Rozkład ciemnej materii w gromadzie galaktyk Abell 3827 pojawia się jako niebieskie linie konturowe na tym zdjęciu przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a.
(Zdjęcie: © ESO / R. Massey)
Nowe badania dowodzą, że białe dziury, które są teoretycznie dokładnymi przeciwieństwami czarnych dziur, mogą stanowić większą część tajemniczej ciemnej materii, która, jak się uważa, stanowi większość materii we wszechświecie. Naukowcy stwierdzili, że niektóre z tych dziwnych białych dziur mogą nawet poprzedzać Wielki Wybuch.
Czarne dziury posiadają siły grawitacyjne tak silne, że nawet światło, najszybsza rzecz we wszechświecie, nie może ich uciec. Niewidoczna sferyczna granica otaczająca rdzeń czarnej dziury, która wyznacza jej punkt bez powrotu, znana jest jako horyzont zdarzeń. [Obrazy: Czarne dziury wszechświata]
Czarna dziura to jedna z prognoz ogólnej teorii względności Einsteina. Inny znany jest jako biała dziura, która jest jak czarna dziura na odwrót: podczas gdy nic nie może uciec z horyzontu zdarzeń czarnej dziury, nic nie może wejść do horyzontu zdarzeń białej dziury.
Wcześniejsze badania sugerowały, że czarne dziury i białe dziury są połączone, a materia i energia wpadają do czarnej dziury potencjalnie wyłaniającej się z białej dziury albo gdzieś indziej w kosmosie, albo w innym wszechświecie. W 2014 roku Carlo Rovelli, fizyk teoretyczny z Aix-Marseille University we Francji, i jego koledzy zasugerowali, że czarne dziury i białe dziury mogą być połączone w inny sposób: kiedy czarne dziury umierają, mogą stać się białymi dziurami.
W latach 70. fizyk teoretyczny Stephen Hawking obliczył, że wszystkie czarne dziury powinny odparować masę, emitując promieniowanie. Oczekuje się, że czarne dziury, które tracą więcej masy niż zyskują, kurczą się i ostatecznie znikają.
Jednak Rovelli i jego koledzy zasugerowali, że kurczące się czarne dziury nie mogłyby zniknąć, gdyby tkanka przestrzeni i czasu była kwantowa - to znaczy wykonana z niepodzielnych ilości zwanych kwantami. Czasoprzestrzeń jest kwantem w badaniach, które mają na celu połączenie ogólnej teorii względności, która może wyjaśnić naturę grawitacji, z mechaniką kwantową, która może opisać zachowanie wszystkich znanych cząstek, w jedną teorię, która może wyjaśnić wszystkie siły wszechświata .
W badaniu z 2014 r. Rovelli i jego zespół zasugerowali, że gdy czarna dziura wyparuje do tego stopnia, że nie będzie mogła się już bardziej skurczyć, ponieważ czasoprzestrzeni nie da się wcisnąć w nic mniejszego, umierająca czarna dziura odbije się, tworząc białą otwór.
„Natknęliśmy się na fakt, że czarna dziura staje się białą dziurą pod koniec parowania”, powiedział Rovelli dla Space.com.
Uważa się, że obecnie powstają czarne dziury, gdy masywne gwiazdy giną w gigantycznych eksplozjach znanych jako supernowe, które ściskają ich zwłoki w nieskończenie gęstych punktach zwanych osobliwościami w sercu czarnych dziur. Rovelli i jego koledzy wcześniej oszacowali, że przekształcenie się w białą dziurę zajmie czarną dziurę o masie równej masie Słońca około kwadrylion razy w stosunku do obecnego wieku wszechświata. [Zdjęcia Supernova: wielkie obrazy wybuchów gwiazd]
Jednak wcześniejsze prace w latach 60. i 70. XX wieku sugerowały, że czarne dziury mogły powstać w ciągu sekundy po Wielkim Wybuchu, z powodu przypadkowych wahań gęstości w gorącym, szybko rozszerzającym się nowonarodzonym wszechświecie. Obszary, w których te fluktuacje skoncentrowały materię, mogły się zapaść, tworząc czarne dziury. Rovelli i jego koledzy zauważyli, że te tak zwane pierwotne czarne dziury byłyby znacznie mniejsze niż czarne dziury o masie gwiazdowej i mogłyby umrzeć, tworząc białe dziury w ciągu życia wszechświata.
Nawet białe dziury o mikroskopijnych średnicach mogą nadal być dość masywne, podobnie jak czarne dziury mniejsze niż ziarno piasku mogą ważyć więcej niż księżyc. Teraz Rovelli i współautorka badań Francesca Vidotto z Uniwersytetu Kraju Basków w Hiszpanii sugerują, że te mikroskopijne białe dziury mogą tworzyć ciemną materię.
Chociaż uważa się, że ciemna materia stanowi pięć szóstych całej materii we wszechświecie, naukowcy nie wiedzą, z czego są zrobione. Jak sama nazwa wskazuje, ciemna materia jest niewidoczna; nie emituje, nie odbija, a nawet nie blokuje światła. W rezultacie ciemną materię można obecnie śledzić tylko poprzez jej wpływ grawitacyjny na normalną materię, taką jak ta, która tworzy gwiazdy i galaktyki. Natura ciemnej materii jest obecnie jedną z największych tajemnic w nauce.
Lokalna gęstość ciemnej materii, jak sugeruje ruch gwiazd w pobliżu Słońca, wynosi około 1 procent masy Słońca na parsekundę sześcienną, czyli około 34,7 sześciennych lat świetlnych. Aby uwzględnić tę gęstość za pomocą białych dziur, naukowcy obliczyli jedną małą białą dziurę - znacznie mniejszą niż proton i około jednej milionowej grama, co odpowiada masie „pół cala ludzkiego włosa” Rovellego powiedział - jest potrzebny na 2400 mil sześciennych (10 000 kilometrów sześciennych).
Te białe dziury nie emitowałyby promieniowania, a ponieważ są znacznie mniejsze niż długość fali światła, byłyby niewidoczne. Jeśli proton zdarzy się uderzyć w jedną z tych białych dziur, biała dziura „po prostu odbije się”, powiedział Rovelli. „Nie mogą niczego połknąć”. Dodał, że jeśli czarna dziura napotka jedną z tych białych dziur, wynikiem będzie pojedyncza większa czarna dziura. Jakby idea niewidocznych, mikroskopijnych białych dziur od zarania dziejów nie była wystarczająco dzika, Rovelli i Vidotto dalej zasugerowali, że niektóre białe dziury we wszechświecie mogą faktycznie poprzedzać Wielki Wybuch. Przyszłe badania zbadają, w jaki sposób takie białe dziury z poprzedniego wszechświata mogą pomóc wyjaśnić, dlaczego czas płynie tylko do przodu w tym obecnym wszechświecie, a nie odwrotnie, powiedział.
Rovelli i Vidotto szczegółowo opisali swoje odkrycia online 11 kwietnia w artykule przedłożonym do corocznego konkursu Gravity Research Foundation na eseje na temat grawitacji.
