Чрезвычайно быстро вращающиеся черные дыры могут разделиться на две части

Черные дыры считаются простейшими объектами во Вселенной. Согласно общей теории относительности, их можно полностью описать несколькими величинами, прежде всего массой и моментом импульса. С 2015 года такие детекторы, как LIGO и Virgo, регулярно фиксируют сотрясения пространства-времени, вызванные столкновением двух таких объектов, включая самое мощное на сегодняшний день слияние двух черных дыр. Противоположный процесс – расщепление черной дыры – никогда ранее не наблюдался.

Джакомо Каччапалья из французского исследовательского центра CNRS и Университета Сорбонны, Франческо Саннино из Неаполитанского университета Федерико II и Университета Южной Дании, а также Мануэль Дель Пиано и Ваня Веллуччи из Оденсе систематически исследовали, какие физические законы препятствуют такому разделению и при каких условиях оно может стать возможным. Их исследование было опубликовано в журнале Physical Review D.

Почему черные дыры обычно не распадаются

Основное препятствие исходит из термодинамики. У черной дыры есть энтропия — мера того, сколькими микроскопическими способами можно построить систему, не отличаясь от нее снаружи. По мнению Джейкоба Бекенштейна и Стивена Хокинга, эта энтропия пропорциональна площади горизонта событий, границы, за которую не может выйти даже свет. Теорема Хокинга о площади утверждает, что общая площадь горизонта не может уменьшаться в классических процессах.

Именно поэтому деление обычной невращающейся черной дыры не удается. Поскольку площадь горизонта увеличивается пропорционально квадрату массы, две меньшие черные дыры вместе будут иметь меньшую площадь и, следовательно, меньшую энтропию, чем исходная. Две половинки, каждая по половине массы, покрыли бы только половину первоначальной площади. Такой распад уменьшил бы энтропию и поэтому невозможен. «В нашем исследовании мы выясняем, какие физические законы обычно препятствуют разделению черной дыры на две части», — говорит Саннино, согласно заявлению его университета. «Мы также расследуем, могут ли определенные обстоятельства допустить раскол».

Теперь также было замечено, что теорема о площади действительно применима. Оценки сигналов гравитационных волн от сливающихся черных дыр показывают, что образовавшаяся черная дыра имеет большую площадь горизонта, чем два родительских объекта вместе взятые. На это подтверждение авторы прямо ссылаются в своей работе.

Быстро вращающиеся черные дыры как черный ход

Иная ситуация с вращающимися черными дырами, которые физики называют дырами Керра в честь новозеландского математика Роя Керра. У них площадь горизонта зависит не только от массы, но и от момента импульса. Быстро вращающаяся черная дыра имеет сравнительно небольшую площадь горизонта. Если он разделится на две более медленно вращающиеся части, их общая площадь может быть больше. Тогда энтропия не уменьшится, и термодинамический запрет больше не будет применяться.

Но в законопроекте есть вторая часть. Два фрагмента также должны иметь возможность отделиться друг от друга, а не немедленно снова разрушиться. Для этого необходимо распределить энергию и момент количества движения так, чтобы детали разлетелись с достаточной скоростью. «Если мы учтем это условие, окно в значительной степени снова закроется, за исключением, возможно, черных дыр, которые вращаются близко к максимально возможной скорости вращения», — объясняет Саннино. У каждой черной дыры есть такой верхний предел. Если бы она вращалась быстрее, ее горизонт исчез бы, чего не позволяет теория относительности в том виде, в котором мы ее понимаем сегодня. Раскол возможен только вблизи этого предела.

Такая ситуация не совсем абсурдна. Согласно измерениям, многие черные дыры во Вселенной вращаются очень быстро, включая черную дыру в центре Млечного Пути. Вопрос о том, приблизится ли какая-либо черная дыра к максимальному вращению достаточно близко к максимальному вращению, чтобы соответствовать условиям исследования, остается открытым вопросом.

Почему создается образ брюк

Необычное название исследования говорит о брючной топологии. Физики любят представлять эволюцию горизонта событий как форму в пространстве и времени. В нем появляется одиночная черная дыра, похожая на трубку, вытянутую вдоль оси времени. Если она разделяется, то эта трубка разветвляется на две, подобно поясу, который сливается в две штанины. Слияние двух черных дыр приводит к одинаковой форме, только в противоположном направлении во времени.

С технической точки зрения авторы задаются вопросом, когда черная дыра сможет носить штаны. За ироничным изображением скрывается серьезный вопрос гравитационной физики, поскольку раскол показал бы, что черные дыры менее жесткие, чем предполагает классическая теория.

Экзотические варианты с большим потенциалом

Область применения становится значительно шире в теориях, выходящих за рамки общей теории относительности Эйнштейна. Авторы сначала рассматривают модели с дополнительными пространственными измерениями, например, предсказанными теорией струн. Там известны трубчатые, похожие на черные дыры объекты, так называемые черные струны, которые могут распадаться из-за неустойчивости Грегори-Лафламма, подобно тому, как струя воды распадается на отдельные капли. Они также исследуют гравитационные модели, в которых энтропия, размер горизонта и масса связаны иначе, чем в классической теории, а также горизонты, имеющие неровности или вихри, вызванные внешними полями.

Во всех этих случаях с точки зрения энтропии может быть полезно отделять небольшие фрагменты, особенно если одна из образующихся черных дыр намного меньше другой. Произойдет ли это на самом деле, зависит от того, как движется и вращается исходная черная дыра. Баланс энтропии является необходимым, но не достаточным условием. Теоретики в настоящее время исследуют аналогичные пограничные случаи в других местах, например, в сценарии, в котором сталкивающиеся червоточины могут уменьшить черную дыру. Общим для этих работ является то, что черные дыры кажутся более подвижными, чем в учебнике.

Как можно доказать раскол

Исследователи пока не могут назвать вероятность раскола. «Это зависит от того, как гравитация ведет себя за пределами теории Эйнштейна, и это то, над чем мы работаем», — говорит Саннино. Он ожидает, что маленькие первичные черные дыры, которые, возможно, образовались вскоре после Большого взрыва, более склонны к делению, чем гораздо более крупные черные дыры из коллапсирующих звезд. Однако существование первичных черных дыр еще не доказано.

Исследователи полагаются на гамма-излучение для косвенного обнаружения. Согласно теории Хокинга, очень маленькие фрагменты быстро испускают радиацию и испаряются. Таким образом, гамма-телескопы, такие как телескоп большой площади Ферми НАСА, могут искать сигналы от крошечных фрагментов, которые могут возникнуть в результате слияния черных дыр. До тех пор расщепление черной дыры остается теоретической возможностью, пределы которой новое исследование определяет гораздо более подробно.

Физический обзор D. Когда черные дыры допускают топологию «пара штанов»; дои: 10.1103/cx69-t466

Университет Южной Дании, Может ли черная дыра разделиться на две части?

Создано с поддержкой искусственного интеллекта