Чёрные дыры способны сливаться, образуя один более массивный объект. Но может ли произойти обратное — одна чёрная дыра разделится на две? Теоретическую возможность такого процесса рассмотрели авторы исследования, опубликованного в журнале Physical Review D. Они обнаружили, при каких условиях законы физики допускают фрагментацию чёрной дыры, хотя в обычных обстоятельствах она запрещена.
Главное препятствие связано со вторым началом термодинамики и энтропией — физической величиной, которая для чёрных дыр связана с площадью горизонта событий, границы, из-за которой «ничто не может вернуться наружу». Согласно формуле Бекенштейна — Хокинга, энтропия чёрной дыры пропорциональна площади этого горизонта. Если невращающаяся чёрная дыра разделится на две меньшие, то суммарная площадь их горизонтов окажется меньше площади исходного объекта. Это означало бы уменьшение энтропии, что противоречит классическим термодинамическим ограничениям.
Ситуация меняется для вращающихся чёрных дыр Керра. Расчёты физиков выявили возможность обойти термодинамическое ограничение, если исходный объект вращается достаточно быстро. Однако одного этого условия недостаточно: две образовавшиеся чёрные дыры должны разлететься друг от друга, а не слиться. С учётом этого требования допустимое окно параметров почти закрывается — фрагментация остаётся возможной лишь для объектов, вращающихся практически с максимально допустимой скоростью.
Математически такой процесс возможен.
Горизонт событий в пространстве-времени при таком сценарии приобретает форму, напоминающую пару брюк: единая верхняя часть разделяется на две «штанины», каждая из которых соответствует отдельной чёрной дыре. Отсюда и название — pair-of-pants topology, или топология «пары брюк». Речь идёт не о буквальном разрыве объекта в обычном пространстве, а о возможной геометрии пространства-времени при изменении его структуры.
Авторы также рассмотрели более экзотические механизмы. В теориях с дополнительными пространственными измерениями известна неустойчивость Грегори — Лафламма, при которой протяжённые чёрные объекты могут распадаться на фрагменты. Другой возможный механизм связан с неосесимметричными неустойчивостями и сверхизлучением — процессом, при котором вращающаяся чёрная дыра может отдавать энергию окружающим полям. Наконец, фрагментация может оказаться энергетически и термодинамически допустимой в моделях гравитации, изменяющих связь между массой чёрной дыры, радиусом горизонта и энтропией. В некоторых таких сценариях образование небольшого фрагмента оказывается предпочтительнее, но это само по себе ещё не гарантирует, что распад произойдёт.
Исследование не доказывает, что чёрные дыры действительно способны распадаться: оно показывает условия, при которых такой процесс не запрещён физическими ограничениями. Его вероятность на текущий момент невозможно оценить — для этого необходимо понять, как ведёт себя гравитация за пределами общей теории относительности Эйнштейна. Согласно оценке соавтора работы Франческо Саннино, небольшие первичные чёрные дыры, возникшие в ранней Вселенной, могут быть более склонны к фрагментации, чем классические, более привычные и лучше изученные астрофизические объекты.
Возможные следы такого события учёные предлагают искать с помощью гамма-телескопов. В частности, обсерватория Fermi-LAT может обнаружить излучение от крошечных фрагментов чёрных дыр, которые могли бы образоваться при слияниях. Это один из способов проверить, реализуются ли подобные сценарии в реальной Вселенной.
