Группа теоретических физиков из Италии, Франции и Дании опубликовала исследование, в котором математически описан сценарий, при котором чёрная дыра способна теоретически разделиться на два самостоятельных объекта. Работа, о которой сообщает РБК-Украина со ссылкой на издание Universe Today, затрагивает одну из самых фундаментальных проблем современной физики — совместимость термодинамических ограничений с квантово-гравитационной динамикой компактных объектов. Авторы исследования — Франческо Саннино (Университет Неаполя имени Федерико II и Центр квантовой теории поля при Университете Южной Дании), Джакомо Каччапалья (Лаборатория теоретической физики и высоких энергий, LPTHE) и Ману Ценно (теория поля) — показали, что при определённых начальных условиях распад не только не запрещён, но и термодинамически допустим.
«Топология пары штанов»: геометрия распада
По результатам математических расчётов, в момент разделения горизонт событий исходной чёрной дыры приобретает форму, напоминающую пару брюк: два «рукава» соответствуют двум новым горизонтам событий, а перемычка между ними — области, где пространство-время ещё остаётся связным. Именно поэтому исследователи назвали данную конфигурацию «топологией пары штанов» (pair-of-pants topology). Такая геометрическая структура является ключевым следствием того, что процесс распада происходит не мгновенно, а через промежуточное состояние, в котором единая сингулярность ещё не полностью разделилась на две независимые.
Вращение как единственный «ключ» к распаду
Критическим условием, без которого распад невозможен, является экстремально быстрое вращение исходной чёрной дыры. Как объяснил Франческо Саннино, начальная чёрная дыра должна вращаться практически с максимальной допустимой скоростью — то есть находиться вблизи предела Керра, за которым классическая общая теория относительности предсказывает обнажение голой сингулярности. Вращение изменяет баланс между массой объекта, его угловым моментом и энтропией: именно этот сдвиг позволяет преодолеть термодинамический барьер, который для неподвижной чёрной дыры делает распад практически невозможным. Для обычной стационарной чёрной дыры распад на две части привёл бы к снижению общей энтропии системы, что противоречит второму началу термодинамики. Вращающаяся же чёрная дыра обладает дополнительной «свободой» в распределении углового момента между двумя дочерними объектами, что делает суммарная энтропия продуктов распада не меньшей, чем энтропия исходного тела.
Условие «не слиться обратно» и роль импульса
Второе не менее важное требование, выведенное авторами, состоит в том, что две вновь образовавшиеся чёрные дыры должны сразу после разделения разлететься в разные стороны с достаточной скоростью, чтобы гравитационное притяжение не вернуло их в единую систему. Если условия идеальны, «близнецы» сохраняют начальный импульс и скорость оригинального объекта, что делает их траектории расходящимися. В противном случае, по расчётам, две части быстро пересохнут и снова сольются, и процесс распада окажется обратимым и, по сути, несущественным с точки зрения наблюдаемой физики.
Первичные чёрные дыры как наиболее вероятные кандидаты
Исследователи подчёркивают, что на сегодняшний день это исключительно теоретическая концепция: ни одного подобного события в реальном космосе не зафиксировано. Точную вероятность такого явления пока невозможно рассчитать, поскольку она зависит от того, как именно работает гравитация в режимах, выходящих за рамки общей теории относительности Эйнштейна, — то есть от ещё не выявленной квантовой теории гравитации. Тем не менее авторы указывают, что маленькие первичные чёрные дыры, которые могли возникнуть в первые мгновения после Большого взрыва, имеют на порядки большие шансы на распад, чем массивные астрофизические объекты, поскольку для них вращение на близком к максимальному уровню достигается при значительно меньших абсолютных значениях углового момента.
Как можно будет обнаружить следы распада
В перспективе следы подобных процессов могут быть обнаружены косвенным путём. В частности, исследователи упоминают гамма-телескопы типа Fermi-LAT, которые способны регистрировать высокоэнергетические сигналы от крошечных фрагментов, образующихся во время космических слияний и расколов компактных объектов. Если в данных таких обсерваторий будет обнаружена статистически значимая аномалия в спектре гамма-излучения, не объяснимая стандартными моделями аккреции или слияний, это может стать первым косвенным свидетельством того, что распад чёрных дыр — не просто математическая абстракция, а реальный физический процесс, происходящий где-то в глубинах Вселенной.
