Чи можуть чорні діри перетворитися на білі діри? Це не така вже й божевільна ідея, кажуть вчені

Нові дослідження свідчать про те, що чорні діри, які виникли під час Великого вибуху, можуть існувати значно довше, ніж раніше оцінювалося. Насправді, ці крихітні прадавні чорні діри можуть жити достатньо довго, щоб перетворитися на білі діри, які викидають енергію, з масою людського волоска.

Прадавні чорні діри, як вважається, утворилися внаслідок коливань в надзвичайно гарячій та щільній матерії, що заповнювала всесвіт в моменти після Великого вибуху. Це на відміну від чорних дір з масою зірок або "астрономічних" чорних дір, які нам знайомі, що виникають внаслідок колапсу масивних зірок. Прадавні чорні діри залишаються непоміченими і, отже, є гіпотетичними.

Багато вчених вважають, що невдача в виявленні астрономічних чорних дір пов'язана з тим, що вони випарувалися і, отже, більше не існують у 13.8 мільярда років старому космосі. Це можливо, оскільки вважається, що чорні діри "протікають" типом теплового випромінювання, відомим як "випромінювання Хокінга", яке було запропоноване Стівеном Хокінгом у 1970-х роках. Чим менша маса чорної діри, тим гарячіша вона, і, отже, тим швидше вона випромінює випромінювання Хокінга і тим швидше випаровується, процес, який, як вважається, закінчується вибуховим фіналом.

Чорні діри з масою зірок, з масою до сотень сонячних мас, є масивними і досить холодними, щоб випромінювати повільно, щоб пережити сам всесвіт багато разів; прадавні чорні діри з масами, які значно менші за це, з іншого боку, не такі щасливі — або так ми думали. Дослідник з Коледжу наук Еберлі Даніель Параїзо та його колеги пропонують, що є спосіб, яким прадавні чорні діри з точною масою можуть пережити цей процес, щоб зазнати вражаючої трансформації.

"Ми виявили, що тривалість життя чорних дір значно довша, ніж раніше вважалося," — сказав Параїзо виданню Space.com. "Феномени, які ми ідентифікуємо, є актуальними для чорних дір, які, можливо, утворилися в ранньому всесвіті. Ці об'єкти ще не були спостережені, але їх пошук є темою інтенсивного інтересу як кандидатів на темну матерію. Чорні діри починають вмирати, випромінюючи теплове випромінювання Хокінга. Загадка полягає в тому, що відбувається, коли вони досягають маси Планка, яка становить близько 20 мікрограмів."

Чорна діра розміром з яйце блохи

Маса Планка, яка становить близько 0.000000022 кілограмів, є фундаментальною одиницею маси в фізиці, яка вважається захоплюючою, оскільки це точка, в якій правила, що регулюють субатомні частинки та квантову фізику, а також ті, що регулюють гравітацію та загальну відносність в цілому, стають однаково важливими. Фізики вважають це верхньою межею для маси будь-якої окремої елементарної частинки, при цьому будь-яка частинка вище цієї маси колапсує, щоб народити мікроскопічну чорну діру.

У повсякденних термінах маса Планка приблизно дорівнює масі людського волоска або яйцю блохи, яке важить приблизно одну п'ятдесят тисячну частину від маси желейної цукерки.

Параїзо пояснив, що після того, як прадавня чорна діра випарувалася до маси Планка, ставши так званою Планківською чорною дірою, існує кілька запропонованих долей, які вона може зустріти. Це включає зникнення зовнішньої межі, яка визначає, що таке чорна діра, регіону, що затримує світло або електромагнітне випромінювання, відомого як горизонти подій. "Механізм, який ми вивчаємо для смерті цієї чорної діри розміру Планка, — це поступове зникнення горизонту, що затримує випромінювання," — сказав Параїзо.

Команда виконала математичні розрахунки, які показали, що прадавня чорна діра, що утворилася з початковою масою середнього астероїда, близько 1 мільярда тонн, розпадається приблизно за мільярд років і випромінює теплове випромінювання Хокінга, поки не досягне маси Планка. Однак прадавня чорна діра, що народилася з масою всього 1 тонну, відразу ж вибухне, миттєво досягнувши маси Планка. Саме те, що відбувається далі, відрізняє результати команди від попередніх досліджень. "Саме тоді наші результати передбачають щось нове: попередні аргументи вказували на те, що залишкові 20 мікрограмів випромінюються принаймні за 1 секунду; наша оцінка показує натомість, що ці залишки 20 мікрограмів практично стабільні," — пояснює Параїзо. "Коли чорна діра досягає порогу в 20 мікрограмів, ми виявляємо, що вона починає випромінювати очищаюче випромінювання [назване так, оскільки вважається, що воно 'очищує' квантовий стан всесвіту] через поведінку, яка є характерною для білої діри.

"Отже, хоча ми ще не знаємо фізику поблизу білої діри, ми ідентифікуємо об'єкт, який має точно такі ж властивості здалеку."

Білі діри — це ще одна гіпотетична сутність у фізиці, яка вважається ефективно "часово оберненою чорною дірою", яка, замість того, щоб затримувати матерію та випромінювання всередині себе, безперервно виштовхує матерію та випромінювання.

Будь-які подальші прогнози щодо долі цих прадавніх чорних дір, які набувають вигляду білої діри, вимагатимуть теорії, яка об'єднує загальну відносність і квантову механіку, відому як "квантова гравітація", яка невпинно уникає фізиків з початку 20-го століття.

"Прості фізичні припущення про фізику далеко від чорної діри можуть багато розповісти нам про їх тривалість життя та про їх перехід до стабільної фази, яка виглядає як 20-мікограмова біла діра," — сказав Параїзо. "Той факт, що ми можемо вивести ці властивості, використовуючи лише мінімальні елементи з квантової гравітації, є вражаючим."

Попередня версія дослідження команди доступна на сайті репозиторію досліджень arXiv.