしょう。ここに描いた淡い青の殻は落ちる光を表しています。見ることはできません。

自分で作れるホワイトホール

波のためのホワイトホールなら作れます。2011年にワインフルトナーたちは水路で速い流れに逆らって波を送りました。流れが追い越すところで波は止まりました。ホワイトホールの縁での光のように。

水の波は、長さによって決まる速さで進みます。滑らかな盛り上がりの上で水を速く流すと、流れをさかのぼる長い波は、流れが波の速さに等しくなるまで遅くなります。そこで先へは進めません。波が越えられない縁、光にとってのホワイトホールの地平面のようなものです。

その縁で長い波は短い波に変わります。ホワイトホールで光に起こることの類似です。ジルケ・ワインフルトナーのチームは2011年にそれを測り（フィジカル・レビュー・レターズ）、変換がホーキング放射に予想される熱的な性質を持つことを見つけました。ルソーらは2008年に水槽で似た変換を見ていました。

本物のホワイトホールではありません。重力も光もなく、水だけです。しかし数学は同じなので、こうした水槽はブラックホールやホワイトホールについての考えを試すのに使われます。ここの波と流れは描いたものです。

ビッグバンはホワイトホールだったのか？

最も大きなスケールでは、ビッグバンはホワイトホールのように見えます。1点から物質が噴き出すのです。一部の物理学者は、私たちの宇宙は跳ね返ったブラックホールの内部だと考えています。跳ね返りは描いたものです。

崩壊する塵の球の内部は、逆再生された閉じた宇宙です。オッペンハイマーとスナイダーが1939年に見つけたとおりです。代わりに順再生すると、球は1点から始まって膨張する宇宙、ビッグバンです。2つは同じ数学で、互いの鏡像です。

1972年にラージ・パスリアは、私たちの宇宙がより大きな宇宙にあるブラックホールの内部かもしれないと示唆しました。ニコデム・ポプワフスキは2010年に、スピンとねじれがすべてのブラックホールの内部で崩壊を止め、新しい膨張する宇宙へ跳ね返らせるというバージョンを提案しました。

これらは考えであって、結果ではありません。測れるものの中に、標準的なビッグバンと区別できるものはなく、実際の宇宙は1か所からの噴出ではなく、あらゆるところで同時に膨張しています。

誰か見たことがありますか？

いいえ。極小のホワイトホールが今、高速電波バーストとして瞬いているかもしれない、あるいはダークマターとして隠れているかもしれないという考えはありますが、どの信号もそのひとつに結びつけられてはいません。ホワイトホールは方程式の中にとどまっています。

バロー、ロヴェッリ、ヴィドットは2014年に、初期宇宙でできたブラックホールが今日ホワイトホールに跳ね返り、電波のバーストを出すかもしれないと示唆しました。起源不明のミリ秒の閃光である高速電波バーストは、彼らの見積もりからそう遠くない波長を持っています。これは原因についての推測で、裏づける証拠はありません。

ロヴェッリとヴィドットは2018年に、極小のブラックホールが蒸発し終えたあとに残るプランクサイズのホワイトホールが、ダークマターの一部をなすかもしれないと論じました。そうした天体は小さすぎて直接は見えません。

だからホワイトホールは始まりの場所にいます。方程式の中の鏡像で、それを必要とする観測はなく、長続きしないかもしれない強い理由があります。水槽は数学が正しいことを示します。自然がひとつでも作るかどうかは、まだ開かれています。