近年来，黑洞已从高度理论化的奇异可能性转变为已被充分观测到的天体物理物体。观测证据来自于首次观测到黑洞碰撞引起的时空涟漪，以及2019年发布的第一个黑洞图像。
黑洞是爱因斯坦广义相对论的预测，该理论描述了宇宙的大尺度结构。但这些物体也必须在最小的尺度上扭曲时空，这意味着黑洞也必须具有有趣的量子特性。理论家的挑战在于找到将相对论和量子力学这两种截然不同的理论统一起来的方法，形成一个能够正确预测观测结果的“圈”量子引力理论。
而这些理论家们一直很忙。在过去十年里，他们发展出了对黑洞日益复杂的理论理解，这可能解释了宇宙学中的一些最大谜团。
现在，物理学家兼科普作家卡洛·罗韦利（Carlo Rovelli）与加拿大西安大略大学的弗朗切斯卡·维多托（Francesca Vidotto）一起，回顾了这一进展，并强调了一些令人震惊的结论。新工作表明，黑洞死亡后会变成白洞。无数微小的白洞可能随时穿过地球。而且，这些天体是宇宙学家认为充斥宇宙但从未直接观测到的暗物质的理想候选者。
白洞
天体物理学家长期以来认为，黑洞不可能是巨大且在宇宙寿命中保持不变的静态物体。相反，他们的工作表明黑洞会演化。现在，理论家们利用圈量子引力理论的工作，使这种演化的细节更加清晰。
首先，黑洞会通过发射霍金辐射而逐渐蒸发。这导致黑洞视界收缩，而内部体积不变。“这表明一个蒸发了很久的黑洞拥有一个小的视界，但内部体积却非常大，”罗韦利和维多托说。
这种收缩一直持续到黑洞缩小到普朗克尺度上最小可能的大小。此时，量子能量密度足以抵抗进一步的收缩。黑洞会反弹并经历一次奇怪的量子人格转变。“在蒸发结束时，黑洞会经历一次量子跃迁，变成一个具有普朗克尺度视界和巨大内部的白洞，”研究人员说。
这就是宇宙学家所谓的黑洞“残骸”，理解这些残骸的性质是他们工作的重要组成部分。
白洞的研究已经进行了一段时间。与黑洞一样，它们也是爱因斯坦场方程的合法解。“一个白洞时空只是一个黑洞时空的时间反演，”罗韦利和维多托说。
和黑洞一样，白洞过去并不被认为在宇宙中扮演主要角色。罗韦利和维多托表示，这种观点现在需要改变，就像对黑洞的看法一样，因为两者是内在联系的。
一个潜在的障碍一直是产生白洞的解不稳定。但罗韦利和维多托指出，任何不稳定性都应该导致黑洞和白洞的叠加态形成，而这种叠加态是稳定的。
无论如何，区别主要在于理论层面。对于普通观察者来说，白洞与黑洞是无法区分的。它们的不同之处仅在于过去和未来，尽管这种差异对于大多数观察者来说是无法触及的。
一个重要的问题是残骸能持续多久。罗韦利和维多托指出，对于残骸本身来说，完全消散的过程必须非常快。但由于时间膨胀，对于远处的观察者来说，这可能需要宇宙的寿命。
“高密度质量附近的时间会变慢，”研究人员说。“一个能够抵抗潮汐力的观察者，降落到一个普朗克尺度物质分布上，会发现自己几乎立即就到了遥远的未来，也就是黑洞结束蒸发的时间。”换句话说，“黑洞是通往遥远未来的捷径，”他们说。
如果这一切都是准确的，那么宇宙应该充满黑洞残骸（或白洞）。它们的质量应该对宇宙中所有可见物质产生引力效应。这就是为什么残骸是暗物质的良好候选者。
“残骸是暗物质的候选者，它不需要外来的假设，例如新的力、粒子、对爱因斯坦方程的修正，或者超出标准模型以外的物理学，”罗韦利和维多托说。“它只需要广义相对论和量子理论能够协同工作。”
量子探测器
但这些粒子将非常难以探测，因为引力在如此微小的尺度上是一种微弱的力量。然而，罗韦利和维多托表示可能有一种方法。
这个想法是创建一个同时存在于两个不同位置的质量，处于两种状态的量子叠加态。然后，当一个残骸飞过时，它将通过引力与更近的质量发生更强的相互作用，从而改变叠加态的性质。探测到这种变化将是暗物质粒子经过的迹象。
这是否能唯一地指示黑洞残骸的存在是另一个尚未决定的问题。但重要的是，这类实验现在已经接近于可行。
所有这些都使得这是一个令人兴奋的物理学领域。随着物理学家们收集更多关于黑洞碰撞和其他量子引力现象的详细观测数据，这个领域很可能会发生变化。所以请关注这里——黑洞、白洞和普朗克星将成为天体物理学中最酷的事物（仿佛它们以前不是一样！）。
参考：普朗克星、白洞、残骸和普朗克质量拟粒子：arxiv.org/abs/2407.09584
