Являются ли черные дыры червоточинами? Можно ли использовать их для путешествия по вселенной?

В научной фантастике космонавты обычно проносятся через червоточины в пространстве-времени, которые соединены двумя черными дырами — небесными объектами настолько плотными, что даже свет не может вырваться из них.

Но действительно ли черные дыры ведут в червоточины ? И будут ли эти червоточины похожи на своих собратьев из «Интерстеллара»?

Короткий ответ, вероятно, нет, хотя математика Вселенной не исключает этого. Само по себе единственное, что находится в центре черной дыры, — это сингулярность — точка бесконечной плотности.

Теоретически, однако, черная дыра может быть соединена со своим зеркальным близнецом, называемым белой дырой, чтобы образовать червоточину. Тем не менее, эти теоретические червоточины будут совсем не похожи на те, что изображены в научной фантастике — предсказано, что традиционные червоточины невероятно нестабильны, а это означает, что они разрушатся в тот момент, когда в них попадет хоть одна частица материи.

Некоторые физики предсказывают, что червоточина могла бы стать более стабильной, если бы она образовалась из вращающейся черной дыры, но наше понимание того, что происходит в этом сценарии, в лучшем случае туманно.

Гравитационная сингулярность, пространственно-временная сингулярность или просто сингулярность — это состояние, при котором гравитация настолько сильна, что само пространство-время катастрофически разрушается. Как таковая, сингулярность по определению больше не является частью обычного пространства-времени и не может быть определена «где» или «когда». Попытка найти полное и точное определение сингулярностей в общей теории относительности, лучшей на сегодняшний день теории гравитации, остается сложной проблемой.

Мосты Эйнштейна-Розена

Ученые впервые обнаружили черные дыры не посредством наблюдений во Вселенной, а с помощью математики общей теории относительности Эйнштейна.

Эти уравнения показали, что если сжать достаточно материи в достаточно малый объем, то гравитация пересилит все остальные силы и сожмет материю в бесконечно маленькую точку, известную как сингулярность.

Черные дыры — это путешествия в один конец. Как только кто-то пересекает их границы, известные как горизонты событий, он уже не сможет уйти из-за горизонта. Когда то черные дыры считались просто уловкой уравнений Эйнштейна, но астрономические наблюдения в конечном итоге показали, что черные дыры действительно существуют во Вселенной.

Но та же самая математика также допускает полную противоположность черной дыры: белую дыру.

Белая дыра по-прежнему имеет сингулярность в центре и окружающий ее горизонт событий. Но вместо того, чтобы упасть внутрь с невозможностью выбраться, с белой дырой человек никогда не смог бы достичь горизонта событий извне, потому что она постоянно выбрасывает свое содержимое во вселенную со скоростью, превышающей скорость света.

Для экипажа космического корабля, наблюдающего издалека, белая дыра выглядела бы точно так же, как черная дыра. Она имеет массу. Может крутиться. Вокруг горизонта событий может собраться кольцо пыли и газа — граница пузыря, отделяющая объект от остальной Вселенной. Но если они продолжат наблюдать, экипаж может стать свидетелем невозможного для черной дыры события — отскока. «Только в тот момент, когда все выясняется, вы можете сказать: «А, это белая дыра», — говорит Карло Ровелли, физик-теоретик из Центра теоретической физики во Франции.

Объекты внутри белой дыры могут выходить и взаимодействовать с внешним миром, но, поскольку ничто не может попасть внутрь, внутреннее пространство отрезано от прошлого Вселенной: никакое внешнее событие никогда не повлияет на внутреннее.

Физики описывают белую дыру как «обращение времени» черной дыры, видеозапись черной дыры, воспроизводимую в обратном направлении, так же как взлетающий мяч — это обращение времени падающего мяча. В то время как горизонт событий черной дыры — это невозвратная сфера, горизонт событий белой дыры — это запретная граница — самый закрытый участок пространства-времени. Ни один космический корабль никогда не достигнет края этого региона.

Соединение парных сингулярностей черной дыры и белой дыры вместе образует простейший вид червоточины, также известный как мост Эйнштейна-Розена.

К сожалению, мосты Эйнштейна-Розена не очень полезны для путешествия по космосу.

Во-первых, вход в червоточину находится за горизонтом событий. Поскольку человек не может попасть внутрь со стороны белой дыры, ему придется упасть в черную дыру, чтобы войти в червоточину.

Но как только кто-то пересекает горизонт событий, он уже не сможет уйти. Это может означать, что если кто-то войдет в червоточину, то застрянет внутри нее навечно.

Другой проблемой мостов Эйнштейна-Розена является их неустойчивость.

Она существует потому, что для создания червоточины требуется очень точное и тщательное расположение материи. Все, что нарушает этот хрупкий баланс — даже единичный пакет света или фотон — вызовет мгновенный коллапс червоточины. Червоточина разорвется, со скоростью, превышающей скорость света, и ничто не сможет пройти по ней.

Кроме того, физики в основном считают, что белых дыр в нашей Вселенной не существует. В отличие от своих собратьев, белые дыры фантастически нестабильны.

Согласно математике, как только на них падает даже один кусочек материи, они мгновенно взрываются. Таким образом, даже если бы белые дыры образовались естественным путем, они не просуществовали бы очень долго.

Сочетание неопределенности существования белых дыр, нестабильности мостов Эйнштейна-Розена и их относительной бесполезности означает, что если червоточины существуют, то они, вероятно, не являются мостами Эйнштейна-Розена.

В общей теории относительности белая дыра — это теоретическая область пространства-времени и сингулярности, в которую нельзя попасть извне, хотя энергия-материя, свет и информация могут вырваться из нее. В этом смысле это обратная сторона черной дыры, в которую можно попасть только снаружи и из которой не могут вырваться энергия-материя, свет и информация. Белые дыры появляются в теории вечных черных дыр. В дополнение к области черной дыры в будущем, такое решение уравнений поля Эйнштейна имеет область белой дыры в прошлом. Эта область не существует для черных дыр, образовавшихся в результате гравитационного коллапса, однако, и не существует никаких наблюдаемых физических процессов, посредством которых могла бы образоваться белая дыра.

Теоретически предсказано, что сверхмассивная черная дыра находится в центре каждой галактики, и, возможно, галактика не может образоваться без нее. Стивен Хокинг и другие предположили, что эти сверхмассивные черные дыры порождают сверхмассивные белые дыры.

Вращающаяся сингулярность

Возможно, есть способ построить червоточину из более сложной черной дыры: принять во внимание их вращение. Все черные дыры вращаются, но новозеландский математик Рой Керр первым сделал математические расчеты вращающихся черных дыр.

В центре вращающейся черной дыры экстремальные центробежные силы превратили точечную сингулярность в кольцо. Возможно, эта «кольцевая сингулярность» станет входом в червоточину, но снова возникает проблема стабильности.

«Сингулярность керровской дыры окружена «внутренним горизонтом», который, в свою очередь, окружен «внешним горизонтом». Люди считают, что внутренний горизонт не является стабильным понятием, и что небольшое количество падающей материи полностью изменит область внутри этого горизонта и, таким образом, также изменит сингулярность», — говорят ученые.

Окончательный результат этой нестабильности не ясен. Проблема в том, что если материя падает на кольцевую сингулярность, она сталкивается с двумя конкурирующими эффектами: огромным гравитационным притяжением самой сингулярности и экстремальной центробежной силой вращения в центре черной дыры, которая действовала бы в противоположном направлении.

Как вы понимаете, это не очень комфортная ситуация, и все, скорее всего, очень быстро все пойдет наперекосяк.

Ситуация настолько нестабильна, что может даже вообще воспрепятствовать образованию сингулярности. В этом случае многие физики считают, что концепция «кольцевой сингулярности» от вращающейся черной дыры будет заменена более точной идеей, как только мы лучше поймем эти объекты.