Теоретики з Університету Південної Данії та партнерських установ запропонували новий сценарій, за якого чорна діра може не лише зливатися з іншою, а й розщеплюватися на дві менші. За їхніми розрахунками, надзвичайно швидке обертання може відкрити «лазівку» в законах фізики, що зазвичай не дозволяють чорним дірам ділитися. Про роботу розповідає матеріал на ScienceDaily.
Що саме дослідили фізики
Результати опубліковані в журналі Physical Review D під назвою “When Black Holes Admit Pair-of-pants Topologies”. Команда розглянула, які фізичні закони утримують чорну діру як єдине ціле, і за яких умов ця заборона може бути порушена.
Співавтор роботи, фізик Франческо Санніно (Francesco Sannino) з Університету Неаполя Федеріко II та Центру квантової теорії поля Університету Південної Данії, пояснює, що дослідники аналізували, які саме механізми зазвичай не дають чорній дірі розпастися, і чи існують екстремальні ситуації, коли поділ усе ж можливий.
До команди також увійшли Джакомо Каччапалья (Giacomo Cacciapaglia) з Національного центру наукових досліджень Франції (CNRS) у Парижі, а також Мануель Дель Піано (Manuel Del Piano) і Ванія Веллуччі (Vania Vellucci) з Центру квантової теорії поля Університету Південної Данії.
Чому чорні діри зазвичай не можуть ділитися
Ключову роль відіграє термодинаміка — розділ фізики, що описує, як поводиться енергія та як змінюються фізичні системи. Важливе поняття тут — ентропія, яка характеризує кількість можливих мікроскопічних станів системи, що виглядає однаково ззовні.
Чорні діри мають власну ентропію, і це накладає суворі обмеження на їхню еволюцію. Для не обертової чорної діри поділ на дві менші зменшив би загальну ентропію системи. Такий процес є термодинамічно невигідним, тому в стандартних умовах чорні діри не повинні спонтанно розпадатися.
Саме тому в астрофізиці добре відомі злиття чорних дір, але не їхній поділ: об’єднання збільшує ентропію, а розщеплення — навпаки, зменшує.
Екстремальне обертання відкриває «вікно можливостей»
У своїх розрахунках команда показала, що ситуація змінюється, коли чорна діра обертається з надзвичайно великою швидкістю. За таких умов швидке обертання може створити вузьку «лазівку» в термодинамічній забороні.
Теоретично, якщо чорна діра обертається достатньо швидко, вона може обійти звичайне обмеження на зменшення ентропії під час поділу. Однак цього недостатньо: навіть якщо поділ можливий, дві нові чорні діри мають встигнути розійтися на достатню відстань, щоб не злитися знову майже миттєво.
Коли дослідники врахували цю додаткову вимогу — реальне розділення об’єктів у просторі, — більшість можливих сценаріїв знову виявилися забороненими. Винятком можуть бути лише чорні діри, що обертаються майже з максимально можливою для них швидкістю.
«Штани» з горизонту подій
Незвична назва статті пов’язана з формою, яку мав би обрій подій чорної діри в просторі-часі, якби поділ усе ж стався. Спочатку горизонт існує як єдина поверхня, а потім розгалужується на дві окремі гілки.
Якщо простежити цю еволюцію в часі, отримаємо фігуру, схожу на штани: одна «талія» зверху, що переходить у дві «штанини» знизу. Таку геометрію й називають «pair-of-pants topologies» — топологією «пари штанів».
Додаткові виміри та екзотичні сценарії
Окремо команда розглянула теорії, у яких простір має більше вимірів, ніж звичні три. У деяких таких моделях уже відомі об’єкти, схожі на чорні діри, які можуть ставати нестійкими й починати розпадатися.
У подібних екзотичних умовах звичні правила можуть змінюватися: поділ чорної діри іноді навіть стає термодинамічно вигідним, особливо якщо одна з нових чорних дір значно менша за іншу. Втім, те, що процес не заборонений термодинамікою, ще не означає, що він реально відбувається в природі.
Дослідникам іще належить з’ясувати, чи може таке фрагментування фізично реалізуватися і які саме умови для цього потрібні.
Чи можна побачити поділ чорної діри
Зараз команда намагається оцінити, наскільки ймовірні такі події. Відповідь може залежати від того, як поводиться гравітація за межами теорії Ейнштейна, що робить задачу особливо складною.
За словами Санніно, поки що неможливо назвати одну конкретну ймовірність поділу чорної діри. Дослідники припускають, що малі первинні чорні діри, які могли утворитися в ранньому Всесвіті, більш схильні до поділу, ніж великі астрофізичні чорні діри, що виникають під час колапсу зірок.
Прямого спостереження поділу чорної діри наразі немає, але можливі непрямі ознаки. Наприклад, гамма-телескопи на кшталт Fermi-LAT можуть шукати сигнали від крихітних фрагментів чорних дір, які могли б утворюватися під час злиттів. Такі спалахи стали б важливими підказками про те, як поводиться гравітація в найекстремальніших умовах у Всесвіті.
Франческо Санніно очолює Центр квантової теорії поля (ℏQTC), пов’язаний з кафедрою математики та інформатики Університету Південної Данії, а також співпрацює з кількома науковими інститутами в Данії, Італії та Великій Британії.