Crne rupe možda imaju završnu fazu koja podsjeća na bijele rupe

Crne rupe možda nemaju kraj kakav su fizičari desetljećima zamišljali. U klasičnoj slici one su gotovo savršene kozmičke zamke: materija i svjetlost mogu završiti iza horizonta događaja, ali se od tamo više ne vraćaju. Novo teorijsko istraživanje sada otvara drukčiju mogućnost.

Najmanje crne rupe možda ne završavaju potpunim isparavanjem. Novo teorijsko istraživanje sugerira da bi u kasnoj fazi mogle prijeći u stanje koje izvana podsjeća na bijele rupe, hipotetske objekte koji se često opisuju kao suprotnost crnim rupama.

Prema općoj teoriji relativnosti, crna rupa je područje prostorvremena iz kojeg nema povratka. Njezina vanjska granica naziva se horizont događaja. Sve što se nađe dovoljno duboko unutar te granice, bilo da je riječ o materiji, zračenju ili samoj svjetlosti, za vanjski svemir ostaje izgubljeno.

U toj klasičnoj slici crne rupe ne stare na uobičajen način. One mogu rasti dok privlače plin, prašinu, zvijezde ili druge crne rupe, ali same od sebe ne gube masu. Njihova sudbina izgleda jednostavno: trajati sve dok postoji svemir koji ih okružuje.

Kvantna fizika tu sliku mijenja. Opća teorija relativnosti izvanredno opisuje gravitaciju i geometriju prostorvremena, ali ne uključuje kvantnu neodređenost. Na granici crne rupe, ondje gdje se ekstremna gravitacija susreće s kvantnim učincima, ta klasična slika više nije dovoljna.

Stephen Hawking je 1974. pokazao da crne rupe ipak ne moraju biti potpuno crne. Zbog kvantnih procesa u blizini horizonta događaja mogu emitirati iznimno slabo zračenje, danas poznato kao Hawkingovo zračenje. Time crna rupa postupno gubi energiju, a s njom i masu.

Za velike crne rupe taj je gubitak gotovo zanemariv. Crna rupa mase Sunca trajala bi neusporedivo dulje od sadašnje starosti svemira, koja iznosi oko 13,8 milijardi godina. Za astrofizičke crne rupe, poput onih koje nastaju urušavanjem masivnih zvijezda ili se nalaze u središtima galaksija, Hawkingovo zračenje zato nema praktičan učinak u današnjoj kozmičkoj epohi

Najmanje crne rupe otvaraju najveći problem

Hawkingov izračun oslanja se na poluklasičnu pretpostavku. To znači da se kvantna fizika koristi za opis čestica i zračenja, ali se samo prostorvrijeme i dalje tretira kao klasična pozadina. Drugim riječima, kvantni učinci postoje, ali se pretpostavlja da ne mijenjaju duboko samu geometriju crne rupe.

Kod velikih crnih rupa ta je pretpostavka razumna. Problem nastaje kod vrlo malih crnih rupa, gdje kvantni učinci više ne bi bili samo sitna korekcija.

Zato su u središtu ovakvih istraživanja često primordijalne crne rupe. To su hipotetske crne rupe koje su mogle nastati u vrlo ranom svemiru, prije prvih zvijezda i galaksija. Za razliku od crnih rupa nastalih urušavanjem masivnih zvijezda, primordijalne crne rupe mogle su imati širok raspon masa, pa i mase mnogo manje od Sunčeve.

Takvi objekti nikada nisu potvrđeni, ali su važni u teorijskoj kozmologiji. Neki modeli ih razmatraju kao mogući dio tamne tvari. Drugi ih koriste kao prirodni laboratorij za pitanje koje današnja fizika još nije riješila: što se događa s crnom rupom kada postane dovoljno mala da kvantna gravitacija više ne može biti zanemarena?

Upravo tu Hawkingova izvorna slika postaje nedovoljna. Ako crna rupa gubi masu, zračenje postaje sve snažnije. No pri vrlo malim masama ne možemo više biti sigurni da se proces nastavlja na isti način sve do potpunog nestanka.

Donja granica života crne rupe

Novo istraživanje pokušava opreznije postaviti granice tog procesa. Autori ne tvrde da imaju konačan opis smrti crne rupe. Za to bi bila potrebna potpuna kvantna teorija gravitacije, a takva teorija još ne postoji.

Umjesto toga postavljaju drukčije pitanje: koliko najkraće crna rupa može trajati ako se u obzir uzmu općenitiji kvantni uvjeti?

Polaze od pretpostavke da je prostorvrijeme daleko od crne rupe i dalje poluklasično. To znači da, bez obzira na to koliko fizika postaje neobična blizu horizonta događaja, dovoljno daleko od crne rupe još uvijek vrijedi približno ista slika na kojoj se temeljio Hawkingov rad.

Autori također uzimaju u obzir problem informacija u crnim rupama. To je jedno od najdubljih otvorenih pitanja moderne fizike. Ako materija padne u crnu rupu, što se događa s informacijom o njezinu stanju? Klasična relativnost kao da dopušta njezin nestanak, dok kvantna fizika ne prihvaća takav gubitak.

U tom okviru istraživanje dolazi do jednostavnog rezultata: minimalni životni vijek crne rupe ovisi o početnoj masi na drukčiji način nego u Hawkingovom izvornom izračunu. Najvažnije je da taj rezultat ne određuje koliko dugo crna rupa najviše može trajati, nego koliko kratko smije trajati. Stvarni životni vijek mogao bi biti dulji, ovisno o tome kako će buduća teorija riješiti problem kvantne gravitacije i informacija.

Tri faze umjesto jednostavnog isparavanja

Prema ovom radu, isparavanje crne rupe ne mora biti jednostavan proces koji se samo ubrzava do kraja. Autori ga dijele u tri faze.

Prva je poznata faza Hawkingovog zračenja. U njoj crna rupa polako gubi masu, a poluklasični opis još uvijek daje smislen okvir.

Druga je prijelazna faza. U njoj se klasična slika sve više povlači, a kvantni učinci postaju presudni. To je područje u kojem se više ne može osloniti na jednostavnu računicu iz 1970-ih.

Treća je faza isprepletenosti. Ona se odnosi na duboku kvantnu povezanost stanja unutar i izvan crne rupe. Upravo ta faza zahtijeva teoriju kvantne gravitacije. Bez nje nije moguće izračunati konačan ishod.

Zato je najvažnija poruka rada oprezna, ali snažna: crne rupe možda ne prelaze iz postojanja u nestanak na jednostavan način. Njihov kraj mogao bi uključivati dugotrajno kvantno stanje koje iz današnje perspektive tek djelomično razumijemo.

Mogu li bijele rupe ipak imati fizički smisao?

Najneobičniji dio istraživanja odnosi se na kasnu fazu života malih crnih rupa. Autori razmatraju mogućnost da takve crne rupe ne nestanu odmah nakon faze Hawkingovog zračenja, nego da uđu u metastabilno stanje. Drugim riječima, mogle bi neko vrijeme ostati u posebnoj, privremeno stabilnoj fazi u kojoj se više ne ponašaju kao obične crne rupe.

Iz perspektive udaljenog promatrača, takav bi objekt u određenim uvjetima mogao nalikovati bijeloj rupi.

Bijele rupe su teorijski objekti koji se često opisuju kao vremenska suprotnost crnih rupa. Crna rupa dopušta ulazak, ali ne i povratak iz unutrašnjosti. Bijela rupa, u najjednostavnijoj slici, dopuštala bi izlazak, ali ne i ulazak. Takva rješenja pojavljuju se u matematici opće relativnosti, no dosad nisu opažena i ostaju izrazito spekulativna.

Novo istraživanje ne tvrdi da su bijele rupe pronađene. Ne tvrdi ni da klasične bijele rupe doista postoje u svemiru. Njegova je tvrdnja opreznija: određene male crne rupe, osobito primordijalne crne rupe, mogle bi nakon faze Hawkingovog zračenja prijeći u stanje koje izvana ima sličan opažajni potpis.

U tom scenariju objekt više ne bi izgledao kao crna rupa koja postupno gubi masu i bliži se kraju. Umjesto toga, njegovo bi zračenje moglo nositi obilježja sustava koji energiju usmjerava prema van. To ne bi bila potvrda bijele rupe u klasičnom smislu, nego mogući trag kvantne završne faze crne rupe.

Ako su primordijalne crne rupe doista nastale u ranom svemiru, neke su možda već odavno prošle kroz početnu fazu Hawkingovog zračenja. Prema ovom scenariju, nakon toga nisu morale potpuno nestati. Mogle su prijeći u dugotrajnije kvantno stanje koje bi danas, barem u teoriji, moglo ostaviti opažljiv trag.

Takav objekt zasad nije pronađen. No istraživanje je važno zato što širi prostor mogućih ishoda. Bijele rupe ne prikazuje kao potvrđene kozmičke objekte, nego kao mogući vanjski potpis procesa koji se odvijaju u završnoj fazi malih crnih rupa. A upravo ondje, na granici opće relativnosti i kvantne fizike, današnja fizika još nema konačan odgovor.

Izvori i publikacija

Eugenio Bianchi et al, Minimum lifetime of a black hole

DOI: 10.48550/arxiv.2605.03922

Časopis / izvor: arXiv

Podijeli članak