Rozmnażanie czarnych dziur? Teoria dopuszcza skrajny scenariusz

Czarne dziury kojarzą się przede wszystkim z procesem wzrostu: zyskują masę, gdy pochłaniają materię albo łączą się z innymi czarnymi dziurami. Pojawia się jednak mniej intuicyjne pytanie, czy pojedynczy obiekt tego typu mógłby w pewnych okolicznościach podzielić się na dwa. Teoretyczna analiza wskazuje, że na granicy dopuszczalnych warunków fizycznych taki wariant nie jest całkowicie wykluczony.

Możliwość rozszczepienia zależy od podstawowych parametrów czarnej dziury, takich jak masa, moment pędu i entropia. Zespół pracujący pod kierunkiem Francesco Sannino z Uniwersytetu Neapolitańskiego Federico II sprawdził, kiedy prawa fizyki mogłyby "pozwolić" na taki podział. Wniosek jest zasadniczo niekorzystny dla tego scenariusza: od strony termodynamiki rozdzielenie czarnej dziury na dwa obiekty zwykle oznaczałoby spadek entropii, a to stoi w sprzeczności z oczekiwaniami wynikającymi z tych praw. Badacze zauważyli jednak, że wyjątkowo szybka rotacja może tworzyć szczególną lukę w tych ograniczeniach.

Obliczenia sugerują, że czarne dziury wirujące z bardzo dużą prędkością mogą inaczej "rozłożyć" masę i moment pędu niż obiekty niewirujące. To z kolei otwiera możliwość spełnienia wymagań energetycznych i entropijnych, bez których rozszczepienie byłoby z góry niemożliwe. Spełnienie warunku związanego z entropią nie kończy jednak problemu: proces musiałby wytworzyć na tyle dużo energii, aby dwa powstałe obiekty mogły się trwale od siebie oddalić, zamiast szybko ponownie się połączyć.

W praktyce oznacza to niezwykle restrykcyjne kryteria. Według rozważań, czarna dziura musiałaby obracać się niemal z maksymalną dopuszczalną prędkością. Dopiero wtedy – w ujęciu teoretycznym – mogłoby dojść do rozdzielenia granicy horyzontu zdarzeń, a w konsekwencji do powstania dwóch niezależnych czarnych dziur. Opisywany mechanizm ma matematyczną analogię w postaci geometrycznego "rozgałęzienia", gdy jedna struktura dzieli się na dwie osobne odnogi.

Analiza obejmuje nie wyłącznie klasyczną ogólną teorię względności Einsteina. Rozpatrywano również bardziej nietypowe konstrukcje teoretyczne, w tym modele z dodatkowymi wymiarami oraz tzw. czarne struny, które mogą wykazywać szczególną niestabilność i podatność na fragmentację. W pewnych konfiguracjach taki "rozpad" może okazywać się korzystny entropijnie, zwłaszcza jeśli jeden z powstałych obiektów jest wyraźnie mniejszy od drugiego. Nawet to nie stanowi jednak potwierdzenia, że podobny podział rzeczywiście zachodzi w naturze.

Francesco Sannino podkreśla, że na obecnym etapie nie da się rzetelnie wyliczyć, jak często – o ile w ogóle – taki proces mógłby występować. Kluczowa pozostaje tu kwestia zachowania grawitacji poza obszarem, gdzie obowiązują dobrze przetestowane teorie. Badacze wskazują przy tym, że szczególnie podatne na tego typu scenariusz mogłyby być pierwotne, bardzo małe czarne dziury. Ich ewentualnych śladów należałoby szukać pośrednio w danych z obserwacji promieniowania gamma, m.in. z teleskopów takich jak Fermi-LAT, które mogą rejestrować sygnały powiązane z rozpadem czarnych dziur podczas zderzeń.