Белая дыра

Зеркальное отражение чёрной дыры: как её можно создать и как она выглядела бы

Гипотеза: физика допускает это на бумаге, но никто этого не видел. Всё показано по теории в её нынешнем виде.

Шаг за шагом

Чёрная дыра, прокрученная назад

Уравнения общей теории относительности работают одинаково, в какую бы сторону ни шло время. Прокрутите историю чёрной дыры назад — и получится белая дыра: нечто, куда ничто не может войти и что выбрасывает вещество.

Чёрная дыра — место, откуда ничто, даже свет, не может выйти. Уравнениям Эйнштейна всё равно, в какую сторону идёт время, поэтому у них есть зеркальное решение: белая дыра, из которой всё выходит и в которую ничто не может попасть. Игорь Новиков предположил в 1964 году, что такие объекты действительно могут существовать.

Издали обе выглядят одинаково. Тяготение снаружи белой дыры такое же, как снаружи чёрной дыры той же массы, поэтому свет изгибается вокруг неё так же, и планеты обращались бы вокруг неё так же. Разница у края: у горизонта чёрной дыры всё входит, у горизонта белой всё выходит.

Белую дыру никогда не находили. Всё здесь — теория: на картинке чёрная дыра в десять Солнц, 59 км в поперечнике, а дальше — то, что уравнения говорят о её зеркальном отражении.

Одна карта, четыре области

Полное решение уравнений Эйнштейна для одинокой чёрной дыры содержит четыре области: нашу вселенную, чёрную дыру, белую дыру и другую вселенную. Белая дыра в прошлом, чёрная дыра в будущем.

В 1960 году Крускал и Секереш нашли полную карту пространства вокруг чёрной дыры. Нарисованная как диаграмма, на которой свет всегда идёт под углом 45 градусов, она — квадрат, разрезанный двумя диагоналями на четыре треугольника. Наша вселенная справа, а время идёт вверх.

Всё, что падает из нашей вселенной, переходит в область сверху — чёрную дыру. Всё, что когда-либо вышло из белой дыры, вышло из области снизу, в прошлом. Ничто из нашей вселенной не может попасть в белую дыру, потому что это значило бы идти назад во времени.

У чёрной дыры, созданной коллапсирующей звездой, нет области белой дыры: поверхность звезды разрезает карту, и белой дыры и второй вселенной там никогда нет. Поэтому белой дыре нужна своя история о том, как она могла бы возникнуть.

Как её можно создать

Ничто известное её не создаёт. Одна идея: коллапсирующая звезда достигает самого плотного состояния, какое допускает квантовая гравитация, отскакивает, и чёрная дыра превращается в белую. Отскок нарисован.

Теория Эйнштейна говорит, что вещество в чёрной дыре коллапсирует в точку бесконечной плотности, в чём почти никто не верит. Петлевая квантовая гравитация, одна из попыток соединить гравитацию с квантовой физикой, говорит, что пространство нельзя сжать меньше наименьшего размера, поэтому коллапс останавливается и отскакивает: получается планковская звезда.

Другая идея старше. Новиков предположил в 1964 году, что некоторые области ранней вселенной отстали от расширения и вырвались поздно белыми дырами. Ровелли и Видотто утверждали в 2018 году, что крошечные остатки испарившихся чёрных дыр могут быть белыми дырами, составляющими часть тёмной материи. Ни одну не видели.

Последняя тысячная доля секунды

Когда звезда коллапсирует в чёрную дыру, её поверхность, если смотреть издали, ползёт к горизонту, краснеет и тускнеет в e раз каждую четверть миллисекунды, для десяти Солнц (Эймс и Торн, 1968). Назад это открывающаяся белая дыра: тёмный диск, затем тусклое красное свечение, которое разгорается и становится сине-белым.

Это точное решение — коллапс шара из пыли, прокрученный назад (Оппенгеймер и Снайдер, 1939). Поверхность звезды вышла бы из тени, сначала точно на горизонте, а затем всё выше и выше, пока вся тень не наполнится светом.

Так что тень остаётся чёрной недолго: свет, который был бы в ловушке, может выйти из белой дыры. Каждая часть этого шага нарисована по уравнениям. Никто не видел ничего подобного.

Она не может продержаться

В белую дыру ничто не может упасть, но всё рядом пытается. В 1974 году Эрдли показал, что свет, падающий к ней, накапливался бы у её края, набирал бы неограниченную энергию и превратил бы её в чёрную дыру.

Горизонт белой дыры можно только покинуть, но никогда не пересечь в обратную сторону. Но вещество и свет снаружи всё равно движутся к ней, притянутые её тяготением, и не могут попасть внутрь. Так что они скапливаются у горизонта, как машины перед закрытым шлагбаумом.

С точки зрения вещества, выходящего из белой дыры, эта толпа опоздавших сжимается и смещается в синюю сторону без предела. Дуглас Эрдли показал в 1974 году, что даже слабейшее падение несёт достаточно энергии, чтобы схлопнуть белую дыру в чёрную. В том же году Зельдович, Новиков и Старобинский нашли вторую неустойчивость, из-за квантовых эффектов.

Поэтому вечной белой дыры не ожидают: если бы одна образовалась, она жила бы недолго. Нарисованная здесь бледно-голубая оболочка изображает падающий свет; его нельзя увидеть.

Белая дыра, которую можно построить

Можно сделать белую дыру для волн. В 2011 году Вайнфуртнер и коллеги пустили волны против быстрого течения в водяном канале: там, где течение обгоняло их, они останавливались, как свет у края белой дыры.

Волны на воде идут со скоростью, зависящей от их длины. Пусть вода течёт быстрее над плавным бугром, и длинные волны, идущие против течения, замедляются, пока течение не сравняется с их скоростью. Там они не могут продолжать: край, который волны не могут пересечь, как горизонт белой дыры для света.

У этого края длинные волны превращаются в короткие — аналог того, что происходит со светом у белой дыры. Группа Зильке Вайнфуртнер измерила это в 2011 году (Physical Review Letters) и обнаружила, что превращение имело тепловой характер, какого ожидают от излучения Хокинга. Руссо и коллеги видели похожее превращение в баке в 2008 году.

Это не настоящая белая дыра: ни тяготения, ни света, только вода. Но математика та же, потому такие баки используют для проверки идей о чёрных и белых дырах. Волны и течение здесь нарисованы.

Был ли Большой взрыв белой дырой?

В самом большом масштабе Большой взрыв похож на белую дыру: выброс вещества из точки. Некоторые физики думают, что наша вселенная — внутренность чёрной дыры, которая отскочила. Отскок нарисован.

Внутренность коллапсирующего шара из пыли — замкнутая вселенная, прокрученная назад, как нашли Оппенгеймер и Снайдер в 1939 году. Прокрутите её вперёд — и шар станет расширяющейся вселенной, начинающейся из точки: Большим взрывом. Это одна и та же математика, каждая — зеркало другой.

В 1972 году Радж Патрия предположил, что наша вселенная может быть внутренностью чёрной дыры в большей вселенной. Никодем Поплавский предложил в 2010 году вариант, где спин и кручение останавливают коллапс внутри каждой чёрной дыры и заставляют её отскочить в новую расширяющуюся вселенную.

Это идеи, а не результаты. Ничто из того, что мы можем измерить, не отличает их от стандартного Большого взрыва, а настоящая вселенная расширяется во все стороны сразу, а не выбросом из одного места.

Видел ли кто-нибудь такую?

Нет. Некоторые идеи говорят, что крошечные белые дыры могут сейчас вспыхивать как быстрые радиовсплески или скрываться как тёмная материя, но ни один сигнал не связали ни с одной. Белая дыра остаётся в уравнениях.

Барро, Ровелли и Видотто предположили в 2014 году, что чёрная дыра, образовавшаяся в ранней вселенной, могла бы сегодня отскочить в белую дыру и выдать всплеск радиоволн. У быстрых радиовсплесков — миллисекундных вспышек неизвестного происхождения — длины волн недалеки от их оценки. Это догадка об их причине, без доказательств.

Ровелли и Видотто утверждали в 2018 году, что белые дыры планковского размера, остающиеся, когда крошечные чёрные дыры заканчивают испаряться, могут составлять часть тёмной материи. Такие объекты были бы слишком малы, чтобы увидеть их напрямую.

Так что белая дыра там, где и началась: зеркальное отражение в уравнениях, без наблюдения, которое бы в ней нуждалось, и с веской причиной, почему она может не продержаться. Баки показывают, что математика верна; делает ли природа хоть одну — по-прежнему открытый вопрос.