Физики выявили условия, при которых черная дыра может разделиться
Ученые определили, при каких обстоятельствах черная дыра может разделиться на две части, а не сливаться с другой. В рамках традиционной физики этот процесс считается невозможным из-за законов сохранения, однако для черных дыр, вращающихся почти на максимальной скорости, расчеты впервые продемонстрировали условия, при которых деление не нарушает основные физические принципы. Эту информацию сообщает издание Naked Science.
Черные дыры часто сталкиваются и сливаются, что фиксируется гравитационно-волновыми обсерваториями. Однако обратный процесс, когда одна черная дыра делится на две, считается запрещенным. Основной аргумент — второй закон термодинамики, согласно которому энтропия черной дыры пропорциональна площади горизонта событий. При делении обычной черной дыры суммарная площадь горизонтов уменьшается, что противоречит увеличению энтропии.
Тем не менее, у вращающихся черных дыр энтропия ниже, чем у неподвижных аналогов той же массы. В теории быстрое вращение может компенсировать потерю: часть вращения может перейти в орбитальное движение осколков. Вопрос оставался: достаточно ли этой энергии, чтобы осколки разлетелись, а не упали обратно друг к другу?
Физики систематизировали возможные сценарии деления черных дыр и поставили задачу: какие законы препятствуют делению и какие условия могут его позволить. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review D.
Сначала исследователи проанализировали вращающуюся черную дыру в контексте Общей теории относительности. Они смоделировали процесс деления на два осколка и проверили три условия: увеличение энтропии, физическую скорость разлета и энергию, необходимую для преодоления гравитационного притяжения основного куска.
Расчеты выявили жесткий конфликт. Энтропия требовала, чтобы крупный осколок был как можно больше, в то время как условие побега требовало, чтобы он был легче. В большинстве случаев осколок рождался у горизонта, но не мог улететь и падал обратно за конечное время.
Совместить все три условия удалось лишь для почти предельных черных дыр — тех, что вращаются близко к теоретическому максимуму. По расчетам, только осколки легче планковской массы успевали испариться, прежде чем их вновь засасывало.
Затем авторы работы изучили более экзотические сценарии. В теориях с дополнительными пространственными измерениями деление уже численно подтверждено: длинная черная струна разрывается на цепочку сгустков из-за неустойчивости Грегори — Лафламма. Однако сами эти теории пока не подтверждены экспериментально, и дополнительные измерения не наблюдались, поэтому результат остается математическим упражнением в рамках непроверенной гипотезы.
Физики также описали эффект сверхизлучения: если вокруг вращающейся дыры волны каким-либо образом заперты, они могут извлекать из нее энергию и накапливаться в локальных сгустках — это своего рода эффективное деление без разрыва горизонта. Сверхизлучение — реальный и признанный эффект, но сценарий деления через него физики назвали крайне спекулятивным. Неясно, чем можно «запереть» волны вокруг черной дыры.
Ученые пришли к выводу, что классическая четырехмерная физика жестко ограничивает черные дыры, но при изменении числа измерений, закона гравитации или формы горизонта у дыр появляется возможность «носить штаны» — так авторы исследования образно описали разделение одной дыры на две. При этом рост энтропии является необходимым, но недостаточным условием. Он указывает, где искать нестабильность, но не гарантирует, что деление произойдет.
В итоге исследователи обозначили границу между запрещенным и возможным в физике черных дыр. Они предполагают, что к делению более склонны первичные черные дыры, а не массивные дыры, образованные от погибших звезд. Проверить гипотезу можно косвенно: гамма-телескоп Fermi-LAT способен искать сигналы от испаряющихся осколков, а детекторы гравитационных волн могут фиксировать необычные следы слияний.
