Ученые считают, что черные дыры могут не только сливаться, но и разделяться

Фото из открытых источников

Детекторы равитационных волн показали, что черные дыры часто сталкиваются, при этом сливаются, образуя более крупные черные дыры. Физики теперь исследовали, возможно ли обратное — расщепление одной черной дыры на две части, и пришли к выводу, что это нельзя исключить. Диаграммы этого процесса напоминают брюки, поэтому авторы называют гипотетический процесс «ношением брюк». Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review D.

Как известно, черные дыры обладают настолько мощной гравитацией, что даже свет не может их покинуть, что наводит на мысль о маловероятности того, что часть черной дыры сможет вырваться из ее остальной части. Тем не менее, физики заскучали бы, если бы занимались только предсказуемыми явлениями, поэтому профессор Франческо Саннино из Университета Южной Дании и его коллеги решили рассмотреть вопрос о том, может ли такое когда-нибудь произойти.

Авторы отмечают, что деление черных дыр предотвращается не только их невероятной гравитацией, но и термодинамикой. Стивен Хокинг предсказал, что две меньшие черные дыры обладают меньшей энтропией (степенью неупорядоченности системы), чем одна большая, и наблюдения гравитационных волн подтвердили его правоту.

Поскольку энтропия Вселенной постоянно растёт, уменьшение энтропии системы без внешнего воздействия противоречит порядку вещей в природе.

Однако, как отметили авторы, существует исключение из этого правила разделения черных дыр, которое возникает, если исходная черная дыра вращается достаточно быстро. Вращение черных дыр — это результат углового момента звезды, которая коллапсировала, чтобы стать ими, и дополняется всем, что попало в них впоследствии. 

Для черной дыры более быстрое вращение означает меньшую энтропию, при прочих равных условиях. Поэтому, если быстро вращающаяся черная дыра расщепляется на две, вращающиеся медленнее, энтропия теоретически может уменьшиться. Угловой момент исходной черной дыры должен куда-то деться, но если две вновь образовавшиеся черные дыры вращаются друг вокруг друга, угловой момент может быть поглощен ими.

Авторы обнаружили, что такое расщепление теоретически возможно, но только когда спин исходной черной дыры близок к максимально возможному, что подразумевает редкость подобных ситуаций.

В этом сценарии график изменения границы черной дыры во времени будет выглядеть как пара брюк, где первоначальная дыра находится на талии, а каждая последующая дыра образует штанины. Авторы называют модели этой идеи «топологиями пары брюк».

Возможно, их следовало бы назвать топологиями трусов, потому что, как и в планах гномов-трусиков из «Южного парка », здесь отсутствует важный этап. На диаграмме разделения, представленной авторами, промежность «штанов» обозначена как «неизвестная динамика».

Один из возможных механизмов, заставляющих черную дыру «носить штаны», по мнению авторов, связан с «сверхизлучением», когда волны захватываются черной дырой и усиливаются до тех пор, пока не создадут нестабильность, способную разрушить ее.

Физики давно предполагают существование дополнительных измерений помимо четырех известных нам, и если это допустить, то разделение черных дыр становится более вероятным. Наиболее правдоподобные примеры многомерного разделения связаны с отрывом гораздо меньшей черной дыры, а не с ее равномерным разделением. 

Тем не менее, даже при наличии дополнительных измерений проблема остается: что вообще могло бы вызвать такое разделение, даже если бы оно теоретически могло существовать?

«Мы пока не можем назвать единственную вероятность расщепления черной дыры. Это зависит от того, как ведет себя гравитация за пределами теории Эйнштейна, и мы работаем над тем, чтобы количественно оценить это. Мы ожидаем, что небольшие первичные черные дыры будут более склонны к расщеплению, чем гораздо более крупные астрофизические черные дыры. Мы можем обнаружить расщепление косвенно: гамма-телескопы, такие как Fermi-LAT, могут искать сигналы от крошечных фрагментов черных дыр, которые могут образоваться во время слияний», — говорится в заявлении Саннино.