Источник фото: Sciencedaily.com
Физики обычно рассматривают черные дыры как объекты, которые при столкновении сливаются воедино, однако теоретически возможен и обратный процесс — разделение одной черной дыры на две меньшие. Новое теоретическое исследование, о котором сообщает Sciencedaily.com, показывает, что законы физики не исключают полностью такой сценарий, хотя для его реализации потребовались бы крайне экстремальные условия. Работа опубликована в журнале Physical Review D под названием «When Black Holes Admit Pair-of-pants Topologies».
Авторы изучили, какие физические законы в обычных условиях не дают черной дыре распасться на две части, а также проверили, могут ли особые обстоятельства сделать такое разделение возможным. Одним из соавторов выступил Франческо Саннино, профессор физики Университета Неаполя имени Фридриха II и Центра квантовой теории поля Университета Южной Дании. В состав исследовательской группы также вошли Джакомо Каччапалья из французского Национального центра научных исследований, Мануэль Дель Пьяно и Вания Веллуччи.
Главным препятствием для разделения черной дыры служит термодинамика — раздел физики, описывающий поведение энергии и изменения физических систем. Ключевое значение здесь имеет энтропия, показывающая, сколькими разными микроскопическими способами система может быть устроена, оставаясь внешне неизменной. Для невращающейся черной дыры распад на две меньшие привел бы к снижению суммарной энтропии, а это делает процесс термодинамически невыгодным и объясняет, почему черные дыры обычно не распадаются.
Однако расчеты показали, что картина может заметно измениться, если черная дыра вращается с исключительно высокой скоростью. По мнению исследователей, быстрое вращение способно приоткрыть узкую лазейку в физических правилах, которые обычно запрещают деление. Но остается и второе серьезное препятствие: даже при возможном разделении две образовавшиеся черные дыры должны разойтись на достаточное расстояние, иначе они тут же сольются обратно. Как отметил Саннино, с учетом этого требования окно возможностей снова в значительной мере закрывается, кроме, пожалуй, случаев вращения вблизи максимально допустимой скорости.
Необычное название работы отсылает к форме, которую описал бы горизонт черной дыры в пространстве и времени при подобном разделении. Сначала единая структура, а затем две отдельные ветви — при взгляде во времени это напоминало бы пару брюк, где верхняя часть переходит в две «штанины». Кроме того, ученые рассмотрели сценарии с дополнительными измерениями пространства: в некоторых теоретических моделях объекты, похожие на черные дыры, могут терять устойчивость и распадаться, а при определенных условиях разделение становится даже термодинамически выгодным, особенно если одна из образовавшихся черных дыр заметно меньше другой.
Сейчас исследователи пытаются понять, насколько вероятны такие события, и здесь многое зависит от свойств гравитации за пределами теории Эйнштейна. По словам Саннино, единую вероятность разделения черной дыры пока назвать нельзя, но небольшие первичные черные дыры должны быть более склонны к распаду, чем крупные астрофизические. Обнаружить разделение можно косвенно: гамма-телескопы, такие как Fermi-LAT, способны искать сигналы от мельчайших осколков черных дыр, которые могут возникать при слияниях. Подтвержденных наблюдений такого процесса пока нет, однако поиск подобных сигналов дает шанс проверить идею и узнать больше о поведении гравитации в самых экстремальных условиях Вселенной.