Чёрные дыры известны тем, что сливаются при столкновении, но возможен ли обратный процесс? Может ли одна чёрная дыра каким-то образом разделиться на две меньшие? Новое теоретическое исследование показывает, что физика, возможно, не исключает эту необычайную возможность полностью, хотя для этого потребовались бы экстремальные условия.
Работа опубликована в журнале Physical Review D под названием «When Black Holes Admit Pair-of-pants Topologies» («Когда чёрные дыры допускают топологии типа „штанов“»). В ней изучаются физические законы, которые сохраняют чёрные дыры целыми, и рассматривается, могут ли некоторые обстоятельства позволить им распасться.
«В нашем исследовании мы выясняем, какие физические законы обычно не позволяют чёрной дыре разделиться на две. Мы также изучаем, могут ли определённые обстоятельства допустить такое разделение», — говорит Франческо Саннино, соавтор исследования, профессор физики Неаполитанского университета имени Фридриха II (Италия) и Центра квантовой теории поля при Университете Южной Дании.
В состав исследовательской группы также вошёл Джакомо Качапальья, сотрудник Национального центра научных исследований Франции (CNRS) в Лаборатории теоретической физики и физики высоких энергий — совместной лаборатории CNRS и Университета Сорбонны в Париже. Среди других участников — Мануэль Дель Пьяно и Вания Веллуччи, оба из Центра квантовой теории поля при Университете Южной Дании.
Почему чёрные дыры обычно не могут разделиться
Одно из главных препятствий для деления чёрной дыры связано с термодинамикой — разделом физики, который описывает поведение энергии и изменения физических систем.
Ключевое понятие здесь — энтропия, которая описывает, сколько различных микроскопических конфигураций может иметь система, оставаясь внешне неизменной. У чёрных дыр есть энтропия, и это свойство накладывает важные ограничения на то, что с ними может происходить.
Если чёрная дыра не вращается, её деление на две меньшие привело бы к уменьшению полной энтропии. Из-за такого снижения процесс оказывается термодинамически невыгодным, что помогает объяснить, почему чёрные дыры обычно не распадаются.
Однако исследователи обнаружили, что ситуация может резко измениться, если чёрная дыра вращается с исключительно высокой скоростью.
Экстремальное вращение может позволить чёрным дырам разделиться
Расчёты команды показывают, что быстрое вращение может создать узкую брешь в физических правилах, которые обычно препятствуют делению чёрных дыр. В принципе, достаточно быстро вращающаяся чёрная дыра способна преодолеть обычное термодинамическое ограничение.
Но есть и другое серьёзное препятствие. Даже если бы чёрная дыра могла разделиться, два получившихся объекта должны были бы разойтись достаточно далеко, чтобы тут же не слиться снова.
«Но две получившиеся чёрные дыры должны также суметь разойтись, а не сразу упасть друг на друга. Если учесть это требование, окно возможностей в значительной мере снова закрывается — за исключением, возможно, чёрных дыр, вращающихся почти с максимально возможной скоростью», — говорит Франческо Саннино.
Необычное название исследования относится к форме, которую очерчивала бы в пространстве и времени граница чёрной дыры, если бы такое разделение произошло. Эта граница, называемая горизонтом, начиналась бы как единая структура, а затем разделялась на две отдельные ветви.
Если рассматривать её во времени, получившаяся форма напоминала бы брюки: верхняя часть разделяется на две «штанины». Отсюда и термин «топологии типа „штанов“» (pair-of-pants topologies).
Дополнительные измерения открывают ещё одну возможность
Исследователи также изучили более необычные сценарии, связанные с теориями, в которых у пространства есть дополнительные измерения помимо трёх, знакомых нам в повседневной жизни.
Физики уже выявили в некоторых из таких теоретических моделей объекты, похожие на чёрные дыры, которые могут становиться неустойчивыми и начинать распадаться. Эти возможности говорят о том, что привычные правила, управляющие чёрными дырами, могут действовать иначе в более экзотических условиях.
В некоторых случаях разделение может даже стать термодинамически выгодным, особенно если одна из двух получившихся чёрных дыр намного меньше другой.
Однако то, что процесс разрешён или выгоден с точки зрения термодинамики, ещё не означает, что он произойдёт. Исследователям предстоит определить, может ли такая фрагментация происходить физически и какие условия сделали бы её возможной.
Смогут ли астрономы обнаружить деление чёрной дыры?
Учёные сейчас работают над тем, чтобы лучше понять, насколько вероятны такие события. Ответ может зависеть от аспектов гравитации, выходящих за рамки теории Эйнштейна, что делает задачу особенно сложной.
«Пока мы не можем назвать единую вероятность деления чёрной дыры. Она зависит от того, как ведёт себя гравитация за пределами теории Эйнштейна, и мы работаем над тем, чтобы оценить это количественно. Мы ожидаем, что маленькие первичные чёрные дыры более склонны к делению, чем гораздо более крупные астрофизические чёрные дыры. Деление можно обнаружить косвенно: гамма-телескопы, такие как Fermi-LAT, могут искать сигналы от крошечных фрагментов чёрных дыр, которые могут образовываться при слияниях», — говорит Франческо Саннино.
Хотя подтверждённых наблюдений деления чёрной дыры сейчас нет, возможность обнаружить сигналы от крошечных фрагментов даёт потенциальный способ проверить эту идею. Такие свидетельства могли бы дать ценные подсказки о поведении гравитации в одних из самых экстремальных условий во Вселенной.
Саннино — директор Центра квантовой теории поля (ℏQTC), который входит в состав Института математики и компьютерных наук (IMADA) Университета Южной Дании. Он также связан с Датским институтом перспективных исследований и кафедрой физики имени Этторе Панчини Неаполитанского университета имени Фридриха II. Кроме того, он является приглашённым профессором Даремского университета.