Чёрные дыры могут делиться надвое: новое исследование раскрывает «брючный» сценарий

Учёные давно знают, что при столкновении двух чёрных дыр они сливаются, образуя более массивную чёрную дыру. Эти события настолько violent, что заставляют само пространство-время звенеть рябью, называемой гравитационными волнами.

Теперь новое исследование предполагает, что может происходить и обратное: одиночная чёрная дыра способна разделиться надвое. Но это возможно только в том случае, если эта прародительская чёрная дыра вращается с максимально возможной скоростью. Такая скорость не даёт образовавшимся чёрным дырам немедленно снова упасть друг на друга.

Существуют физические законы, которые обычно препятствуют расщеплению чёрных дыр; команда, стоящая за этим исследованием, изучила, существуют ли условия, при которых эти законы можно временно обойти.

Один из ключевых аспектов физики, препятствующих раздвоению чёрных дыр, проистекает из термодинамики. Чёрные дыры обладают характеристикой под названием «энтропия», которая по сути является мерой беспорядка в системе.

Представьте коробку с мелками малыша. Когда энтропия низкая, мелки аккуратно разложены по цветам. По мере увеличения энтропии мелки разбросаны и больше не упорядочены. Чтобы вернуть мелки в порядок, требуется родитель, который вложит энергию в систему и аккуратно переупорядочит мелки. Иными словами, энтропию системы нельзя уменьшить без вмешательства и добавления энергии извне этой системы. Воспитание детей было бы немного проще, если бы это было возможно.

Расщепление чёрной дыры надвое означало бы уменьшение энтропии, что решительно противоречит законам термодинамики, но только если чёрная дыра не вращается. Ситуация может быть иной для быстро вращающейся чёрной дыры.

Эта команда учёных обнаружила, что для такой чёрной дыры существует лазейка.

«Две образовавшиеся чёрные дыры также должны иметь возможность разделиться, а не сразу снова упасть друг на друга, — сказал в заявлении член команды Франческо Саннино из Неаполитанского университета Федерико II в Италии. — Когда мы включаем это требование, окно снова в значительной степени закрывается, за исключением, возможно, чёрных дыр, вращающихся со скоростью, близкой к максимально возможной».

Брюки чёрной дыры?

Команда рассчитала, как именно может происходить такое расщепление чёрной дыры, обнаружив, что разделение внешней границы чёрной дыры, или «горизонта событий», происходит в странной форме, напоминающей брюки, причём каждая из образовавшихся чёрных дыр скользит вниз по своей «штанине».

Они назвали это «топологией пары брюк».

Исследователи также определили, что расщепление более вероятно, если одна из образовавшихся чёрных дыр значительно меньше своего новорождённого близнеца.

«Мы пока не можем дать единую вероятность расщепления чёрной дыры. Это зависит от того, как гравитация ведёт себя за пределами теории Эйнштейна, и мы работаем над тем, чтобы это количественно оценить, — сказал Саннино. — Мы ожидаем, что небольшие первичные чёрные дыры более склонны к расщеплению, чем гораздо более крупные астрофизические чёрные дыры».

Саннино добавил, что такие расщепления чёрных дыр можно обнаружить в высокоэнергетическом свете, называемом гамма-лучами.

«Мы можем обнаружить расщепление косвенно: гамма-телескопы, такие как Fermi-LAT, могут искать сигналы от крошечных фрагментов чёрных дыр, которые могут образовываться во время слияний», — заключил исследователь.

Исследование команды было опубликовано 22 октября в журнале Physical Review D.

Источники: Physical Review D, Неаполитанский университет Федерико II, Fermi-LAT.