Voisiko musta aukko hajota kahdeksi? Uusi tutkimus

Voisiko musta aukko repiä itsensä kahtia? Provokatiivinen uusi teoreettinen tutkimus sanoo, että se saattaisi, mutta vain hyvin erityisissä olosuhteissa.

Tiedämme, että mustat aukot voivat törmätä ja yhdistyä suuremmaksi yksittäiseksi kohteeksi. Prosessin kääntäminen kuitenkin törmää suoraan termodynamiikkaan. Entropia, joka mittaa mikroskooppisia järjestelytapoja siten, että ulkoa katsottuna järjestelmä näyttää samalta, estää yleensä yksittäisen, ei-pyörivän mustan aukon jakautumisen kahdeksi pienemmäksi. Kahden pienemmän aukon yhdistetty entropia jää tyypillisesti alkuperäistä pienemmäksi, ja luonnossa eristäytyneelle järjestelmälle kokonaisentropian lasku on epäsuosittavaa.

Uusi artikkeli, jonka otsikko on 'Kun mustat aukot sallivat housuparitopologioita', tutkii, miltä jakautuminen näyttäisi avaruusaikakankaalla. Kuvittele tapahtumahorisontti, joka piirtää housuparin: yksi vyötärö, joka jakautuu kahdeksi lahkeeksi. Se on voimakas mielikuva, joka auttaa hahmottamaan haarautuvan horisontin topologiaa ajan kuluessa.

Työn ovat laatineet Francesco Sannino ja kollegat Napolin Federico II -yliopistosta, Etelä-Tanskan yliopistosta ja CNRS/Sorbonnesta. He esittävät suoria kysymyksiä: mitkä lait kieltävät jakautumisen, ja millaiset porsaanreiät voisivat antaa luonnolle luvan siihen? Laskelmat paljastavat kiehtovan mahdollisuuden, nopean pyörimisen.

Kuva mustan aukon jakautumisesta kahdeksi, joka muodostaa housujen muodon. 

Kulmamomentti muuttaa kaiken. Lähellä teoreettista maksimiaan pyörivä musta aukko voi varastoida ylimääräistä energiaa ja muuttaa entropian laskelmia. Näissä äärimmäisissä pyörimisnopeuksissa termodynaaminen este saattaa löystyä, jolloin aukeaa kapea ikkuna, jossa jakautuminen on entropian näkökulmasta sallittu. Mutta on olemassa toinen este: kahden jälkeläisen on päästävä irti toistensa vetovoimasta sen sijaan, että ne romahtaisivat takaisin yhdeksi aukoksi. Tämä vaatimus kutistaa turvallisen alueen dramaattisesti, ja se säilyy vain aukkojen kohdalla, jotka pyörivät hyvin lähellä ääriarvojaan.

Mitä sitten Einsteinin teorian ulkopuolisille ilmiöille? Ryhmä tarkasteli myös korkeamman ulottuvuuden gravitaatiomalleja, joissa mustan aukon kaltaiset kohteet tiedetään murtuvan epävakauden seurauksena. Joissakin näistä skenaarioista jakautuminen voi olla entropian kannalta edullinen, erityisesti silloin, kun toinen syntyvistä aukoista on verrattain pieni. Entropian sallivuus ei kuitenkaan tarkoita dynaamista väistämättömyyttä; termodynaaminen yhteenveto, joka näyttää suotuisalta, ei takaa, että prosessi etenee loppuun.

Primordiaaliset mustat aukot, hypoteettiset jäänteet, jotka syntyivät universumin varhaisimpina hetkinä, saattavat olla kaikkein todennäköisimpiä ehdokkaita todelliselle jakautumiselle. Pieni massa ja eksoottinen syntyhistoria voivat tehdä niistä alttiimpia fragmentaatiolle kuin galaktisten keskustojen valtavat mustat aukot. Jos pieniä fragmentteja syntyy, ne saattavat paljastua korkeaenergiaisina signaaleina. Gamma-sädeteleskoopit, kuten Fermi-LAT, voisivat periaatteessa havaita välähdyksiä haihtuvien mustan aukon fragmenttien tai fragmentaatioon liittyvien muiden väliaikaisten ilmiöiden vuoksi.

Mihin tämä siis meidät jättää? Ajatus, että yksi avaruusaikakuoppa voisi haarautua, kääntää tutun kuvan ylösalaisin. Se kannustaa tutkijoita kokeilemaan gravitaation rajoja ja etsimään hienovaraisia havaintollisia jälkiä. Ja se muistuttaa meitä siitä, että jopa kosmoksen ääriolosuhteissa yllätyksiä saattaa edelleen piillä matemaattisissa yhtälöissä, odottaen terävämpiä katseita ja rohkeampia kaukoputkia.