Група теоретичних фізиків з Італії, Франції та Данії опублікувала дослідження, в якому математично описано сценарій, за якого чорна діра здатна теоретично розділитися на два самостійні об'єкти. Робота, про яку повідомляє РБК-Україна з посиланням на видання Universe Today, торкається однієї з найфундаментальніших проблем сучасної фізики — сумісності термодинамічних обмежень із квантово-гравітаційною динамікою компактних об'єктів. Автори дослідження — Франческо Санніно (Університет Неаполя імені Федеріко II та Центр квантової теорії поля при Університеті Південної Данії), Джакомо Каччапалья (Лабораторія теоретичної фізики та високих енергій, LPTHE) та Ману Ценно (теорія поля) — показали, що за певних початкових умов розпад не лише не заборонений, а й термодинамічно допустимий.
«Топологія пари штанів»: геометрія розпаду
За результатами математичних розрахунків, у момент розділення горизонт подій вихідної чорної діри набуває форми, що нагадує пару штанів: два «рукави» відповідають двом новим горизонтам подій, а перемичка між ними — області, де простір-час ще залишається зв'язним. Саме тому дослідники назвали цю конфігурацію «топологією пари штанів» (pair-of-pants topology). Така геометрична структура є ключовим наслідком того, що процес розпаду відбувається не миттєво, а через проміжний стан, у якому єдина сингулярність ще не повністю розділилася на дві незалежні.
Обертання як єдиний «ключ» до розпаду
Критичною умовою, без якої розпад неможливий, є екстремально швидке обертання вихідної чорної діри. Як пояснив Франческо Санніно, початкова чорна діра повинна обертатися практично з максимально допустимою швидкістю — тобто перебувати поблизу межі Керра, за якою класична загальна теорія відносності передбачає оголення голої сингулярності. Обертання змінює баланс між масою об'єкта, його кутовим моментом та ентропією: саме цей зсув дозволяє подолати термодинамічний бар'єр, який для нерухомої чорної діри робить розпад практично неможливим. Для звичайної стаціонарної чорної діри розпад на дві частини призвів би до зниження загальної ентропії системи, що суперечить другому початку термодинаміки. Чорна діра, що обертається, володіє додатковою «свободою» у розподілі кутового моменту між двома дочірніми об'єктами, що робить сумарну ентропію продуктів розпаду не меншою, ніж ентропія вихідного тіла.
Умова «не злитися назад» і роль імпульсу
Друга, не менш важлива вимога, виведена авторами, полягає в тому, що дві новоутворені чорні діри повинні одразу після розділення розлетітися в різні боки з достатньою швидкістю, щоб гравітаційне тяжіння не повернуло їх у єдину систему. Якщо умови ідеальні, «близнюки» зберігають початковий імпульс і швидкість оригінального об'єкта, що робить їхні траєкторії розбіжними. В іншому випадку, за розрахунками, дві частини швидко перетнуться і знову зіллються, і процес розпаду виявиться оборотним і, власне, несуттєвим з точки зору спостережуваної фізики.
Первинні чорні діри як найбільш імовірні кандидати
Дослідники підкреслюють, що на сьогодні це виключно теоретична концепція: жодної подібної події в реальному космосі не зафіксовано. Точну ймовірність такого явища поки неможливо розрахувати, оскільки вона залежить від того, як саме працює гравітація в режимах, що виходять за межі загальної теорії відносності Ейнштейна, — тобто від ще не виявленої квантової теорії гравітації. Тим не менш, автори вказують, що маленькі первинні чорні діри, які могли виникнути в перші миті після Великого вибуху, мають на порядки більші шанси на розпад, ніж масивні астрофізичні об'єкти, оскільки для них обертання на близькому до максимального рівні досягається при значно менших абсолютних значеннях кутового моменту.
Як можна буде виявити сліди розпаду
У перспективі сліди подібних процесів можуть бути виявлені побічним шляхом. Зокрема, дослідники згадують гамма-телескопи типу Fermi-LAT, які здатні реєструвати високоенергетичні сигнали від крихітних фрагментів, що утворюються під час космічних злиттів і розколів компактних об'єктів. Якщо в даних таких обсерваторій буде виявлена статистично значуща аномалія в спектрі гамма-випромінювання, що не пояснюється стандартними моделями акреції або злиттів, це може стати першим побічним свідченням того, що розпад чорних дір — не просто математична абстракція, а реальний фізичний процес, що відбувається десь у глибинах Всесвіту.
