Физики выяснили, при каких условиях одна чёрная дыра может разделиться на две
Международная группа физиков выяснила, что чёрные дыры, вращающиеся почти с максимально допустимой скоростью, теоретически могут разделяться на два меньших объекта при определённых условиях. Расчёты показали, что привычные ограничения общей теории относительности в некоторых предельных случаях оставляют небольшую возможность для такого процесса. Однако существование подобного механизма пока не доказано, а сама фрагментация чёрных дыр никогда не наблюдалась.
Исследование провели учёные из Университета Южной Дании, Неаполитанского университета имени Федерико II и французских научных организаций CNRS и Сорбонны. Авторы попытались ответить на необычный вопрос: если две чёрные дыры способны сливаться в одну, может ли произойти обратный процесс?
Согласно классической общей теории относительности, обычная невращающаяся чёрная дыра не может самопроизвольно разделиться на две меньшие. Одно из главных препятствий связано со вторым законом термодинамики, согласно которому полная энтропия замкнутой системы не должна уменьшаться.
Энтропия чёрной дыры определяется площадью её горизонта — границы, за которой свет и вещество уже не могут вернуться во внешнее пространство. Для невращающейся чёрной дыры эта величина пропорциональна квадрату её массы. Если мысленно разделить такой объект на два меньших при сохранении общей массы, сумма их энтропий окажется меньше первоначальной. Такой процесс противоречил бы классическому закону неубывания площади горизонтов.
Однако быстро вращающиеся чёрные дыры устроены сложнее. Их свойства описываются решением Керра, в котором наряду с массой учитывается угловой момент. Чем быстрее вращается чёрная дыра при заданной массе, тем меньше площадь её горизонта и связанная с ним энтропия. Это создаёт возможность для необычного сценария. Если часть собственного вращения исходной чёрной дыры преобразуется в орбитальное движение двух образовавшихся объектов, их суммарная энтропия при некоторых параметрах может оказаться не меньше первоначальной. С точки зрения термодинамики такое разделение уже не обязательно будет запрещено.
Но выполнение одного условия ещё не означает, что процесс физически возможен. Две образовавшиеся чёрные дыры должны обладать достаточной энергией для удаления друг от друга, иначе их взаимное притяжение приведёт к повторному слиянию. Когда исследователи учли сохранение энергии, углового момента и необходимость разделения объектов, допустимая область параметров резко сократилась. Расчёты оставили лишь очень ограниченные возможности для чёрных дыр, вращающихся практически на пределе, допускаемом общей теорией относительности.
Авторы назвали рассматриваемую геометрию «топологией пары брюк». Такое необычное сравнение описывает изменение конфигурации горизонтов во времени: один исходный объект соответствует верхней части брюк, а две возникшие чёрные дыры — расходящимся штанинам. Речь идёт о математическом представлении эволюции пространства-времени, а не о том, что чёрная дыра физически приобретает подобную форму.
Исследователи также рассмотрели более экзотические сценарии, выходящие за рамки привычного описания четырёхмерного пространства-времени. В теориях с дополнительными пространственными измерениями известны неустойчивости протяжённых гравитационных объектов, способные приводить к их фрагментации. Один из примеров — неустойчивость Грегори — Лафламма, возникающая у так называемых чёрных струн.
Другой вариант связан с модифицированными теориями гравитации, в которых соотношения между массой, радиусом горизонта и энтропией отличаются от предсказаний Эйнштейна. В некоторых таких моделях образование небольшого фрагмента рядом с основной чёрной дырой оказывается термодинамически выгоднее, чем сохранение единого объекта.
Особый интерес представляют гипотетические первичные чёрные дыры, которые могли возникнуть вскоре после Большого взрыва. По предположению авторов, небольшие чёрные дыры могут оказаться более чувствительными к механизмам фрагментации, чем массивные объекты, образующиеся при коллапсе звёзд.
Если при разделении возникнут достаточно маленькие фрагменты, они могут сравнительно быстро терять массу за счёт излучения Хокинга. Теоретически этот процесс способен сопровождаться высокоэнергетическим излучением, которое можно попытаться обнаружить гамма-телескопами, в частности космической обсерваторией Fermi.
Тем не менее подобных сигналов пока не обнаружено, а существование первичных чёрных дыр остаётся неподтверждённым. Учёные также не смогли вычислить вероятность фрагментации, поскольку для этого необходимо описать сам механизм разделения и дальнейшую эволюцию возникающих объектов.
Исследование в журнале Physical Review D.