Могут ли черные дыры делиться? Ученые выяснили, когда это возможно

Международная группа физиков-теоретиков под руководством Франческо Саннино из Университета Неаполя и Центра квантовой теории поля Университета Южной Дании обнаружила, что расщепление черных дыры на две меньшие в принципе возможно, но лишь при крайне специфических условиях, а результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review D.

Черные дыры известны своей способностью сливаться: две дыры сталкиваются, и рождается одна, более массивная. Обратный процесс, когда одна дыра распадается на две или несколько меньших, выглядит как сценарий из фантастики, но именно его и решили проверить авторы работы. Для описания такого события физики используют образ топологии «пары штанов»: горизонт событий со временем вытягивается, и одна его часть разделяется на две «штанины». Вопрос лишь в том, разрешают ли законы природы подобную эволюцию.

Первый и главный страж на пути к расщеплению — термодинамика. У черной дыры есть энтропия, которая грубо говоря показывает, сколькими микроскопическими способами можно устроить систему так, чтобы снаружи она выглядела одинаково. Для обычной невращающейся черной дыры распад на две меньшие уменьшил бы суммарную энтропию, а значит, был бы термодинамически невыгоден. Классическая теория гравитации Эйнштейна в сочетании с законом площади Бекенштейна — Хокинга просто запрещает такие процессы для шварцшильдовских черных дыр.

Ситуация меняется, если черная дыра быстро вращается. Расчеты показывают, что для вращающихся керровских черных дыр энтропийные соображения уже не ставят жесткого запрета. Однако чисто кинематические требования накладывают собственные ограничения: две образовавшиеся дыры должны не просто возникнуть, но и разлететься, а не сразу снова слиться. Когда авторы учли это условие, пространство для маневра снова сузилось. Единственная оставшаяся лазейка — черные дыры, вращающиеся с максимально возможной скоростью, близкой к экстремальной.

Отдельно исследователи рассмотрели более экзотические сценарии. В теориях с дополнительными измерениями пространства давно известна неустойчивость Грегори — Лафламме, из-за которой вытянутые черные дыры могут распадаться на отдельные фрагменты. Кроме того, авторы изучили влияние неустойчивости при неосесимметричном захвате излучения, а также модели гравитации, которые меняют связь между энтропией, радиусом горизонта и массой черной дыры в четырех измерениях. Во всех этих случаях испускание маленьких фрагментов может оказаться энтропийно выгодным, но само событие все равно зависит от кинематики начального состояния.

Практическая ценность этой работы связана с первичными черными дырами и катастрофическими событиями вроде слияний. По словам ученых, маленькие первичные черные дыры должны быть более склонны к расщеплению, чем крупные астрофизические. Обнаружить следы такого процесса можно косвенно: гамма-телескопы вроде Fermi-LAT способны искать сигналы от крошечных фрагментов. Пока ученые не берутся назвать точную вероятность расщепления, она зависит от того, как гравитация ведет себя за пределами теории Эйнштейна, и эту зависимость еще предстоит описать количественно.

В результате исследования физики показали, что расщепление черных дыр — это не абсолютный запрет, а редкая возможность, открывающаяся лишь при экстремальном вращении или в рамках теорий за пределами классической гравитации, причем даже там оно остается энтропийно выгодным, но кинематически не гарантированным. Работа очерчивает теоретический ландшафт, в котором стоит искать следы фрагментации первичных черных дыр.