Zjawisko łączenia się dwóch czarnych dziur w jeden obiekt jest znane astronomom. Badacze postanowili jednak sprawdzić, czy możliwy jest także proces odwrotny, czyli podział pojedynczej czarnej dziury na dwa mniejsze obiekty. Zagadnieniem tym zajęli się naukowcy m.in. z University of Naples Federico II, University of Southern Denmark oraz Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS). Wyniki ich pracy opublikowano na łamach czasopisma „Physical Review D”.
W pierwszej kolejności fizycy przyjrzeli się mechanizmom, które zazwyczaj uniemożliwiają taki proces. Jednym z najważniejszych ograniczeń jest termodynamika. Czarnym dziurom przypisuje się entropię, opisującą w uproszczeniu liczbę możliwych sposobów organizacji ich mikroskopowej struktury, choć zewnętrznie obiekty te mogą wyglądać identycznie.
Podział nierotującej czarnej dziury na dwa mniejsze obiekty prowadziłby do obniżenia ich całkowitej entropii. Taki przebieg zdarzeń nie jest zgodny z zasadami termodynamiki. Inne możliwości pojawiają się jednak wtedy, gdy analizowany obiekt charakteryzuje się bardzo szybkim obrotem.
Czy ekstremalna prędkość obrotu może doprowadzić do podziału?
Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że szybka rotacja może stworzyć warunki sprzyjające rozpadowi czarnej dziury. Istotne znaczenie ma jednak również zachowanie obiektów po podziale. Musiałyby one oddalać się od siebie, aby nie doszło do ich niemal natychmiastowego ponownego połączenia. Ten dodatkowy warunek wyraźnie zawęża zakres sytuacji, w których rozpad byłby możliwy.
Mimo tych ograniczeń naukowcy nie wykluczają takiego scenariusza w przypadku czarnych dziur obracających się niemal z maksymalną dopuszczalną prędkością.
Badacze opisali również, jak mogłaby wyglądać sama geometria tego procesu. Zewnętrzna granica czarnej dziury, czyli horyzont, zmieniałaby swój kształt, przypominając spodnie. Dotychczasowa struktura rozdzieliłaby się na dwie części, które można porównać do nogawek. Właśnie z tym obrazem wiąże się określenie zastosowane przez naukowców, czyli „topologia przypominająca spodnie” („pair-of-pants topology”).
W pracy uwzględniono także bardziej nietypowe scenariusze związane z teoriami przewidującymi istnienie dodatkowych wymiarów przestrzennych. W ramach takich koncepcji fizycy opisują obiekty podobne do czarnych dziur, które mogą tracić stabilność i rozpadać się.
W określonych warunkach taki podział mógłby być również korzystny pod względem termodynamicznym. Dotyczyłoby to zwłaszcza sytuacji, w której jeden z dwóch powstałych obiektów miałby znacznie mniejszą masę od drugiego. Nie stanowi to jednak dowodu, że podobne zdarzenie rzeczywiście zachodzi we Wszechświecie.
Czy astronomowie będą w stanie zaobserwować rozpad czarnej dziury?
Na obecnym etapie badań nie udało się ustalić, jak prawdopodobny jest rozpad czarnej dziury. Odpowiedź zależy między innymi od zachowania grawitacji w modelach wykraczających poza teorię Einsteina. Naukowcy prowadzą dalsze prace, aby dokładniej oszacować możliwość wystąpienia tego zjawiska.
Badacze przypuszczają, że większą podatność na rozpad mogłyby wykazywać niewielkie pierwotne czarne dziury, w przeciwieństwie do znacznie masywniejszych obiektów.
Ewentualne ślady takiego procesu można byłoby identyfikować za pomocą obserwacji pośrednich. Teleskopy wykrywające promieniowanie gamma, w tym Fermi-LAT, mogłyby poszukiwać sygnałów emitowanych przez małe fragmenty czarnych dziur. Takie struktury mogłyby powstawać w trakcie procesu łączenia się tych obiektów.
