Черные дыры часто сталкиваются и сливаются — гравитационно-волновые обсерватории фиксируют такие события регулярно. Но обратный процесс, деление одной черной дыры на две, физика вроде бы запрещает. Главный аргумент — второй закон термодинамики. У черной дыры есть энтропия, и она пропорциональна площади горизонта событий. При делении обычной черной дыры суммарная площадь горизонтов уменьшается, а энтропия расти не может. Процесс оказывается так же невыгоден, как самопроизвольное восстановление разбитого стакана.
Однако у вращающихся черных дыр энтропия ниже, чем у неподвижных той же массы. В теории быстрое вращение могло бы компенсировать потерю: часть собственного вращения перешла бы в орбитальное движение осколков. Оставался вопрос: хватит ли этой энергии, чтобы осколки разлетелись, а не упали обратно друг в друга?
Физики решили систематизировать все сценарии деления черных дыр и поставили вопрос так: какие законы мешают делению и какие условия могли бы его позволить. Результаты опубликовали в журнале Physical Review D.
Сначала исследователи разобрали вращающуюся черную дыру в рамках Общей теории относительности. Они смоделировали деление на два осколка и проверили три условия: рост энтропии, физическую скорость разлета и энергию, достаточную для побега от гравитации основного куска.
Расчеты показали жесткий конфликт. Энтропия требовала, чтобы крупный осколок был как можно больше, а условие побега — наоборот, чтобы он был легче. В большинстве случаев осколок рождался у горизонта, но не мог улететь и падал обратно за конечное время.
Совместить все три условия удалось только у почти предельных черных дыр — тех, что вращаются вплотную к теоретическому максимуму. По расчетам, лишь осколки легче планковской массы успевали испариться, прежде чем их засасывало обратно.
Затем авторы научной работы проверили более экзотические сценарии. В теориях с дополнительными пространственными измерениями деление уже подтверждено численно: длинная черная струна разрывается на цепочку сгустков из-за неустойчивости Грегори — Лафламма. Правда, сами эти теории пока не подтверждены экспериментально: дополнительных измерений никто не наблюдал, поэтому результат остается математическим упражнением внутри непроверенной гипотезы.
Отдельно физики описали эффект сверхизлучения: если вокруг вращающейся дыры волны каким-то образом заперты, они могут выкачивать из нее энергию и накапливаться в локальных сгустках — это своего рода эффективное деление без разрыва горизонта. Само сверхизлучение — реальный и общепризнанный эффект, но сценарий деления через него сами физики назвали крайне спекулятивным. Неясно, чем в реальности можно «запереть» волны вокруг черной дыры.
Ученые сделали вывод, что классическая четырехмерная физика строго сдерживает черные дыры, но при смене числа измерений, закона гравитации или формы горизонта у дыр появляется возможность «носить штаны» — так авторы исследования образно описали разделение одной дыры на две. При этом рост энтропии — необходимое, но не достаточное условие. Он указывает, где искать нестабильность, но не доказывает, что деление произойдет.
В итоге исследователи прочертили границу между запретным и возможным в физике черных дыр. Они ожидают, что к делению более склонны первичные черные дыры, а не массивные дыры от погибших звезд. Проверить идею можно косвенно: гамма-телескоп Fermi-LAT способен искать сигналы от испаряющихся осколков, а детекторы гравитационных волн — необычные следы слияний.