БІЛА ДІРА: ІСТОРІЯ, ТЕОРІЯ ТА ТЕ, ЯК ВОНА ФОРМУЄТЬСЯ - ФІЗИЧНІ - 2025

Біла діра є особливість простору - час, що належить до точних рішень рівнянь загальної теорії відносності. Ці особливості мають те, що називається горизонтом подій. Це означає наявність бар'єру, який у білій дірі нічого не може проникнути ззовні. Теоретично, біла діра - це особливість, яка йде в минуле.

На даний момент ніхто не зміг спостерігати жодного. Але можливо, що ми завдячуємо своїм існуванням самим особливим із усіх: Великий вибух 13,8 мільярдів років тому можна розглядати як подію, спричинену надмасивною білою дірою.

Велика маса, як планета, може викривляти простір-час. Джерело: Мисид

Теорія загальної відносності вважає, що простір-час може деформуватися за рахунок ефекту прискорення або наявності масивних предметів. Це та сама теорія, яка передбачила існування чорних дір, серед яких білі діри були б аналогом. Тому існування їх вважається однаково можливим.

Тепер для формування сингулярності простору та часу потрібен певний фізичний механізм. Що стосується чорних дір, то причиною, як відомо, є гравітаційний крах надмасивної зірки.

Але фізичний механізм, який міг би сформувати особливість білої діри, ще не відомий. Хоча кандидати, безумовно, з'явилися, щоб пояснити свою можливу підготовку, як це буде показано незабаром.

Відмінності між чорними та білими дірами

Багато з відомих чорних дір є залишком надгігантської зірки, яка зазнала внутрішнього колапсу.

Коли це станеться, гравітаційні сили збільшуються настільки, що ніщо, що наблизиться, не зможе уникнути його впливу, навіть світла.

Ось чому чорні діри здатні ковтати все, що потрапляє в них. Навпаки, ніщо не могло увійти в білу діру, все було б відхилено або відштовхнуто від неї.

Чи можливе існування такого об’єкта? Зрештою, чорні діри довгий час залишалися математичним рішенням польових рівнянь Ейнштейна, поки їх не виявили завдяки гравітаційним та радіаційним впливам, які вони викликають у їх оточенні, і нещодавно сфотографували.

Навпаки, білі діри все ще приховані від космологів, якщо вони дійсно існують.

Історія його відкриття

Теорія існування білих дір почалася з праць Карла Шварцшильда (1873-1916), німецького фізика і першим, хто знайшов точне рішення релятивістських рівнянь Альберта Ейнштейна.

Для цього він розробив модель зі сферичною симетрією, рішення якої мають особливості, а саме це чорні діри та їх білі аналоги.

Робота Шварцшильда була не зовсім популярною, можливо, була опублікована під час Першої світової війни. Минуло кілька років, щоб два фізики самостійно взялися за нього в 1960-х.

У 1965 році математики Ігор Новіков та Юваль Німан проаналізували рішення Шварцшильда, але використовуючи іншу систему координат.

У той час термін біла діра ще не був придуманий. Насправді вони були відомі як "відстаючі ядра" і вважалися нестабільними.

Однак, будучи аналогом чорних дір, дослідники намагалися знайти фізичний об'єкт, природа якого сумісна з прогнозованим для білих дір.

Квазари та білі діри

Дослідники вважали, що знайшли його у квазарах, найяскравіших об’єктах у Всесвіті. Вони випромінюють інтенсивний потік випромінювання, виявлений радіотелескопами, як і біла діра.

Однак енергії квазарів врешті-решт було дано більш можливе пояснення, пов’язане з чорними дірами в центрі галактик. І тому білі діри знову були як абстрактні математичні сутності.

Тож, хоча вони відомі, білі діри приділяли набагато менше уваги, ніж чорні діри. Це пов'язано не лише з тим, що вони вважаються нестабільними, що ставить під сумнів їхнє фактичне існування, а й тому, що немає розумних гіпотез про їх можливе походження.

Навпаки, чорні діри виникають внаслідок гравітаційного колапсу зірок, фізичного явища, яке добре зафіксовано.

Можлива знаходження білої діри

Дослідники впевнені, що нарешті виявили білу діру в явищі під назвою GRB 060614, яке сталося в 2006 році. Це явище було запропоновано як перше задокументоване поява білої діри.

GRB 060614 був вибухом гамма-променів, виявленим Швидкою обсерваторією Ніла Герельса 14 червня 2006 року, з особливими властивостями. Він поставив під сумнів раніше проведений науковий консенсус щодо походження вибухів гамма-променів та чорних дір.

Великий вибух, який деякі вважають надмасовою білою дірою, може, в свою чергу, був наслідком надмасивної чорної діри, в основі невідомої галактики, розташованої в нашому батьківському Всесвіті.

Однією з труднощів у спостереженні за білою дірою є те, що вся матерія виганяється з неї одним імпульсом. Таким чином, білій дірі не вистачає необхідної безперервності, яку слід спостерігати, тоді як чорні діри мають достатньо стійкості, щоб її можна було побачити.

Теорія

Ейнштейн постулює, що маса, час і довжина тісно залежать від швидкості опорного кадру, в якому вони вимірюються.

Крім того, час розглядається як ще одна змінна, що має таке ж значення, як і просторові змінні. Таким чином, про простір-час говорять як про сутність, в якій відбуваються будь-які події та всі події.

Матерія взаємодіє з тканиною простору-часу і модифікує її. Ейнштейн описує, як це відбувається з набором 10 тензорних рівнянь, відомих як рівняння поля.

Деякі важливі поняття в теорії відносності

Тензори - це математичні утворення, які дозволяють розглядати тимчасову змінну на тому ж рівні, що й просторові змінні. Відомі вектори, такі як сила, швидкість та прискорення, є частиною цього розширеного набору математичних сутностей.

Математичний аспект рівнянь Ейнштейна також передбачає такі поняття, як метрика, яка є відстані як в просторі, так і в часі, що розділяє дві нескінченно близькі події.

Дві точки в просторі - частина кривої, яка називається геодезичною. Ці точки об’єднуються просторово-часовою дистанцією. Таке зображення простору-часу спостерігається на наступному малюнку:

Форма конуса визначається швидкістю світла с, яка є постійною у всіх еталонних кадрах. Усі події повинні відбуватися в конусах. Якщо поза ними є події, способу пізнання немає, тому що інформація повинна подорожувати швидше, ніж світло, щоб сприйматись.

Польові рівняння Ейнштейна допускають рішення з двома сингулярностями в порожній області (тобто без маси). Одна з цих особливостей - це чорна діра, а інша - біла діра. Для обох існує горизонт подій, який є сферичною межею кінцевого радіуса, що оточує сингулярність.

Що стосується чорних дір, то нічого, навіть світло, не може вийти з цього регіону. А в білих дірах горизонт подій - це бар'єр, через який зовні нічого не може проникнути. Розчин чорної діри у вакуумі знаходиться у світлому конусі майбутнього, тоді як розчин білої діри - у минулій області світлого конуса.

Розв’язки рівнянь Ейнштейна, що включають справжню чорну діру, вимагають наявності речовини, і в цьому випадку розчин, який містить білу діру, зникає. Тому робиться висновок, що як математичне рішення, в теорії сингулярних рішень без матерії білі діри існують. Але це не той випадок, коли матерія входить у рівняння Ейнштейна.

Як утворюється біла діра?

У 2014 році фізик-теоретик Карло Ровеллі та його команда з університету Екс-Марселя у Франції запропонували, що білі діри можуть виникнути внаслідок загибелі чорної діри.

Ще в 1970-х провідний фахівець з чорних дір Стівен Хокінг підрахував, що чорна діра втрачає масу за рахунок викиду радіації Хокінга.

Розрахунки Ровеллі та його команди свідчать про те, що таке скорочення втрат радіації від чорної діри може на останньому етапі призвести до відскоку, що створює білу діру.

Але розрахунки Ровеллі вказують також на те, що у випадку чорної діри з масою, рівною масі Сонця, для формування білої діри знадобиться приблизно в чотири мільйони разів більше, ніж нинішній вік Всесвіту.

Білі діри і темна матерія

Через секунду після Великого вибуху коливання щільності у швидко розширюється Всесвіті змогли створити споконвічні чорні діри (без необхідності зоряного колапсу).

Ці споконвічні чорні діри багато, набагато менше, ніж зоряного походження, і можуть випаровуватися, поки вони не помруть, щоб поступитися місцем білій дірі за час, включений у життя Всесвіту.

Мікроскопічні білі діри можуть бути дуже масивними. Наприклад, одна розмір зерна пилу може мати більшу масу, ніж Місяць.

Команда Ровеллі навіть припускає, що ці мікроскопічні білі діри можуть пояснити темну матерію, ще одну з найважливіших космологічних загадок.

Мікроскопічні білі діри не випромінювали б випромінювання; і оскільки вони менше однієї довжини хвилі, вони виявляються невидимими. Це може бути ще однією причиною, яка б пояснила, чому вони ще не були виявлені.

Список літератури

1. Battersby, S. 2010. Вічні чорні діри - це найвища космічна безпека. Відновлено: newscientist.com.
2. Choi, C. 2018. Білі діри можуть бути таємним інгредієнтом загадкової темної речовини. Відновлено з: space.com.
3. Фрейзер, C. 2015. Що таке білі діри ?. Відновлено з: phys.org.
4. Майстри, Карен. 2015. Що таке біла діра ?. Відновлено цікавий.astro.cornell.edu
5. Wikiwand. Біла діра. Відновлено з: wikiwand.com