Чёрная дыра может разделиться на две: расчёты допускают распад при почти предельном вращении

Две чёрные дыры могут столкнуться и слиться в одну. А может ли одна чёрная дыра разделиться на две? Вопрос, который звучит как научная фантастика, стал предметом строгой теоретической работы. Группа физиков из Италии, Дании и Франции проверила, при каких условиях такой распад не нарушает фундаментальные законы физики. Их статья опубликована 22 октября 2026 года в журнале Physical Review D.

Речь идёт не о наблюдении, а о расчёте: авторы сравнивали энтропию и кинематические ограничения для начальной и конечной конфигураций, не моделируя сам процесс перехода. «Мы исследуем, какие физические законы обычно мешают чёрной дыре разделиться, и могут ли определённые обстоятельства позволить такой распад», — объясняет Франческо Саннино, профессор физики Университета Неаполя имени Федерико II и Центра квантовой теории поля Университета Южной Дании. Вместе с ним над работой трудились Джакомо Каччапалья (CNRS и Сорбонна), Мануэль Дель Пиано и Вания Веллуччи (Университет Южной Дании).

Почему распад обычно невозможен

Главное препятствие — термодинамика. У чёрной дыры есть энтропия — мера того, сколькими микроскопическими способами система может выглядеть одинаково извне. Для невращающейся чёрной дыры Шварцшильда энтропия пропорциональна квадрату массы. Если разделить такую дыру на две меньшие, сумма их энтропий окажется меньше, чем у исходной. А второй закон термодинамики запрещает процесс, в котором энтропия уменьшается.

Ситуация меняется, если чёрная дыра быстро вращается. У вращающейся дыры Керра энтропия тем меньше, чем больше её спин. Если часть собственного вращения перейдёт в орбитальное движение фрагментов, суммарная энтропия конечного состояния может оказаться даже больше начальной. «Но два получившихся фрагмента должны ещё и разойтись, а не сразу упасть обратно, — добавляет Саннино. — Когда мы добавляем это требование, окно возможностей снова почти полностью закрывается, за исключением случая, когда исходная дыра вращается почти с максимально возможной скоростью».

Если бы такой распад произошёл, внешняя граница чёрной дыры — горизонт — во времени образовала бы форму, похожую на штанины: одну «штанину», которая разделяется на две. Этим объясняется термин «pair-of-pants topologies» в названии статьи.

Границы расчёта и более экзотические сценарии

Авторы подчёркивают: их работа — не доказательство того, что распад происходит в природе. Распад не следует из одной энтропийной допустимости. «Разбитое стекло имеет более высокую энтропию, но динамического пути к его разрушению нет», — пишут авторы в препринте. Авторы не вычислили вероятность распада, а его возможность в рамках классической общей теории относительности связывают с кинематикой исходного состояния. «Однако наступление распада всё ещё зависит от кинематической конфигурации начального состояния», — сказано в статье.

Помимо почти предельного вращения в обычном пространстве-времени, учёные рассмотрели и более экзотические варианты. В теориях с дополнительными пространственными измерениями существуют объекты, похожие на чёрные дыры, которые могут становиться нестабильными и фрагментироваться — например, так называемая нестабильность Грегори-Лафламма для чёрных струн. В таких сценариях распад может быть термодинамически выгоден, особенно когда один из фрагментов намного меньше другого. Однако и это не доказывает, что фрагментация действительно произойдёт — нужна отдельная проверка динамики.

Авторы ожидают, что небольшие первичные чёрные дыры, образовавшиеся в ранней Вселенной, более склонны к распаду, чем массивные астрофизические. «Мы можем обнаружить распад косвенно: гамма-телескопы, такие как Fermi-LAT, могут искать сигналы от крошечных чёрных фрагментов, которые могут образовываться во время слияний», — добавляет Саннино.

Почему это интересно, а не сенсация

Представим волчок, который крутится так быстро, что его поверхность почти разрывается. Обычный волчок не может сам по себе развалиться на два — это уменьшило бы «беспорядок» в системе. Но если волчок раскручен почти до предела, часть энергии его вращения теоретически может перейти в энергию разлетающихся кусков, и «беспорядок» (энтропия) возрастёт. Расчёты показывают, что это принципиально возможно. Но чтобы куски действительно разлетелись, а не упали обратно, волчок должен крутиться почти с максимально возможной скоростью. И даже тогда неизвестно, запустит ли этот процесс какой-либо реальный механизм.

Исследование не говорит, что астрономы где-то увидели распад чёрной дыры. Оно лишь очерчивает теоретические границы, внутри которых такой процесс не противоречит известным законам физики. «Наш анализ проясняет теоретический ландшафт, в котором чёрные дыры могут фрагментироваться, что особенно актуально для первичных чёрных дыр и катастрофических событий, таких как слияния чёрных дыр», — заключают авторы. Тем, кто пишет магистерскую диссертацию по физике, стоит помнить: такие работы требуют аккуратного разделения необходимых и достаточных условий.