Физики обнаружили лазейку в законах термодинамики, допускающую разделение чёрных дыр надвое

Чёрные дыры могут сливаться и образовывать более массивные объекты. Но возможен ли обратный процесс, при котором одна чёрная дыра разделится на две? Авторы исследования, опубликованного в журнале Physical Review D, изучили эту теоретическую возможность и определили условия, при которых фрагментация не противоречит физическим законам, хотя обычно они её запрещают.

Основное препятствие связано со вторым началом термодинамики и энтропией. Для чёрной дыры эта величина определяется площадью горизонта событий — границы, из-за которой ничто не может вернуться наружу. Согласно формуле Бекенштейна — Хокинга, энтропия пропорциональна площади горизонта. Если невращающаяся чёрная дыра разделится на две меньшие, общая площадь их горизонтов окажется меньше, чем у исходного объекта. Это означало бы снижение энтропии, противоречащее классическим термодинамическим ограничениям.

Для вращающихся чёрных дыр Керра ситуация иная. Расчёты показали, что достаточно быстрое вращение исходного объекта позволяет обойти термодинамический запрет. Но этого условия недостаточно: образовавшиеся чёрные дыры должны удалиться друг от друга, а не слиться вновь. С учётом этого требования диапазон допустимых параметров существенно сужается: фрагментация остаётся возможной лишь при вращении практически с максимально допустимой скоростью.

Таким образом, математически подобный процесс не исключён.

В таком сценарии горизонт событий в пространстве-времени приобретает форму, напоминающую брюки: единая верхняя часть разделяется на две «штанины», каждая из которых соответствует отдельной чёрной дыре. Отсюда происходит название pair-of-pants topology, или топология «пары брюк». Речь не идёт о буквальном разрыве объекта в привычном пространстве: это описание возможной геометрии пространства-времени при изменении его структуры.

Исследователи рассмотрели и более экзотические механизмы. В теориях с дополнительными пространственными измерениями известна неустойчивость Грегори — Лафламма, способная приводить к распаду протяжённых чёрных объектов на фрагменты. Ещё один возможный механизм связан с неосесимметричными неустойчивостями и сверхизлучением — процессом, при котором вращающаяся чёрная дыра может передавать энергию окружающим полям. Кроме того, фрагментация может быть энергетически и термодинамически допустима в моделях гравитации, где связь между массой чёрной дыры, радиусом горизонта и энтропией отличается от привычной. В некоторых таких сценариях образование небольшого фрагмента оказывается предпочтительным, однако это ещё не гарантирует самого распада.

Работа не доказывает, что чёрные дыры действительно могут распадаться. Она лишь описывает условия, при которых такой процесс не запрещён физическими ограничениями. Оценить его вероятность пока невозможно: для этого необходимо выяснить, как ведёт себя гравитация за пределами общей теории относительности Эйнштейна. По оценке соавтора исследования Франческо Саннино, небольшие первичные чёрные дыры, возникшие в ранней Вселенной, могут быть более склонны к фрагментации, чем привычные и лучше изученные астрофизические чёрные дыры.

Искать возможные следы подобных событий учёные предлагают с помощью гамма-телескопов. В частности, обсерватория Fermi-LAT может обнаружить излучение крошечных фрагментов чёрных дыр, которые могли бы образовываться при слияниях. Такие наблюдения позволят проверить, реализуются ли подобные сценарии во Вселенной.

Источник: iXBT