«Белые дыры» – возможный компонент темной материи?

В математических уравнениях, описывающих нашу Вселенную, она выглядит идеально симметричной: каждой частице должна соответствовать античастица, а «стрела времени» может быть направлена как в прошлое, так и в будущее. На практике все оказывается немного сложнее – начиная хотя бы с подавляющего преобладания вещества над антивеществом и упрямой «однонаправленности» течения времени. Многие из этих несоответствий ученые пока не смогли убедительно объяснить… но именно такие парадоксы и служат лучшим стимулом для развития науки.

Похожий случай произошел с теоретической противоположностью и без того загадочных черных дыр – так называемыми «белыми дырами». Эти объекты также имеют горизонт событий сферической формы, внутрь которого ничто не может проникнуть — ни материя, ни излучение (в противоположность черным дырам, гравитация которых настолько мощная, что из них ничто не может вырваться). Они предсказываются вычислениями, однако достоверно подтвердить их существование пока не удалось. По внешнему виду они должны быть похожи на очень яркие звезды со своеобразным спектром. Согласно современным представлениям, черные и белые дыры могут быть связаны: материя и энергия, «проваливающиеся» в черную дыру, потенциально могут извергаться из белой дыры либо где-то в далеком космосе, либо вообще в другой вселенной. Некоторые исследователи считают, что сразу после рождения белые дыры распадаются в ходе процесса, напоминающего Большой Взрыв (для него придумали название «Малый Взрыв» — Small Bang).

В 1970-х годах британский астрофизик Стивен Хокинг (Stephen Hawking) высказал предположение о том, что черные дыры должны медленно «испаряться», преобразуя свою массу в излучение. Некоторые из них могут терять больше массы, чем получают извне — такие объекты, в конечном счете, спустя достаточно большое время просто исчезнут. В 2014 г. Карло Ровелли, физик-теоретик из Экс-Марсельского университета во Франции (Carlo Rovelli, Aix-Marseille Universrte), и его коллеги предположили, что черные и белые дыры могут быть связаны еще и таким способом: когда черные дыры «умирают» — они становятся белыми. Более того: образовавшиеся таким или иным способом белые дыры, теоретически являющиеся точными противоположностями черных, потенциально способны составлять значительную часть таинственной темной материи, которая никак не проявляет себя посредством электромагнитного излучения, однако на нее приходится примерно три четверти всей гравитирующей массы Вселенной.

Одной из самых важных (и сложных) задач современной физики считается объединение Общей теории относительности, объясняющей механизм действия гравитации, с квантовой теорией, описывающей поведение элементарных частиц. В последней пространство и время квантуются, то есть состоят из квантов – неделимых «ячеек» ненулевой протяженности. Как установила группа Ровелли, в таком пространстве испаряющиеся черные дыры исчезнуть не могут, поскольку иначе должен был бы неизбежно наступать момент, когда их размеры становились бы меньше одной такой «ячейки». Вместо этого на определенной стадии «испарения» они должны превращаться в белые дыры – по крайней мере, так показывают вычисления ученых, выполненные в 2014 г. Согласно их оценкам, чтобы «дожить» до такого превращения, черной дыре, по массе равной Солнцу, потребуется огромное количество времени — в квадриллион (1015) раз больше текущего возраста Вселенной.

В наши дни черные дыры образуются при гравитационном коллапсе остатков сверхмассивных звезд после того, как они исчерпали все свое термоядерное «горючее» (такие процессы сопровождаются грандиозными взрывами, наблюдаемыми как вспышки сверхновых). Однако ранее Стивен Хокинг предсказал возможность существования другого класса этих объектов – так называемых «первичных черных дыр», возникших в течение секунды после Большого Взрыва из-за случайных колебаний плотности в горячей, быстро расширяющейся новорожденной Вселенной. Им для полного испарения и превращения в белую дыру нужно значительно меньше времени. И вот именно они, как предполагает Ровелли и соавтор исследования Франческа Видотто из Университета Страны Басков в Испании (Francesca Vidotto, Universidad del Pais Vasco, Bilbao), могут составлять заметную часть загадочной темной материи.

Дело в том, что белые дыры, как и черные, по сути, представляют собой концентрации большой массы в сравнительно малом объеме. Даже имея микроскопические размеры, они все равно могут быть довольно массивными: объект размером с песчинку должен быть тяжелее нашей Луны. Их излучение при этом будет сравнительно слабым. Локальная плотность темной материи в окрестностях Солнца, рассчитанная по скоростям движения близлежащих звезд составляет около одного процента солнечной массы на кубический парсек (или порядка 0,03% солнечной массы на кубический световой год). Чтобы обеспечить такую плотность только за счет белых дыр, достаточно одного подобного объекта массой в миллионную долю грамма на 10 тыс. кубических километров. По размеру такая «кроха» окажется меньше протона – это на порядки меньше длины волны даже самого высокоэнергетического гамма-излучения, поэтому для современных приборов они остаются невидимыми.

Что будет, если такая белая дыра случайно столкнется с частицей обычного вещества (с тем же протоном)? Она просто «отскочит» от него, слегка изменив его скорость и траекторию. Однако такие события крайне маловероятны. Зарегистрировать этот тип темной материи можно только при ее взаимодействии со сверхплотными объектами – например, с нейтронными звездами – либо же с «нормальными» черными дырами. Но такие эксперименты современная наука по понятным причинам поставить не может.

Сколь экзотической ни казалась бы идея невидимых микроскопических белых дыр, странствующих по Вселенной с момента ее рождения, группа Ровелли далее пришла к еще более удивительным выводам. Оказалось, что некоторые белые дыры могли существовать… еще до Большого Взрыва!

Теперь ученые сосредоточили свои теоретические исследования на вопросе, каким образом эти загадочные объекты (возможно, «доставшиеся по наследству» от некоей предыдущей вселенной) повлияли на эволюцию нашего мира. Не исключено, что эти исследования помогут объяснить многие загадки «асимметричности» нашей Вселенной – например, почему время в ней течет только в одном направлении.