Dwie czarne dziury mogą się zderzyć i połączyć w jedną. Taka możliwość jest przewidywana teoretycznie, a nawet astronomowie obserwują fale grawitacyjne od tego rodzaju zdarzeń. Ale czy możliwa jest sytuacja przeciwna – podzielenie się czarnej dziury na dwie lub więcej mniejszych? Na to pytanie spróbowali odpowiedzieć naukowcy z Francji, Danii i Włoch.

W swojej analizie badacze sprawdzili, które prawa fizyki uniemożliwiają czarnej dziurze rozdzielenie się na dwa obiekty, a także jakie warunki musiałyby zostać spełnione, aby takie zdarzenie mogło zajść.

Istotna blokada dla rozpadania się czarnych dziur pochodzi z termodynamiki. Czarna dziura posiada bowiem entropię. Jest to termin występujący w termodynamice. W kontekście opisywanych badań, w ujęciu statystycznym, można go określić, jako miarę na ile sposobów (na poziomie mikroskopowym) można skonfigurować układ fizyczny tak, aby z zewnątrz wyglądał tak samo. Entropia określa kierunek przebiegu procesów fizycznych, w izolowanych układach termodynamicznych entropia nie maleje.

W przypadku zwykłej, nieobracającej się czarnej dziury, podział na dwie mniejsze czarne dziury oznaczałby zmniejszenie entropii, a to czyni taki proces termodynamicznie niekorzystnym, a więc nie powinien wystąpić.

Jeśli jednak czarna dziura rotuje i do tego robi to gwałtownie, pojawia się furtka umożliwiająca podział. Trzeba jednak odrzucić wariant, w którym powstałe z podziału czarne dziury natychmiast łączą się z powrotem. Żeby oddaliły się od siebie, potrzeba, aby pierwotna czarna dziura, z której powstały, obracała się blisko maksymalnie dopuszczalnego tempa. W takim przypadku zewnętrzna granica czarnej dziury (horyzont zdarzeń) przybrałaby kształt przypominający spodnie: tworząca całość sekcja rozdzieliłaby się na dwie „nogawki” – w taki obrazowy sposób naukowcy opisują sytuację.

Kolejna możliwość jest bardziej egzotyczna i wymaga dodatkowych wymiarów. W niektórych teoriach z większą liczbą wymiarów przestrzennych obiekty podobne do czarnych dziur mogą stawać się niestabilne i rozpadać się. W pewnych warunkach taki podział obiektu może być korzystny termodynamicznie, szczególnie jeśli jedna z dwóch powstałych w ten sposób czarnych dziur jest dużo mniejsza od drugiej. Oznacza to, że szansa na fragmentację istnieje, ale nie ma gwarancji, że do niej dojdzie.

Badacze wskazują, że nie można jak na razie ocenić prawdopodobieństwa rozdzielenia się czarnej dziury na dwie. Zależy to bowiem od tego, jak grawitacja zachowuje się poza ramami, w których działa teoria Einsteina. Być może małe pierwotne czarne dziury są bardziej podatne na rozpad niż znacznie większe czarne dziury znane obecnie z astrofizyki. Fragmentację czarnej dziury można by było wykryć pośrednio przy pomocy obserwacji teleskopami w promieniowaniu gamma, poszukując odpowiednich sygnałów.

Publikacja opisująca wyniki analiz ukazała się w czasopiśmie naukowym „Physical Review D”. Pierwszym autorem artykułu jest Giacomo Cacciapaglia z Uniwersytetu Sorbońskiego w Paryżu oraz Narodowego Centrum Badań Naukowych (CNRS, Francja) i Uniwersytetu Południowej Danii w Odense (Dania). (PAP)

cza/ agt/