Every Black Hole Contains Another Universe – Equations Predict

Like part of a cosmic Russian doll, our universe may be perfectly nested inside a black hole that is itself part of a larger universe. In turn, all the black holes found so far in our universe—from the microscopic to the supermassive—may be ultimate doorways into alternate realities.

According to a mind-bending new theory, a black hole is actually a tunnel between universes—a type of wormhole. The matter the black hole attracts doesn’t collapse into a single point, as has been predicted, but rather gushes out a “white hole” at the other end of the black one, the theory goes.

In a paper published in the journal Physics Letters B, Indiana University physicist Nikodem Poplawski presents new mathematical models of the spiraling motion of matter falling into a black hole. His equations suggest such wormholes are viable alternatives to the “space-time singularities” that Albert Einstein predicted to be at the centers of black holes. According to Einstein’s equations for general relativity, singularities are created whenever matter in a given region gets too dense, as would happen at the ultra-dense heart of a black hole.

Einstein’s theory suggests singularities take up no space, are infinitely dense, and are infinitely hot—a concept supported by numerous lines of indirect evidence but still so outlandish that many scientists find it hard to accept. If Poplawski is correct, they may no longer have to. According to the new equations, the matter black holes absorb and seemingly destroy is actually expelled and becomes the building blocks for galaxies, stars, and planets in another reality.

The notion of black holes as wormholes could explain certain mysteries in modern cosmology, Poplawski said. For example, the big bang theory says the universe started as a singularity. But scientists have no satisfying explanation for how such a singularity might have formed in the first place. If our universe was birthed by a white hole instead of a singularity, Poplawski said:

 “It would solve this problem of black hole singularities and also the big bang singularity.”

Wormholes might also explain gamma ray bursts, the second most powerful explosions in the universe after the big bang. Gamma ray bursts occur at the fringes of the known universe. They appear to be associated with supernovae, or star explosions, in faraway galaxies, but their exact sources are a mystery.

Poplawski proposes that the bursts may be discharges of matter from alternate universes. The matter, he says, might be escaping into our universe through supermassive black holes—wormholes—at the hearts of those galaxies, though it’s not clear how that would be possible. The wormhole theory may also help explain why certain features of our universe deviate from what theory predicts, according to physicists.

“It’s kind of a crazy idea, but who knows?” he said. There is at least one way to test Poplawski’s theory: Some of our universe’s black holes rotate, and if our universe was born inside a similarly revolving black hole, then our universe should have inherited the parent object’s rotation. If future experiments reveal that our universe appears to rotate in a preferred direction, it would be indirect evidence supporting his wormhole theory, Poplawski said.

Based on the standard model of physics, after the big bang the curvature of the universe should have increased over time so that now—13.7 billion years later—we should seem to be sitting on the surface of a closed, spherical universe. But observations show the universe appears flat in all directions.

What’s more, data on light from the very early universe show that everything just after the big bang was a fairly uniform temperature. That would mean that the farthest objects we see on opposite horizons of the universe were once close enough to interact and come to equilibrium, like molecules of gas in a sealed chamber.

Again, observations don’t match predictions, because the objects farthest from each other in the known universe are so far apart that the time it would take to travel between them at the speed of light exceeds the age of the universe. Inflation states that shortly after the universe was created, it experienced a rapid growth spurt during which space itself expanded at faster-than-light speeds. The expansion stretched the universe from a size smaller than an atom to astronomical proportions in a fraction of a second.

The universe therefore appears flat, because the sphere we’re sitting on is extremely large from our viewpoint—just as the sphere of Earth seems flat to someone standing in a field. Inflation also explains how objects so far away from each other might have once been close enough to interact. But—assuming inflation is real—astronomers have always been at pains to explain what caused it. That’s where the new wormhole theory comes in.

According to Poplawski, some theories of inflation say the event was caused by “exotic matter,” a theoretical substance that differs from normal matter, in part because it is repelled rather than attracted by gravity. Based on his equations, Poplawski thinks such exotic matter might have been created when some of the first massive stars collapsed and became wormholes.

 “There may be some relationship between the exotic matter that forms wormholes and the exotic matter that triggered inflation,” he said.

The new model isn’t the first to propose that other universes exist inside black holes. Damien Easson, a theoretical physicist at Arizona State University, has made the speculation in previous studies.

 “What is new here is an actual wormhole solution in general relativity that acts as the passage from the exterior black hole to the new interior universe.In our paper, we just speculated that such a solution could exist, but Poplawski has found an actual solution,” said Easson, referring to Poplawski’s equations (who was not involved in the new study). Nevertheless, the idea is still very speculative, Easson said in an email.

“Is the idea possible? Yes. Is the scenario likely? I have no idea. But it is certainly an interesting possibility. Future work in quantum gravity—the study of gravity at the subatomic level—could refine the equations and potentially support or disprove Poplawski’s theory”, Easson said.

Overall, the wormhole theory is interesting, but not a breakthrough in explaining the origins of our universe, said Andreas Albrecht, a physicist at the University of California, Davis, who was also not involved in the new study. By saying our universe was created by a gush of matter from a parent universe, the theory simply shifts the original creation event into an alternate reality. In other words, it doesn’t explain how the parent universe came to be or why it has the properties it has—properties our universe presumably inherited.

 “There’re really some pressing problems we’re trying to solve, and it’s not clear that any of this is offering a way forward with that,” he said.

Still, Albrecht doesn’t find the idea of universe-bridging wormholes any stranger than the idea of black hole singularities, and he cautions against dismissing the new theory just because it sounds a little out there.

 “Everything people ask in this business is pretty weird,” he said. “You can’t say the less weird [idea] is going to win, because that’s not the way it’s been, by any means.”

Precum una din piesele  dintr-o cosmică păpușă Matrioșka, universul nostru poate fi perfect îmbrăcat într-o gaură neagră, care este ea însăși parte a unui univers mai mare. La randul sau, toate gaurile negre găsite până acum în universul nostru – de la microscopic la supermassive – pot fi doar portaluri către realitati alternative. Conform unei noi teorii, o gaură neagră este de fapt un tunel între universuri – un tip de gaură de vierme. Materia pe care o atrage gaura neagră nu se prăbușește într-un singur punct, așa cum s-a anticipat, ci mai degrabă țâșnește printr-o  „gaură albă” la celălalt capăt.

Într-o lucrare publicată în revista Physics Letters B, fizicianul din Indiana, Nikodem Poplawski, prezintă modele matematice noi ale mișcării în spirală a materiei care se încadrează într-o gaură neagră. Ecuațiile sale sugerează că astfel de găuri de vierme sunt alternative viabile la „singularitățile spațiu-timp” pe care Albert Einstein le-a prevăzut să fie în centrele găurilor negre. Conform ecuațiilor lui Einstein pentru relativitatea generală, singularitățile sunt create ori de câte ori materia într-o anumită regiune devine prea densă, așa cum se întâmplă în inima ultra-densă a unei găuri negre.

Teoria lui Einstein sugerează că singularitățile nu ocupă nici un spațiu, sunt infinit de dense și sunt infinit de fierbinți – un concept susținut de numeroase linii de dovezi indirecte, dar încă atât de ciudat încât pentru mulți oameni de știință pare greu de acceptat. Dacă Poplawski are dreptate, conform noilor ecuații, se pare  că materia care era absorbită și distrusă în găurile negre este de fapt expulzată și devine blocurile de construcție pentru galaxii, stele și planete într-o altă realitate.

Noțiunea de găuri negre ca găuri de vierme ar putea explica anumite mistere în cosmologia modernă, a spus Poplawski. De exemplu, teoria Big Bang spune că universul a început ca o singularitate. Dar oamenii de știință nu au o explicație satisfăcătoare pentru modul în care o astfel de singularitate s-ar fi putut forma în primul rând. Dacă universul nostru a fost înmulțit de o gaură albă în loc de o singularitate, Poplawski a spus:

„Ar rezolva această problemă a singularităților găurilor negre și, de asemenea, singularitatea Big Bang”.

Gaurile de vierme ar putea, de asemenea, să explice exploziile de raze gama, cele două explozii cele mai puternice din univers după Big Bang. Exploziile cu raze Gamma apar la marginea universului cunoscut. Se pare că sunt asociate cu supernove, sau explozii ale stelelor, în galaxii îndepărtate, dar sursele lor exacte sunt un mister.

Poplawski propune ca exploziile să poată fi deversări de materie din universuri alternative. Problema, spune el, ar putea să scape în universul nostru prin găuri negre supermassive – gauri de vierme – în inima acelor galaxii, deși nu este clar cum ar fi posibil acest lucru. Teoria găurii de vierme poate ajuta, de asemenea, să explice de ce anumite caracteristici ale universului nostru se abat de la ceea ce prezice teoria, potrivit fizicienilor.

„Este o idee nebună, dar cine știe?”

Există cel puțin o modalitate de a testa teoria lui Poplawski: Unele găuri negre ale universului nostru se rotesc și, dacă universul nostru s-a născut într-o gaură neagră rotativă similară, atunci universul nostru ar fi trebuit să moștenească rotația obiectului părinte. Dacă experimentele viitoare arată că universul nostru pare să se rotească într-o direcție preferată, ar fi dovezi indirecte care susțin teoria viermii de vierme, a spus Poplawski.

Bazându-se pe modelul standard al fizicii, după Big Bang, curbura universului ar fi trebuit să crească în timp, astfel că, acum, 13,7 miliarde de ani mai târziu, ar trebui să păstrăm situația pe un univers închis, sferic. Dar observațiile arată că universul pare plat în toate direcțiile.

Mai mult, datele despre lumina din universul foarte timpuriu arată că totul imediat după Big Bang era o temperatură destul de uniformă. Asta ar însemna că și cele mai îndepărtate obiecte pe care le vedem pe orizonturile opuse ale universului au fost odată destul de aproape încât să interacționeze și să ajungă la echilibru, precum moleculele de gaz într-o cameră sigilată.

Din nou, observațiile nu se potrivesc predicțiilor, deoarece obiectele cele mai îndepărtate unul de celălalt în universul cunoscut sunt atât de departe încât timpul necesar pentru a călări între ele la viteza luminii depășește vârsta universului. Inflația afirmă că, la scurt timp după crearea universului, a cunoscut o creștere rapidă în timpul căreia spațiul însuși sa extins la viteze mai rapide decât lumina. Expansiunea a întins universul de la o dimensiune mai mică decât un atom la proporții astronomice într-o fracțiune de secundă.

Prin urmare, universul pare plat, deoarece sfera pe care stăm este extrem de mare din punctul nostru de vedere – așa cum sfera Pământului pare a fi netedă pentru cineva care stă pe un câmp. Inflația explică, de asemenea, modul în care obiectele atât de îndepărtate unul de celălalt ar fi putut fi odată suficient de aproape pentru a interacționa. Dar, presupunând că inflația este reală, astronomii s-au străduit mereu să explice ce a cauzat inflația. Aici intră noua teorie a viermii de vierme. Potrivit lui Poplawski, unele teorii ale inflației spun că evenimentul a fost cauzat de „materia exotică”, o substanță teoretică care diferă de materia normală, în parte deoarece este respinsă mai degrabă decât atrasă de gravitate. Pe baza ecuațiilor sale, Poplawski crede că o asemenea materie exotică ar fi putut fi creată atunci când unele dintre primele stele masive s-au prăbușit și au devenit găuri de vierme.

„Este posibil să existe o anumită relație între materia exotică care formează găurile de vierme și materia exotică care a declanșat inflația”, a spus el.

Noul model nu este primul care propune ca alte universuri să existe în găurile negre. Damien Easson, fizician teoretic la Universitatea de Stat din Arizona, a făcut speculațiile în studiile anterioare.

„Ceea ce este nou aici este o soluție reală de vierme de vierme în relativitatea generală care acționează ca trecerea de la gaura neagră exterioară la noul univers interior. În lucrarea noastră, am speculat că o astfel de soluție ar putea exista, dar Poplawski a găsit o soluție reală , ”A spus Easson, referindu-se la ecuațiile lui Poplawski (care nu a fost implicat în noul studiu). Cu toate acestea, ideea este încă foarte speculativă, a spus Easson într-un e-mail.

„Ideea este posibilă? Da. Scenariul este probabil? Nu am nici o idee. Dar este cu siguranță o posibilitate interesantă. Munca viitoare în gravitația cuantică – studiul gravitației la nivel subatomic – ar putea perfecționa ecuațiile și ar putea susține sau respinge teoria lui Poplawski ”, a spus Easson.

În ansamblu, teoria găurii de vierme este interesantă, dar nu este o descoperire nouă în explicarea originilor universului nostru, a declarat Andreas Albrecht, fizician la Universitatea din California, Davis, care, de asemenea, nu a fost implicat în noul studiu. Spunând că universul nostru a fost creat de o mișcare de materie dintr-un univers părinte, teoria schimbă pur și simplu evenimentul creației originale într-o realitate alternativă. Cu alte cuvinte, nu explică cum a ajuns universul părinte, sau de ce are proprietățile pe care le are – proprietățile pe care universul nostru le-a moștenit probabil.

„Există într-adevăr câteva probleme presante pe care încercăm să le rezolvăm și nu este clar că toate acestea oferă o cale de urmat în acest sens”, a spus el. Cu toate acestea, Albrecht nu găsește ideea că găurile de vierme care se află în univers sunt mai ciudate decât ideea de singularitățe ale găurilor negre și avertizează în a nu se respinge o noua teorie doar pentru că sună puțin ciudat.

„Totul în această afacere este destul de ciudat”, a spus el.

***