что делает белая дыра
Тайны белых дыр: как устроены антиподы черных дыр и где их искать?
Черные дыры нельзя увидеть, на них указывают разные косвенные данные. Противоположные им по свойствам белые дыры существуют только в теории, однако у ученых есть наблюдения и догадки о том, как они выглядят, где находятся и какими свойствами обладают. Рассказываем об этом подробнее.
Читайте «Хайтек» в
Что такое белые дыры?
Белая дыра — гипотетический физический объект во Вселенной, в область которого ничто не может войти. Белая дыра является временно́й противоположностью черной дыры и предсказывается теми же уравнениями общей теории относительности. Большинство физиков убеждены, что белых дыр в природе в принципе быть не может.
Предполагается, что белые дыры могут образовываться при выходе из-за горизонта событий вещества черной дыры, находящейся в обратном направлении термодинамической стрелы времени.
При этом полная карта пространства-времени содержит как черную, так и белую дыры, а отдельного образования только «чистой» черной или только «чистой» белой дыры на полной карте пространства-времени не может быть в принципе.
В 1960-е годы советский физик-теоретик Игорь Новиков (АКЦ ФИАН), исходя из теории относительности, пришел к выводу, что в космосе должны быть объекты, противоположные по свойствам черным дырам. Он назвал их белыми дырами.
Полное решение Шварцшильда содержит как черную, так и белую дыры. Считается, что шварцшильдовских белых дыр на данный момент не существует. Полное решение Керра содержит как черную, так и белую дыры. Керровская белая дыра (результат решения Керра для черных дыр) образуется в одной Вселенной при образовании черной дыры в другой.
История появления теории о белых дырах
Впервые о белых дырах заговорили астрофизики из Израиля — Шломо Хеллер и Алан Реттер заявили, что источником непонятной вспышки гамма-излучения, которой присвоили номер GRB060614, послужила белая дыра.
Вспышку зарегистрировали в 2006 году. Ученые утверждают, что гамма-излучение такого вида происходит в процессе рождения черных дыр и делится на два типа. Длинные вспышки длятся около 2 секунд и случаются в результате превращения массивных звезд в черные дыры и короткие, меньше секунды, они случаются после столкновения двух нейтронных звезд.
Аномальный всплеск GRB 060614 стал необычным явлением, потому что вспышка длилась более 100 секунд, но никакой черной дыры там не образовалось.
Ученые утверждают, что если предположить о существовании белых дыр, то тогда можно представить, что произошел выброс вещества из черной дыры, которое находилось за горизонтом событий. Произошло явление, обратное процессу, происходящему внутри черной дыры, притягивающей все к себе в результате невероятно мощных гравитационных сил.
Как выглядит белая дыра?
Представьте себе сферу такой чудовищной массы, что с ее поверхности можно оторваться только со скоростью света. Это черная дыра. Ее радиус называют гравитационным. Если все вещество Солнца уплотнить в сферу радиусом три километра, оно превратится в черную дыру.
Гравитационный радиус называют также горизонтом событий. Если за него, внутрь сферы, попадет какой-то объект, допустим, космический корабль или кусок звездной материи, то назад он уже не вернется. Огромные гравитационные силы затянут его в черную дыру и там разорвут на элементарные частицы.
Из черной дыры атомы попадают в белую дыру и мгновенно вылетают из нее, но уже в другой Вселенной. Причем вылетают из будущего в прошлое. Белая дыра — это обращенная во времени черная дыра.
Белые дыры нестабильны. По мере образования в них материи гравитационные силы растут и в какой-то момент схлопывают объект, превращая его в черную дыру.
Возможно, все белые дыры, образовавшиеся сразу после Большого Взрыва, теперь в буквальном смысле мертвы, поэтому мы их не видим.
Где искать белые дыры?
На роль белых дыр примерялись квазары — ярчайшие космические объекты в космосе и активные ядра галактик. Ученые Алон Реттер и Шломо Хеллер предположили, что белые дыры совершенно спонтанно рождаются в космосе и, выбросив разом всю материю, погибают.
Их нельзя рассматривать как космические тела, скорее, это «окна» во Вселенной, живущие всего несколько минут. Предсказать время и место рождения белых дыр невозможно.
Больше всего на роль таких спонтанных окон, по мнению Реттера и Хеллера, подходят гамма-всплески, представляющие собой сильнейшие взрывы с излучением высокоэнергетичных частиц, которое длится две секунды и больше. Их следы наблюдают в разных областях Вселенной за многие миллиарды световых лет от нас. Случись гамма-всплеск рядом, жизнь на Земле была бы быстро уничтожена.
Какие события можно связать с белыми дырами?
GRB 060614 — гамма-всплеск, обнаруженный 14 июня 2006 года орбитальной обсерваторией Swift. Необычные свойства этого всплеска поставили под сомнение сложившийся к тому моменту научный консенсус относительно предшественников гамма-всплесков и чёрных дыр.
Все обнаруженные ранее гамма-всплески делились на две категории: длинные (более 2 секунд) и короткие. Предполагаемым источником длинных всплесков являются очень удаленные от Земли массивные звезды в момент коллапсирования в черную дыру. Такой механизм образования гамма-всплеска предполагает, что за ним должна последовать вспышка сверхновой.
Возможными источниками коротких всплесков назывались слияние двух нейтронных звезд с образованием черной дыры, слияние нейтронной звезды и черной дыры, или слияние двух черных дыр. Кроме длительности всплеска, категории также различаются средней энергией (частотой) гамма-квантов, у коротких всплесков она значительно выше.
GRB 060614 не вписывался в имевшуюся картину наблюдений. Длительность гамма-всплеска составила 102 секунды, рентгеновское послесвечение длилось более недели. Он был зафиксирован в галактике в созвездии Индейца, удаленной на 1,6 миллиарда световых лет от Земли. Временная протяженность GRB 060614 свидетельствовала о его принадлежности к категории длинных всплесков.
Доминирующая теория длинных всплесков предсказывала обнаружение массивной сверхновой при оптических наблюдениях. Однако ни одна из обсерваторий, наблюдавших этот регион неба, не обнаружила ни сверхновой, ни спектральных подписей атомов никеля-56, которые должны образовываться при коллапсировании звезды.
Родительская галактика источника GRB 060614 невелика (около одной сотой веса Млечного Пути) и содержит крайне мало звезд, которые могли бы стать сверхновой или источником длинного всплеска.
В то же время GRB 060614 согласно данным наблюдений можно разделить на две части: первоначальный импульс длительностью менее 5 секунд из высокоэнергетичных гамма-квантов и последующий поток протяжённостью почти 100 секунд из гамма-квантов с меньшей энергией. Уже имевшиеся на тот момент наблюдения коротких всплесков с подобной картиной излучения могли бы дать повод причислить GRB 060614 к тому же классу, однако он был примерно в 8 раз мощнее.
Позиция ученых по белыми дырам
Еще никому не удавалось засечь белую дыру, пока что она является лишь теорией, которая кажется достаточно яркой и интересной. Сторонники этой теории считают, что их тяжело найти, потому что они находится в зонах, где нет никакого космического вещества, так как оно способно разрушить белую дыру. Один атом может сделать такой объект неустойчивым и он взорвется.
На сегодня неизвестны физические объекты, которые можно достоверно считать белыми дырами, также неизвестны теоретические механизмы их образования помимо реликтового — сразу после Большого взрыва, а также нет предпосылок по методам их поиска (в отличие от черных дыр, которые должны находиться, например, в центрах крупных спиральных галактик).
Что такое белая дыра и чем она отличается от черной?
Возможность существования белых дыр впервые была предложена теоретическим астрофизиком Игорем Новиковым в 1964 году.
Но давайте начнем с черных дыр, потому что их легче объяснить. Черные дыры образуются, когда центр большой умирающей звезды падает на себя. Вся масса выдавливается в бесконечно малый объем. Их гравитационное притяжение становится настолько большим, что даже свет не может избежать этого.
Белые дыры в точности противоположны черным дырам: хотя ничто не может вырваться из горизонта событий черной дыры, ничто не может войти в горизонт событий белой дыры. Проще говоря, белая дыра выплевывает все и ничего не входит.
Концепция белой дыры чрезвычайно сложна. Таким образом мы попытались объяснить это в небольших разделах. К концу этой статьи вы узнаете намного больше об этом интригующем явлении.
Существуют ли белые дыры?
Они являются потенциальным решением законов общей теории относительности, которые подразумевают, что если существуют вечные черные дыры, то белые дыры также должны существовать во вселенной.
Ожидается, что они будут иметь такие свойства, как масса, заряд, момент импульса, но все, что приближается к белой дыре (даже со скоростью света), никогда не достигнет ее. Теоретически, в нашей вселенной недостаточно энергии, которая могла бы втянуть вас внутрь.
Они нарушают второй закон термодинамики
Одна из основных причин, по которой белые дыры считаются нереальными, заключается в том, что они уменьшают энтропию, что противоречит закону термодинамики.
Второй закон термодинамики гласит, что общая энтропия вселенной постоянно увеличивается, поэтому изменение энтропии всегда положительно. Вот почему белые дыры не вписываются в нашу текущую модель вселенной.
Доказательства в отношении белых дыр
Хотя свидетельства и информация, касающиеся белых дыр, остаются неопределенными, гамма-всплеск, названный GRB 060614, обнаруженный Свифтской обсерваторией Нила Гереля в 2006 году, считается первым зарегистрированным явлением для белой дыры.
В отличие от типичных гамма-всплесков, которые длятся всего несколько секунд, гибридный всплеск GRB 060614 длился замечательные 102 секунды, но не был связан со сверхновой. Это поставило под сомнение предыдущий научный консенсус в отношении черных дыр и других типов небесных тел, которые могут испускать гамма-всплески.
Белые дыры могут составить темную материю
В 2018 году ученые предположили, что белые дыры с микроскопическими диаметрами могут составлять темную материю. Такие крошечные белые дыры не будут излучать никакого излучения, и, поскольку они меньше длины волны света, они будут невидимы.
Темная материя составляет примерно 27% нашей вселенной, а ее локальная плотность составляет примерно 1% массы Солнца на кубический парсек. Чтобы учесть эту плотность с белыми дырами, команда оценила, что одна микроскопическая белая дыра (около одной миллионной грамма и намного меньше, чем протон) требуется на 10000 кубических километров.
Белые дыры могут даже предшествовать Большому взрыву
Очевидно, мы не знаем, верна ли теория или нет, но опять же забавно думать, что жизнь возникла из белой дыры.
Белая дыра и черная дыра связаны через червоточину
Одна из главных причин изучения существования белых дыр заключается в том, что они могут раскрыть загадку: что происходит в центре черной дыры. Что происходит со всей информацией, которая засасывается?
Несколько теорий предполагают, что на другом конце черной дыры есть белая дыра. Вся материя и информация, поглощенная черной дырой, выбрасывается белой дырой в другую вселенную.
«Вход» черной дыры и «выход» белой дыры могут быть связаны с двумя совершенно разными вселенными. И то, что делает это соединение возможным, называется червоточиной: его можно представить в виде туннеля с двумя концами, каждый в разных местах в пространстве-времени.
Теория общей теории относительности имеет действительные уравнения, которые состоят из червоточин, однако, они еще не наблюдались во вселенной. Червоточина может соединять короткие расстояния (несколько метров), чрезвычайно большие расстояния (миллионы световых лет) или разные вселенные.
В 1935 году ученые открыли червоточину первого типа, называемую червоточиной Шварцшильда, с использованием общей теории относительности Эйнштейна. Вся метрика Шварцшильда состоит из белой дыры, черной дыры и двух отдельных миров, связанных на их горизонтах событий через червоточину.
Белые дыры открывают возможности путешествий во времени
В определенных условиях червоточина может соединять две точки во времени вместо двух точек в пространстве. Таким образом, объект, проглоченный черной дырой, может пройти через червоточину и извергаться белой дырой в другой области времени [или пространства].
Тем не менее концепция имеет многочисленные недостатки. Например, объект, падающий в черную дыру, не сможет выдержать своего огромного гравитационного притяжения. А поскольку червоточина невероятно нестабильна, она мгновенно обрушится на себя.
Тем не менее некоторые физики показали, что червоточина (если она существует) может позволить путешествовать как в пространстве, так и во времени. Профессор Кип Торн из Калифорнийского технологического института, который также является лауреатом Нобелевской премии, предположил, что эти три явления (черные дыры, червоточины и белые дыры) могут позволить людям путешествовать во времени и назад (тысячи лет).
Честно говоря, существуют сотни теорий, касающихся белых дыр, но ученые не нашли убедительных доказательств, подтверждающих их существование. Может быть, в нашей огромной таинственной вселенной есть место даже для них.
Белые дыры — секретный ингредиент темной материи
Белые дыры, которые теоретически являются точными противоположностями черных дыр, могут составлять значительную часть таинственной темной материи, которая, как предполагается, составляет большую часть материи во Вселенной. По словам исследователей, некоторые из белых дыр могли даже предшествовать Большому Взрыву.
Черные дыры обладают гравитационным притяжением, настолько мощным, что даже свет, вероятно, самая быстрая вещь во Вселенной, не может избежать их воздействия. Невидимая сферическая граница, окружающая ядро черной дыры и обозначающая ее точку невозврата, известна как горизонт событий.
Существование черных дыр было предсказано общей теорией относительности Эйнштейна. Белая дыра представляет собой черную дыру наоборот: в то время как ничто не может выйти из горизонта событий черной дыры, в горизонт событий белых дыр ничто не может войти.
Предыдущие исследования показали, что черные и белые дыры связаны, причем материя и энергия попадают в черную дыру, потенциально исходящую из белой дыры либо где-то в космосе, либо в другой вселенной. В 2014 году Карло Ровелли, физик-теоретик во французском университете Экс-Марсель, и его коллеги предположили, что черные и белые дыры могут быть связаны иначе: когда черные дыры умирают, они могут становиться белыми дырами. В 1970-х годах Стивен Хокинг высказал предположение, что все черные дыры должны испарять массу, испуская излучение. Таким образом, черные дыры, которые теряют больше массы, чем получают, должны сокращаться и в итоге исчезать.
Однако Ровелли и его коллеги предположили, что сокращающиеся черные дыры могут не исчезать, если ткань пространства-времени является квантовой — то есть состоящей из неделимых величин, известных как кванты. В исследовании делается попытка объединить общую теорию относительности, которая объясняет природу гравитации, с квантовой механикой, которая описывает поведение всех известных частиц, в единую теорию, способную объяснить все силы Вселенной.
По версии авторов, когда черная дыра испаряется до такой степени, что не может больше сокращаться, потому что пространство-время не может быть сжато во что-то еще меньшее, умирающая черная дыра преобразовывается в белую дыру.
Согласно современным теориям, черные дыры образуются, когда массивные звезды умирают в гигантских взрывах, известных как сверхновые, которые сжимают их трупы в бесконечно плотные точки, известные как сингулярности. Ровелли и его коллеги ранее вычислили, что для черной дыры с массой, равной солнечной, потребуется примерно в четыре раза больше времени, чем нынешний возраст Вселенной, чтобы превратиться в белую дыру.
Однако в работах 60-70-х годов предполагается, что черные дыры могли возникнуть за секунду после Большого Взрыва из-за случайных колебаний плотности в горячей, быстро расширяющейся новорожденной Вселенной. Области, где эти колебания концентрировали материю, образовывали черные дыры. Эти так называемые первичные черные дыры могли быть намного меньше черных дыр звездной массы и умереть, образовав белые дыры. Но даже белые дыры микроскопического диаметра могут быть довольно массивными, так же как черные дыры, которые меньше песчинки, могут весить больше Луны. Теперь Ровелли и соавтор исследования Франческа Видотто из Университета Страны Басков в Испании полагают, что эти микроскопические белые дыры составляют часть темной материи, природа которой является одной из величайших научных тайн.
Кроме того, Ровелли и Видотто предположили, что некоторые белые дыры в этой вселенной предшествуют Большому Взрыву. Такие белые дыры из предыдущей вселенной могут помочь объяснить, почему время в современной вселенной течет только вперед.
Исследователи космоса
10.2K пост 39.2K подписчиков
Правила сообщества
Какие тут могут быть правила, кроме правил установленных самим пикабу 🙂
А в какой теории каким образом возникают белые дыры?
Вот смотрите, откуда взялись черные дыры как теоретически предсказанный объект?
Идея такая: рассмотрим круговое движение тела малой массы в поле тяготения тела большой массы. На тело, движущееся с постоянной по модулю скоростью по окружности действует центростремительное ускорение, равное v^2/R. С другой стороны, это ускорение может быть вызвано только силой гравитации центрального тела(за неимением больше никаких других сил), которая равна, как известно GmM/R^2. Исходя из какого-то, не помню номера, закона Ньютона, сила и ускорение, действующие на тело, связаны выражением F=ma, тогда ускорение от гравитации будет равно GM/R^2, то-есть оно не зависит от массы малого тела. Теперь приравняем центростремительное и гравитационное ускорение:
Мы выразили скорость, и как видим из формулы, она зависит только от массы центрального тела и высоты орбиты.
Не было печали, но тут подъехал Эйнштейн и ограничил нам максимально возможную скорость всех тел скоростью света. При этом массу тела и его размер никто ничем не ограничивал. Таким образом, мы можем гипотетически предположить, что существует тело с массой и размерам такими, что орбитальная скорость для него равна скорости света:
Вооот, получается, что всего лишь для того, чтобы не падать обратно на большое тело, начиная с некоторого расстояния, требуется скорость света, если скорость будет меньше, малое тело будет приближаться к тяготеющему центру. А так, как ничто не может превысить скорость света, то при приближении на «критическое» расстояние становятся невозможными орбиты, благодаря которым с тела можно улететь.
Как с друзьями забухал, спасибо!
А можно увидеть ссылки на эти «предположения»?
Вот завернули так завернули.
Укажите хоть одну белую дыру. Насколько я знаю белые дыры есть только в теории. Испарение чёрной дыры не возвращает материю.
Грибы из Чернобыля помогут человечеству колонизировать Луну и Марс
При этом грибная биомасса, использующая в качестве ростового катализатора ионизирующее излучение, может самостоятельно восстанавливаться и оказывать сопротивление повышенному воздействию радиационных источников. И если получится достичь слоя грибной массы толщиной в два метра и более, то этот щит способен будет уберечь астронавтов, снизив уровень излучения до вполне терпимых условий. Стоит напомнить, что на Земле магнитное поле спасает людей от активного потока заряженных частиц. При этом человек в течение года жизни получает дозу ионизированного излучения, которая едва достигает отметки в 6,2 миллизиверта. Работники МКС получают ежегодно уже 144 миллизиверта. Для тех, кто планирует отправиться на Луну или Марс, следует быть готовым к дозе в 400 миллизивертов, что практически в два раза больше допустимой максимальной дозы облучения, установленной для ликвидаторов аварии АЭС в Чернобыле. Там людей освобождали после получения 250 миллизивертов.
В этом случае миссия на Марс не может превышать двух-трех лет, что значительно затягивает научный процесс, так как для успешной реализации космической программы необходимо минимум 5-6 лет. Но этот срок без эффективной защиты просто убьет покорителей Красной планеты. Американцы планируют высадиться на Луне в 2025 году, а еще через три-четыре года руководство NASA собирается установить на естественном спутнике Земли первую станцию, которая станет перевалочным пунктом для путешествий к Марсу.
Девятой планете быть?
Британский астроном Майкл Рован-Робинсон из Имперского колледжа Лондона обнаружил потенциальную новую планету Солнечной системы
Она тяжелее Земли в 3-5 раз.
Он изучил снимки космической обсерватории IRAS и обратил внимание на объект на окраине Солнечной системы, который может оказаться неуловимой планетой Икс.
Как отметил Рован-Робинсон, параметрам гипотетической планеты Икс соответствует только один объект, присутствующий на снимках IRAS. Если обнаруженный объект на самом деле окажется девятой планетой Солнечной системы, то расстояние между этой планетой и Солнцем составляет от 225 до 250 расстояний между Землей и Солнцем. При этом, планета примерно в три-пять раз массивнее Земли.
Планета Икс — гипотетическое небесное тело, которое, согласно некоторым предположениям, может существовать на окраине Солнечной системы. Несколько лет назад планетологи из США Константин Батыгин и Майкл Браун сообщили, что обнаружили следы планеты Икс — расчеты ученых показали, что таинственная планета, удаленная от светила на 100 миллиардов километров, имеет размеры Нептуна или Урана.
Поиски неуловимой планеты пока что не привели ученых к четким результатам, однако Майкл Рован-Робинсон заявляет, что его открытие может оказаться той самой планетой Икс. Астроном говорит, что небесное тело не было обнаружено до сих пор из-за того, что оно вращается вокруг Солнца по сильно наклоненной орбите.
Ввиду развернувшейся в комментариях дискуссии
Ученый искал эту планету почти 30 лет.
Далее из его работы
В 1980-х годах уже давно существовал интерес к тому, что в то время считалось десятой планетой, Планетой X. Оказалось, что на орбите Нептуна есть необъяснимые обломки. Хотя они были намного меньше, чем обломки на орбите Урана, благодаря которым Ле Веррье и Адамс открыли Нептун, они побудили Томбо к поиску новой планеты. Что привело к открытию в 1930 году того, что мы теперь знаем как карликовую планету Плутон. Быстро стало ясно, что Плутон слишком мал, чтобы объяснить обломки на орбите Нептуна, и поэтому возможность существования десятой планеты оставалась (полный исторический обзор и ссылки см. в Батыгин и др. (2019)).
В 1983 году, работая над подготовкой каталога точечных источников IRAS, я предпринял систематический поиск Планеты X в данных IRAS. Поиск оказался безуспешным, хотя удалось обнаружить комету Боуэлла (Walker и Роуэн-Робинсон 1984). Забавно, что недопонимание, которое произошло на брифинге научной группы IRAS, проведенного старшими сотрудниками НАСА, привело к тому, что в 1983 году в прессе появилась информация о том, что IRAS открыл десятую планету. (см. Rowan-Robinson 2013 для подробного описания того, как возникло это недоразумение).
Интерес к Планете X вновь вспыхнул в конце 1980-х годов
(Harrington 1988, Seidelmann and Harrington 1988, Jackson and Killen 1988, Neuhauser and Feitzinger 1991) и Королевское астрономическое общество организовало дискуссионную встречу в 1991 году по теме «Динамика Солнечной системы и Планета X». Я представил отчет о моих поисках в IRAS и пришел к выводу, что я на 70% уверен, что Планеты X не существует. Цифра 70% относилась к области неба, в которой я смог провести свои исследования IRAS. Отчеты об этой встрече были представлены Моррисоном (1992) и Кроссуэллом (1991).
Впоследствии повторное измерение массы Нептуна выявило отсутствие нептунианских объектов (Standish 1992). Отсутствие отклонений от орбит космических аппаратов «Пионер» и «Вояджер» показывает, что ни одна неизвестная массивная планета Солнечной системы не находится в плоскости эклиптики.
Луман (2014) использовал данные WISE, чтобы установить жесткие ограничения для объектов с массой Сатурна или Юпитера массы объектов в Солнечной системе до 28 000 и 82 000 АЕ (астрономических единиц), соответственно.
Открытие десятков новых карликовых планет в течение последующих двадцати лет привело как к пересмотру определения
Плутона как карликовой планеты, так и к их потенциал в поиске возможных далеких массивных планет на сильно наклоненных орбитах.
Батыгин и Браун (2016) и Браун и Батыгин (2016), развивая идею Трухильо и Шеппарда (2014), предположили, что планета массой в несколько десятков земных масс на наклонной и эксцентричной орбите на расстоянии 280-1000 АЕ может объяснить выравнивание орбит карликовых планет пояса Койпера.
Поскольку эта планета была значительно более удаленной, чем Планета X,
которую я искал в 1983 году, я подумал, что стоит повторить мой поиск в IRAS и определить количественно, каковы ограничения для такого объекта. Фиенга и другие (2016), Холман и Пейн (2016), Иорио (2017), Миллхолланд и Лафтон (2017), Medvedev et al (2017), Caceres and Gomes (2018), Brown and Batygin (2019), Batygin et al (2019) и Fienga и др. (2020), дали дополнительные динамические ограничения на орбиту Планеты 9. В частности, Фиенга и другие (2016) используя данные радиолокации Кассини пересматривают параметры возможной планеты с орбиты Показать полностью 1