Могут ли черные дыры превратиться в белые дыры? Ученые говорят, что это не такая уж безумная идея

Новое исследование предполагает, что черные дыры, возникшие во время Большого взрыва, могут жить гораздо дольше, чем считалось ранее. На самом деле, эти крошечные прародительские черные дыры могут существовать достаточно долго, чтобы стать белыми дырами, излучающими энергию, с массой человеческого волоса.

Предполагается, что прародительские черные дыры образовались в результате флуктуаций в невероятно горячей и плотной материи, заполнившей вселенную в моменты после Большого взрыва. Это контрастирует с черными дырами звездной массы или "астрофизическими" черными дырами, которые нам знакомы, возникающими в результате коллапса массивных звезд. Прародительские черные дыры остаются невыявленными и, следовательно, гипотетическими.

Многие ученые считают, что неудача в обнаружении астрофизических черных дыр объясняется тем, что они испарились и, следовательно, больше не существуют в 13,8 миллиардах лет старой космосе. Это возможно, поскольку предполагается, что черные дыры "протекают" типом теплового излучения, называемым "излучением Хокинга", предложенным Стивеном Хокингом в 1970-х годах. Чем меньше масса черной дыры, тем горячее она, и, следовательно, тем быстрее она теряет излучение Хокинга и тем быстрее испаряется, процесс, который, как предполагается, заканчивается взрывным финалом.

Черные дыры звездной массы, с массой до сотен солнечных масс, массивны и достаточно холодны, чтобы испаряться медленно, переживая саму вселенную много раз; прародительские черные дыры с массами, значительно меньшими, с другой стороны, не так удачливы — или так мы думали. Исследователь из Колледжа наук Эберли Даниэль Параизо и его коллеги предполагают, что есть способ, с помощью которого прародительские черные дыры с именно такой массой могут пережить этот процесс и претерпеть поразительное превращение.

"Мы обнаружили, что срок жизни черных дыр гораздо длиннее, чем считалось ранее," — сказал Параизо в интервью Space.com. "Феномены, которые мы идентифицируем, имеют отношение к черным дырам, возможно, образовавшимся в ранней вселенной. Эти объекты еще не были наблюдаемы, но их поиск является темой интенсивного интереса как кандидатов на темную материю. Черные дыры начинают умирать, испуская тепловое излучение Хокинга. Загадка заключается в том, что происходит, когда они достигают массы Планка, которая составляет около 20 микрограммов."

Черная дыра размером с яичко блохи

Масса Планка, составляющая около 0.000000022 килограмма, является фундаментальной единицей массы в физике, которая считается увлекательной, поскольку это точка, в которой правила, управляющие субатомными частицами и квантовой физикой, а также те, которые управляют гравитацией и общей теорией относительности в целом, становятся одинаково важными. Физики считают это верхним пределом для массы любой отдельной элементарной частицы, при этом любая частица выше этого предела коллапсирует, создавая микроскопическую черную дыру.

В повседневных терминах масса Планка примерно эквивалентна человеческому волосу или яичку блохи, которое весит примерно одну пятидесятитысячную от веса желейной конфеты.

Параизо объяснил, что как только прародительская черная дыра испарилась до массы Планка, став так называемой планковской черной дырой, есть несколько предложенных судьб, которые она может встретить. Это включает исчезновение внешней границы, которая определяет, что такое черная дыра, известной как горизонт событий. "Механизм, который мы изучаем для смерти этой черной дыры размером с Планк, — это постепенное исчезновение горизонта, который ловит излучение," — сказал Параизо.

Команда провела математические расчеты, которые показали, что прародительская черная дыра, образованная с начальной массой среднего астероида, около 1 миллиарда тонн, распадается примерно за миллиард лет и излучает тепловое излучение Хокинга, пока не достигнет массы Планка. Однако прародительская черная дыра, рожденная с массой всего 1 тонну, немедленно взорвется, мгновенно достигнув массы Планка. То, что происходит дальше, отличает результаты команды от предыдущих исследований. "Именно тогда наши результаты предсказывают что-то новое: предыдущие аргументы указывали на то, что оставшиеся 20 микрограммов излучаются за как минимум 1 секунду; наша оценка показывает, что эти остатки в 20 микрограммов практически стабильны," — объясняет Параизо. "Как только черная дыра достигает порога в 20 микрограммов, мы обнаруживаем, что она начинает излучать очищающее излучение [названное так, потому что считается, что оно 'очищает' квантовое состояние вселенной] из-за поведения, характерного для белой дыры.

"Таким образом, хотя мы еще не знаем физику рядом с белой дырой, мы идентифицируем объект, который имеет точно такие же свойства издалека."

Белые дыры — это еще одна гипотетическая сущность в физике, предполагаемая как "черная дыра с обратным временем", которая, вместо того чтобы ловить материю и радиацию внутри себя, как это делают черные дыры, бесконечно отталкивает материю и радиацию.

Любые дальнейшие предсказания о судьбе этих прародительских черных дыр, принимающих вид белой дыры, потребуют теории, которая объединяет общую теорию относительности и квантовую механику, известной как "квантовая гравитация", которая ускользает от физиков с начала 20 века.

"Простые физические предположения о физике вдали от черной дыры могут рассказать нам много о их сроке жизни и о их переходе в стабильную фазу, которая выглядит как белая дыра в 20 микрограммов," — сказал Параизо. "Тот факт, что мы можем вывести эти свойства, используя только минимальные компоненты из квантовой гравитации, замечателен."

Предварительная версия исследования команды доступна на сайте репозитория исследований arXiv.