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一般相対性理論において、ホワイトホールは、外部から侵入することはできないが、エネルギー、物質、光、情報がそこから脱出できる、仮想的な時空と特異点の領域である。この意味で、ホワイトホールは、エネルギー、物質、光、情報が脱出できないブラックホールの反対である。ホワイトホールは、永遠のブラックホールの理論に登場する。アインシュタイン場の方程式のこのような解は、未来のブラックホール領域に加えて、過去にホワイトホール領域を持つ。[ 1 ]ただし、この領域は重力崩壊によって形成されたブラックホールには存在せず、ホワイトホールが形成されるような観測された物理的プロセスもない。
超大質量ブラックホール（SMBH）は、理論的にはすべての銀河の中心に存在すると予測されており、銀河の形成に不可欠である可能性がある。スティーブン・ホーキング[ 2 ]らは、これらの超大質量ブラックホールが超大質量ホワイトホールを生み出す可能性があると提唱している[ 3 ] 。
ブラックホールと同様に、ホワイトホールも質量、電荷、角運動量などの特性を持っています。ホワイトホールは他の質量と同様に物質を引き付けますが、ホワイトホールに向かって落下する物体は、実際にホワイトホールの事象の地平線に到達することはありません（ただし、後述する最大拡張シュワルツシルト解の場合、過去のホワイトホールの事象の地平線は将来のブラックホールの事象の地平線になるため、それに向かって落下する物体は最終的にブラックホールの地平線に到達します）。表面のない重力場を想像してみてください。重力による加速度は、あらゆる物体の表面で最大になります。しかし、ブラックホールには表面がないため、重力による加速度は指数関数的に増加しますが、特異点には考慮される表面がないため、最終値に達することはありません。
量子力学では、ブラックホールはホーキング放射を放出するため、放射ガスと熱平衡状態になることができます（必須ではありません）。熱平衡状態は時間反転不変であるため、スティーブン・ホーキングは、熱平衡状態にあるブラックホールの時間反転は、熱平衡状態にあるホワイトホール（それぞれが同等の程度でエネルギーを吸収および放出する）をもたらすと主張しました。[ 4 ]その結果、これはブラックホールとホワイトホールの構造が相互的であり、通常のブラックホールからのホーキング放射がホワイトホールのエネルギーと物質の放出と同一視されることを意味する可能性があります。ホーキングの半古典的な議論は、量子力学的なAdS/CFT処理で再現されており、[ 5 ]反ド・ジッター空間のブラックホールはゲージ理論の熱ガスで記述され、その時間反転はブラックホール自身と同じです。
1930年代、物理学者のロバート・オッペンハイマーとハートランド・スナイダーは、アインシュタインの一般相対性理論の方程式の解としてホワイトホールの概念を導入した。現代物理学の基礎となるこれらの方程式は、質量のある物体による時空の曲率を記述する。ブラックホールは星の崩壊から生まれるのに対し、ホワイトホールは空間、時間、そして潜在的には宇宙の理論的な誕生を表す。中心では、空間と時間は特異点で終わるのではなく、量子効果によってアインシュタイン方程式が破られる短い遷移領域を越えて続く。この領域から、空間と時間はホワイトホールの内部構造を持って出現する。これは、ジョン・ライトン・シングがすでに示唆していた可能性である。[ 6 ]
ホワイトホールの存在の可能性は、1964 年に宇宙論学者のイゴール・ノビコフによって提唱され[ 7 ] 、ニコライ・カルダシェフによって発展させられました[ 8 ]。ホワイトホールは、電荷も回転もない永遠のブラックホールを記述するシュワルツシルト計量の最大拡張バージョンとして知られるアインシュタイン場方程式の解の一部として予測されています。ここで、「最大拡張」とは、時空に「端」があってはならないことを意味します。時空内の自由落下粒子の可能な任意の軌道（測地線に沿って）については、軌道がブラックホールの内部の中心にあるような重力特異点に当たらない限り、粒子の未来にこの経路を任意に遠くまで続けることができるはずです。この要件を満たすためには、粒子が外部から事象の地平線を通過して入るブラックホールの内部領域に加えて、外部の観測者が事象の地平線から上昇していく粒子の軌跡を外挿できるホワイトホールの内部領域が別途存在する必要があることが分かります。シュワルツシルト座標を使用する外部の観測者にとって、落下する粒子が無限に遠い未来のブラックホールの地平線に到達するには無限の時間を要する一方、観測者を通過する出ていく粒子は、無限に遠い過去にホワイトホールの地平線を越えてから無限の時間外向きに移動しています（ただし、粒子やその他の物体は、地平線を越えてから外部の観測者を通過するまでの有限の固有時間しか経験しません）。外部の観測者から見ると、ブラックホール/ホワイトホールは「永遠」に見えます。これは、ホワイトホールの内部領域から外向きに移動している粒子がいつでも観測者を通過する可能性があり、最終的にブラックホールの内部領域に到達する内向きに移動している粒子もいつでも観測者を通過する可能性があるという意味です。
最大限に拡張された時空には2つの独立した内部領域があるのと同様に、2つの独立した外部領域（時には2つの異なる「宇宙」と呼ばれる）があり、2番目の宇宙によって2つの内部領域におけるいくつかの可能な粒子軌道を外挿することができる。これは、内部ブラックホール領域にはどちらの宇宙から落ちてきた粒子も混在している可能性があり（したがって、一方の宇宙から落ちてきた観測者は、もう一方の宇宙から落ちてきた光を見ることができる可能性がある）、同様に、内部ホワイトホール領域の粒子はどちらの宇宙にも脱出できることを意味する。これら4つの領域はすべて、クルスカル・セケレス座標を使用した時空図で見ることができる（図を参照）。[ 9 ]
この時空では、一定時間の超曲面（すべての点が同じ時間座標を持つ点の集合であり、曲面上のすべての点が空間のような分離を持ち、「空間のような曲面」と呼ばれるものを与える）を選択し、その時点での空間の曲率を表す「埋め込み図」を描くと、埋め込み図が「アインシュタイン・ローゼン橋」またはシュヴァルツシルト・ワームホールとして知られる、2 つの外部領域をつなぐチューブのように見えるような座標系を考案することが可能です。[ 9 ]空間のような超曲面がどこで選択されるかによって、アインシュタイン・ローゼン橋は、各宇宙の 2 つのブラックホール事象の地平線（橋の内部の点が時空のブラックホール領域の一部となる）を接続するか、各宇宙の 2 つのホワイトホール事象の地平線（橋の内部の点がホワイトホール領域の一部となる）を接続することができます。しかし、この橋を使って一方の宇宙から他方の宇宙へ渡ることは不可能である。なぜなら、ホワイトホールの事象の地平線に外部から入ることは不可能であり、どちらの宇宙からブラックホールの地平線に入ったとしても、必ずブラックホールの特異点にぶつかるからである。
最大限に拡張されたシュワルツシルト計量は、外部の観測者から見て永遠に存在する理想化されたブラックホール/ホワイトホールを記述していることに注意してください。崩壊する星から特定の時間に形成されるより現実的なブラックホールには、別の計量が必要になります。落下する恒星物質がブラックホールの歴史の図に追加されると、ホワイトホールの内部領域に対応する図の部分が削除されます。[ 10 ]しかし、一般相対性理論の方程式は時間反転対称性を示すため、一般相対性理論は、崩壊する物質から形成されるこの種の「現実的な」ブラックホールの時間反転も許容する必要があります。時間反転の場合、宇宙の始まりから存在し、最終的に「爆発」して消滅するまで物質を放出するホワイトホールになります。[ 11 ]理論的にはそのような天体が存在する可能性はあるものの、自然界ではブラックホールほど真剣には扱われていない。なぜなら、自然界ではそのような天体の形成につながるプロセスは存在せず、ビッグバンの初期条件に組み込まれた場合にのみ存在し得るからである。[ 11 ]さらに、そのようなホワイトホールは非常に「不安定」であると予測されている。つまり、外部から事象の地平線に向かって少量の物質が落下すると、遠方の観測者から見るとホワイトホールの爆発が起こらず、特異点から放出された物質はホワイトホールの重力半径から脱出できなくなる。[ 12 ]
考慮するブラックホール解の種類に応じて、ホワイトホールにはいくつかの種類があります。前述のシュワルツシルトブラックホールの場合、ホワイトホールから伸びる測地線は、ホワイトホール内に存在する「重力特異点」から生じます。電荷を持つブラックホール（ライスナー・ノルドシュトロームブラックホール）や角運動量を持つブラックホール（カーブラックホール）の場合、ホワイトホールは別の宇宙に存在するブラックホールの「出口」となります。このようなブラックホールとホワイトホールの配置はワームホールと呼ばれます。しかし、どちらの場合も、ホワイトホールの「内部」領域に到達することは不可能であるため、ホワイトホールの挙動、特にそこから何が出てくるかは全く予測できません。この意味で、ホワイトホールは、宇宙の進化が決定論的ではないため予測できない配置と言えます。 「裸の特異点」は非決定論的な構成のもう一つの例ですが、特定の領域から到達できない領域がないため、ホワイトホールの地位はありません。基本的な概念では、ビッグバンは宇宙空間の裸の特異点と見なすことができますが、ホワイトホールには対応しません。[ 13 ]
ブラックホールは、巨大な恒星の残骸が収縮して形成されるという過程を経て誕生する。このような構造は静的なものではなく、巨大で広がった天体が収縮してブラックホールとなる。したがって、ブラックホールは永遠に存在するわけではなく、それに対応するホワイトホールも存在しない。
ホワイトホールが存在するためには、その形成につながる物理的プロセスから生じるか、宇宙の創造時から存在しているかのどちらかでなければならない。しかし、これらの解決策はいずれも満足のいくものではない。そのような構造の形成につながる既知の天体物理学的プロセスは存在せず、宇宙の創造時からそれを仮定することは、具体的な根拠のない非常に特殊な初期条件を想定することに等しい。
クエーサーが放射する膨大な量の光度は、数十億光年離れた場所からでも観測できるほど明るく、ホワイトホールや物質の連続生成現象といった特異な物理現象の源であると考えられていた（定常状態理論に関する記事を参照）。しかし、これらの考えは現在では放棄されており、クエーサーの観測された特性は、中心に超大質量ブラックホールがある降着円盤の特性によって非常によく説明されている。[ 13 ]
1980年代後半に初めて提唱されたブラックホールの見方は、古典的なホワイトホールの性質を解明する手がかりとなるかもしれない。一部の研究者は、ブラックホールが形成される際に、中心部/特異点でビッグバンが発生し、親宇宙の外側に膨張する新しい宇宙が創造される可能性があると提唱している。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]
アインシュタイン・カルタン・シアマ・キブル重力理論は、アフィン接続の対称性の制約を取り除き、その反対称部分であるねじれテンソルを動的変数とみなすことで、一般相対性理論を拡張する。ねじれは、物質の量子力学的固有角運動量（スピン）を自然に説明する。一般相対性理論によれば、十分にコンパクトな質量の重力崩壊は特異なブラックホールを形成する。しかし、アインシュタイン・カルタン理論では、ねじれとディラック・スピノルの間の最小限の結合により、極めて高密度のフェルミオン物質で重要な反発スピン-スピン相互作用が生成される。このような相互作用は、重力特異点の形成を妨げる。代わりに、事象の地平線の反対側の崩壊する物質は、巨大だが有限の密度に達して跳ね返り、規則的なアインシュタイン・ローゼン橋を形成する。[ 17 ]橋の反対側は、新しく成長するベビー宇宙となる。ベビー宇宙の観測者にとって、親宇宙は唯一のホワイトホールとして見える。したがって、観測可能な宇宙は、より大きな宇宙の中に存在する可能性のある多数のブラックホールのうちの1つであるブラックホールのアインシュタイン・ローゼン内部である。ビッグバンは、観測可能な宇宙が有限の最小スケールファクターを持つ非特異なビッグバウンスであった。 [ 18 ]
2003年にジョエル・スモラーとブレイク・テンプルによって提唱された衝撃波宇宙論では、「ビッグバン」はブラックホール内部での爆発であり、観測可能な宇宙を含む膨張する空間と物質の体積を生み出すとされています。[ 19 ]このブラックホールは、膨張に伴って物質密度が減少するため、最終的にはホワイトホールになります。関連する理論は、ダークエネルギーの代替案を提示しています。[ 20 ]
2012年の論文では、ビッグバン自体がホワイトホールであると主張している。[ 21 ]さらに、この論文では「スモールバン」と名付けられたホワイトホールの出現は自発的であり、すべての物質が単一のパルスで放出されると示唆している。したがって、ブラックホールとは異なり、ホワイトホールは継続的に観測することはできず、その影響は事象自体の周辺でのみ検出できる。この論文では、ホワイトホールを持つガンマ線バーストの新しいグループを特定することも提案している。
ブラックホールについては、その物理的プロセス（太陽よりやや質量の大きい恒星が核燃料を使い果たしたときに生じる重力崩壊など）がよく研究されているのに対し、ホワイトホールの生成に確実に繋がる明確な類似プロセスは存在しない。いくつかの仮説が提唱されている。
現在、ホワイトホールの存在を信じる科学者はごく少数であり、現実世界に対応するものはない単なる数学的な演習であると考えられている。[ 27 ]
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