БЕЛАЯ ДЫРА: ИСТОРИЯ, ТЕОРИЯ И КАК ОНА ОБРАЗУЕТСЯ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2024

Белая дыра есть особенность пространства - время, принадлежащая к точным решениям уравнений общей теории относительности. Эти особенности имеют так называемый горизонт событий. Это означает наличие преграды, через которую в белую дыру снаружи ничто не может проникнуть. Теоретически белая дыра - это особенность, уходящая в прошлое.

На данный момент никто не наблюдал. Но возможно, что мы обязаны своим существованием самой особенной из всех: Большой взрыв 13,8 миллиарда лет назад можно рассматривать как событие, вызванное сверхмассивной белой дырой.

Большая масса, такая как планета, может исказить пространство-время. Источник: Mysid

Общая теория относительности считает, что пространство-время может быть деформировано под действием ускорения или присутствием массивных объектов. Это та же теория, которая предсказывала существование черных дыр, аналогами которых будут белые дыры. Поэтому их существование считается одинаково возможным.

Теперь, чтобы сформировать сингулярность пространства-времени, необходим некоторый физический механизм. В случае черных дыр причиной, как известно, является гравитационный коллапс сверхмассивной звезды.

Но физический механизм, который мог бы образовать сингулярность, подобную белой дыре, пока не известен. Хотя, конечно, появились кандидаты, чтобы объяснить свое возможное обучение, как это будет вскоре видно.

Различия между черными дырами и белыми дырами

Многие из известных черных дыр - это остатки сверхгигантской звезды, которая пережила внутренний коллапс.

Когда это происходит, гравитационные силы возрастают до такой степени, что ничто, что приближается, не сможет избежать его влияния, даже свет.

Поэтому черные дыры способны поглотить все, что в них попадает. Напротив, в белую дыру ничего не могло войти, все было бы отвергнуто или оттолкнуто от нее.

Возможно ли существование такого объекта? В конце концов, черные дыры долгое время оставались математическим решением уравнений поля Эйнштейна, пока они не были обнаружены благодаря гравитационным и радиационным эффектам, которые они вызывают в своем окружении, и недавно были сфотографированы.

Напротив, белые дыры все еще скрыты от космологов, если они действительно существуют.

История его открытия

Теория существования белых дыр началась с работ Карла Шварцшильда (1873-1916), немецкого физика, который первым нашел точное решение релятивистских уравнений поля Альберта Эйнштейна.

Для этого он разработал модель со сферической симметрией, решения которой имеют особенности, которые являются в точности черными дырами и их белыми аналогами.

Работа Шварцшильда не пользовалась особой популярностью, возможно, была опубликована во время Первой мировой войны. Двум физикам потребовалось несколько лет, чтобы заняться этим независимо в 1960-е годы.

В 1965 году математики Игорь Новиков и Юваль Нееман проанализировали решения Шварцшильда, но в другой системе координат.

В то время термин «белая дыра» еще не был придуман. Фактически, они были известны как «отстающие ядра» и считались нестабильными.

Однако, будучи аналогом черных дыр, исследователи попытались найти физический объект, природа которого была бы совместима с предсказанной для белых дыр.

Квазары и белые дыры

Исследователи полагали, что нашли его в квазарах, самых ярких объектах во Вселенной. Они испускают интенсивный поток излучения, который можно обнаружить с помощью радиотелескопов, как и должна быть белая дыра.

Однако в конечном итоге энергии квазаров было дано более реальное объяснение, связанное с черными дырами в центре галактик. Итак, белые дыры снова стали абстрактными математическими объектами.

Таким образом, несмотря на то, что они известны, белые дыры получили гораздо меньше внимания, чем черные дыры. Это связано не только с тем фактом, что они считаются нестабильными, что ставит под сомнение их фактическое существование, но и с тем, что нет разумной гипотезы об их возможном происхождении.

Напротив, черные дыры возникают в результате гравитационного коллапса звезд - физического явления, которое хорошо задокументировано.

Возможное обнаружение белой дыры

Исследователи убеждены, что они наконец-то обнаружили белую дыру в явлении под названием GRB 060614, которое произошло в 2006 году. Это явление было предложено как первое задокументированное появление белой дыры.

GRB 060614 - это гамма-всплеск, обнаруженный обсерваторией Свифт Нила Герелса 14 июня 2006 г. и обладающий специфическими свойствами. Это бросило вызов ранее существовавшему научному консенсусу относительно происхождения гамма-всплесков и черных дыр.

Большой взрыв, который, по мнению некоторых, был сверхмассивной белой дырой, мог, в свою очередь, быть результатом сверхмассивной черной дыры в центре неизвестной галактики, расположенной в нашей родительской вселенной.

Одна из трудностей при наблюдении за белой дырой состоит в том, что все вещество выталкивается из нее за один импульс. Таким образом, у белой дыры отсутствует необходимая непрерывность, чтобы ее можно было наблюдать, в то время как у черных дыр достаточно стойкости, чтобы ее можно было увидеть.

теория

Эйнштейн постулирует, что масса, время и длина тесно зависят от скорости системы отсчета, в которой они измеряются.

Кроме того, время рассматривается как еще одна переменная, имеющая такое же значение, как и пространственные переменные. Таким образом, о пространстве-времени говорят как о сущности, в которой происходят любые события и все события.

Материя взаимодействует с тканью пространства-времени и изменяет ее. Эйнштейн описывает, как это происходит, с помощью набора из 10 тензорных уравнений, известных как уравнения поля.

Некоторые важные понятия теории относительности

Тензоры - это математические объекты, которые позволяют рассматривать временную переменную на том же уровне, что и пространственные переменные. Хорошо известные векторы, такие как сила, скорость и ускорение, являются частью этого расширенного набора математических объектов.

Математический аспект уравнений Эйнштейна также включает в себя такие понятия, как метрика, то есть расстояние в пространстве и времени, разделяющее два бесконечно близких события.

Две точки в пространстве-времени являются частью кривой, называемой геодезической. Эти точки объединены пространственно-временным расстоянием. Такое представление пространства-времени наблюдается на следующем рисунке:

Форма конуса определяется скоростью света c, которая постоянна во всех системах отсчета. Все события должны проходить в конусах. Если есть события вне их, нет никакого способа узнать, потому что информация должна перемещаться быстрее света, чтобы ее можно было воспринять.

Полевые уравнения Эйнштейна допускают решение с двумя особенностями в пустой области (то есть без массы). Одна из этих особенностей - черная дыра, а другая - белая дыра. Для обоих существует горизонт событий, который представляет собой сферическую границу конечного радиуса, окружающую сингулярность.

В случае черных дыр ничто, даже свет, не может выйти из этой области. А в белых дырах горизонт событий - это преграда, через которую ничто не может проникнуть извне. Раствор черной дыры в вакууме находится в световом конусе будущего, а раствор для белой дыры находится в прошлой области светового конуса.

Решения уравнений Эйнштейна, которые включают реальную черную дыру, требуют наличия материи, и в этом случае решение, содержащее белую дыру, исчезает. Таким образом, делается вывод, что в качестве математического решения в теории сингулярных решений без материи белые дыры действительно существуют. Но это не тот случай, когда материя включается в уравнения Эйнштейна.

Как образуется белая дыра?

В 2014 году физик-теоретик Карло Ровелли и его команда из Университета Экс-Марсель во Франции предположили, что белые дыры могут возникнуть в результате смерти черной дыры.

Еще в 1970-х годах ведущий специалист по черным дырам Стивен Хокинг подсчитал, что черная дыра теряет массу из-за испускания излучения Хокинга.

Расчеты Ровелли и его команды показывают, что такое сокращение черной дыры с потерями радиации может на своей последней стадии вызвать отскок, который создаст белую дыру.

Но расчеты Ровелли также показывают, что в случае черной дыры с массой, равной массе Солнца, для образования белой дыры потребуется примерно в квадриллион раз больше нынешнего возраста Вселенной.

Белые дыры и темная материя

Спустя одну секунду после Большого взрыва флуктуации плотности в быстро расширяющейся Вселенной смогли произвести первичные черные дыры (без необходимости в коллапсе звезд).

Эти первичные черные дыры намного меньше, чем те, что имеют звездное происхождение, и могут испаряться, пока не умрут, уступив место белой дыре за время, включенное в жизнь Вселенной.

Микроскопические белые дыры могут быть очень массивными. Например, размер пылинки может быть больше массы Луны.

Команда Ровелли даже предполагает, что эти микроскопические белые дыры могут объяснить темную материю, еще одну из самых важных космологических загадок.

Микроскопические белые дыры не испускают излучения; и поскольку они меньше одной длины волны, они оказываются невидимыми. Это могло быть еще одной причиной, объясняющей, почему они до сих пор не обнаружены.

Ссылки

1. Баттерсби, С. 2010. Вечные черные дыры - это абсолютная космическая безопасность. Получено с: newscientist.com.
2. Чой, С. 2018. Белые дыры могут быть секретным ингредиентом таинственной темной материи. Получено с: space.com.
3. Фрейзер, С. 2015. Что такое белые дыры ?. Получено с: Phys.org.
4. Мастерс, Карен. 2015. Что такое белая дыра ?. Получено с curious.astro.cornell.edu
5. Wikiwand. Белая дыра. Получено с: wikiwand.com