Melnie caurumi parasti tiek saistīti ar saplūšanu: ja divi šādi objekti saduras, tie var apvienoties vienā. Taču teorētiskā pētījumā aplūkots pretējs scenārijs — vai viens melnais caurums varētu sadalīties divos mazākos. Pētījums, kas publicēts žurnālā Physical Review D ar nosaukumu “When Black Holes Admit Pair-of-pants Topologies”, liecina, ka fizikas likumi šādu iespēju pilnībā neaizliedz, lai gan nepieciešamie apstākļi būtu ārkārtēji.

“Mūsu pētījumā mēs noskaidrojam, kuri fizikas likumi parasti neļauj melnajam caurumam sadalīties divos. Mēs arī pētām, vai noteikti apstākļi varētu šādu sadalīšanos pieļaut,” teicis pētījuma līdzautors Frančesko Sanīno, Neapoles Federiko II universitātes fizikas profesors un Dienviddānijas Universitātes Kvantu lauka teorijas centra pētnieks.

Pētījumā piedalījās arī Džakomo Kačapalja, Francijas Nacionālā zinātniskās pētniecības centra (CNRS) pētnieks Laboratoire de Physique Théorique et Hautes Énergies — laboratorijā, ko Parīzē kopīgi vada CNRS un Sorbonnas Universitāte. Pārējie līdzautori Manuels Del Pjano un Vanija Velluči pārstāv Dienviddānijas Universitātes Kvantu lauka teorijas centru.

Entropija parasti neļauj melnajam caurumam sadalīties

Viens no lielākajiem šķēršļiem šādam procesam ir termodinamika — fizikas nozare, kas apraksta enerģijas uzvedību un to, kā mainās fizikālās sistēmas. Būtisks jēdziens ir entropija, kas raksturo, cik daudz dažādu mikroskopisku sistēmas stāvokļu no ārpuses var izskatīties vienādi. Arī melnajiem caurumiem piemīt entropija, un tā ierobežo procesus, kas ar tiem var notikt.

Ja melnais caurums negriežas, tā sadalīšanās divos mazākos melnajos caurumos samazinātu kopējo entropiju. Šāds samazinājums termodinamiski padara procesu nelabvēlīgu, kas palīdz izskaidrot, kāpēc melnie caurumi parasti nesadalās.

Tomēr pētnieku aprēķini liecina, ka situācija varētu būtiski mainīties, ja melnais caurums rotētu ārkārtīgi ātri. Ļoti strauja rotācija varētu radīt šauru “logu” fizikālajos nosacījumos, kas parasti nepieļauj sadalīšanos. Principā pietiekami ātri rotējošs melnais caurums varētu pārvarēt ierasto termodinamisko ierobežojumu.

Sadalījušies objektiem būtu jāspēj aizkļūt vienam no otra

Taču pat tad saglabātos vēl viens būtisks šķērslis. Ja melnais caurums sadalītos, abiem jaunajiem objektiem būtu jāattālinās pietiekami, lai tie uzreiz nesaplūstu atpakaļ.

“Taču abiem izveidotajiem melnajiem caurumiem jāspēj arī atdalīties, nevis uzreiz krist atpakaļ kopā. Kad mēs ņemam vērā šo prasību, iespēju logs atkal lielākoties aizveras, izņemot varbūt melnos caurumus, kas rotē tuvu maksimāli iespējamajam ātrumam,” sacījis Sanīno.

Pētījuma neparastais nosaukums saistīts ar formu, ko melnā cauruma robeža šādas sadalīšanās gadījumā iezīmētu telpā un laikā. Šo robežu sauc par horizontu. Sākumā tas būtu viens veselums, bet pēc tam sazarotos divās atsevišķās daļās. Aplūkojot šo struktūru laika gaitā, tā atgādinātu bikses: viena augšējā daļa sadalītos divās “starās”. No šī tēla radies apzīmējums “bikšu topoloģijas”.

Vairāk dimensiju varētu mainīt ierastos noteikumus

Pētnieki aplūkoja arī neparastākus scenārijus, kuros telpai ir papildu dimensijas, kas pārsniedz trīs ikdienā pieredzamās dimensijas. Dažos šādu teorētisko modeļu gadījumos fiziķi jau ir identificējuši objektus, kas līdzinās melnajiem caurumiem un var kļūt nestabili, sākot sadalīties.

Šīs iespējas liek domāt, ka pazīstamie melno caurumu likumi ne vienmēr darbojas tāpat eksotiskākos apstākļos. Noteiktos gadījumos sadalīšanās varētu būt pat termodinamiski izdevīga, jo īpaši tad, ja viens no diviem jaunajiem melnajiem caurumiem būtu daudz mazāks par otru.

Tomēr fakts, ka process ir termodinamiski atļauts vai pat labvēlīgs, vēl nenozīmē, ka tas patiešām notiks. Pētniekiem joprojām jānoskaidro, vai šāda fragmentācija ir fiziski iespējama un kādi konkrēti apstākļi to varētu izraisīt.

Meklē netiešas sadalīšanās pazīmes

Zinātnieki pašlaik mēģina labāk saprast, cik ticami šādi notikumi varētu būt. Atbilde var būt atkarīga no gravitācijas īpašībām, kas pārsniedz Alberta Einšteina teorijas aprakstu, tādēļ problēma ir īpaši sarežģīta.

“Mēs vēl nevaram noteikt vienu varbūtību, ka melnais caurums sadalīsies. Tas ir atkarīgs no tā, kā gravitācija darbojas ārpus Einšteina teorijas robežām, un mēs strādājam, lai to kvantitatīvi aprakstītu. Mēs sagaidām, ka mazi pirmatnējie melnie caurumi varētu būt vairāk pakļauti sadalīšanai nekā daudz lielāki astrofiziskie melnie caurumi. Sadalīšanos varētu atklāt netieši: gamma staru teleskopi, piemēram, Fermi-LAT, varētu meklēt signālus no sīkiem melno caurumu fragmentiem, kas varētu veidoties saplūšanas laikā,” sacījis Sanīno.

Pašlaik nav apstiprinātu novērojumu, kuros būtu fiksēta melnā cauruma sadalīšanās. Tomēr iespēja atklāt signālus no sīkiem fragmentiem piedāvā potenciālu veidu, kā šo ideju pārbaudīt. Šādi pierādījumi varētu sniegt vērtīgas norādes par gravitācijas darbību Visuma ekstrēmākajos apstākļos.

Sanīno ir Kvantu lauka teorijas centra (ℏQTC) direktors. Centrs ir saistīts ar Dienviddānijas Universitātes Matemātikas un datorzinātņu nodaļu (IMADA). Viņš ir arī saistīts ar Dānijas Padziļināto pētījumu institūtu un Neapoles Federiko II universitātes Fizikas nodaļu “Ettore Pancini”, kā arī ir viesprofesors Daremas Universitātē.