旋转极快的黑洞可能会分裂成两个

黑洞被认为是宇宙中最简单的物体。根据广义相对论，它们可以完全用几个量来描述，主要是质量和角动量。自 2015 年以来，LIGO 和 Virgo 等探测器定期记录两个此类物体碰撞引起的时空震动，包括迄今为止最强大的两个黑洞合并。相反的过程，即黑洞的分裂，以前从未被观察到。

因此，法国国家科学研究中心和索邦大学的 Giacomo Cacciapaglia、那不勒斯费德里科二世大学和南丹麦大学的 Francesco Sannino 以及欧登塞的 Manuel Del Piano 和 Vania Vellucci 系统地研究了哪些物理定律可以防止这种分裂，以及在什么条件下这种分裂可能成为可能。他们的研究发表在《物理评论 D》杂志上。

为什么黑洞通常不会衰变

主要障碍来自热力学。黑洞具有熵，衡量一个系统可以通过多少种微观方式构建而不会与外部看起来有所不同。根据雅各布·贝肯斯坦和斯蒂芬·霍金的说法，这个熵与事件视界的面积成正比，在这个边界之外，连光都无法逃逸。霍金面积定理指出，在经典过程中总视界面积不能变小。

这正是普通非旋转黑洞分裂失败的原因。由于视界面积随着质量的平方而增加，两个较小的黑洞在一起的面积会更小，因此熵也比原来的黑洞要少。两半各有一半的质量，只能覆盖原来面积的一半。这种衰变会减少熵，因此是不可能的。根据桑尼诺大学的声明，“在我们的研究中，我们研究了哪些物理定律通常会阻止黑洞分裂成两半”。 “我们还在调查某些情况是否可以允许分裂。”

现在还发现面积定理实际上适用。对合并黑洞产生的引力波信号的评估表明，合并后的黑洞的视界面积比两个母体天体总和的视界面积更大。作者在他们的作品中明确提到了这一确认。

快速旋转黑洞作为后门

旋转黑洞的情况有所不同，物理学家以新西兰数学家罗伊·克尔的名字将其称为克尔洞。对于它们，视界面积不仅取决于质量，还取决于角动量。快速旋转的黑洞的视界面积相对较小。如果它分成两个旋转速度较慢的部分，它们的公共面积可能会更大。那么熵不会减少，热力学禁令将不再适用。

但该法案还有第二部分。两个碎片还必须能够彼此分离，而不是立即再次塌陷。为此，必须分配能量和角动量，以便部件以足够的速度飞散。 “如果我们考虑到这个条件，窗口基本上会再次关闭，除了那些旋转接近其最大可能旋转速率的黑洞，”桑尼诺解释道。每个黑洞都有这样的上限。如果它旋转得更快，它的视界就会消失，这是我们今天所理解的相对论所不允许的。只有接近这个极限才可能出现分裂。

这种情况并不完全荒谬。根据测量，宇宙中许多黑洞旋转速度非常快，包括银河系中心的黑洞。是否有任何黑洞实际上足够接近最大旋转以满足研究条件仍然是一个悬而未决的问题。

为什么会产生裤子的形象

这项研究的不同寻常的标题谈到了裤子的拓扑结构。物理学家喜欢将事件视界的演化表示为空间和时间的形状。单个黑洞像一根沿着时间轴延伸的管子一样出现在其中。如果它裂开，该管子就会分成两根管子，类似于腰带合并成两条裤腿。两个黑洞的合并会产生相同的形状，只是时间方向相反。

用技术术语来说，作者问黑洞什么时候可以穿裤子。在这个半开玩笑的图像背后隐藏着一个严肃的引力物理学问题，因为分裂将表明黑洞的刚性不如经典理论所暗示的那样。

范围更广的奇异变体

超越爱因斯坦广义相对论的理论的范围变得明显更大。作者首先考虑具有额外空间维度的模型，例如弦理论预测的模型。那里存在着管状黑洞状物体，即所谓的黑弦，它会由于格雷戈里-拉弗拉姆不稳定性而分解，类似于水射流分解成单个水滴的方式。他们还研究了重力模型，其中熵、视界大小和质量的关系与经典理论不同，以及具有由外部场引起的凸起或漩涡的视界。

在所有这些情况下，从熵的角度来看，分裂出小碎片可能是有益的，特别是如果产生的黑洞之一比另一个黑洞小得多。这是否真的发生取决于原始黑洞如何移动和旋转。熵平衡是必要条件，但不是充分条件。理论学家目前正在其他地方研究类似的边缘案例，例如虫洞碰撞可能缩小黑洞的情况。这些工作的共同点是黑洞看起来比教科书上的更具移动性。

如何证明分裂

研究人员还无法确定分裂的可能性。 “这取决于引力如何超越爱因斯坦的理论，这就是我们正在研究的内容，”桑尼诺说。他预计，可能在大爆炸后不久形成的小型原始黑洞比坍缩恒星形成的大得多的黑洞更容易裂变。然而，原始黑洞是否存在尚未得到证实。

研究人员依靠伽马辐射进行间接检测。根据霍金的理论，非常小的碎片会迅速发出辐射并蒸发。因此，诸如美国宇航局费米大面积望远镜之类的伽马射线望远镜可以搜索黑洞合并可能产生的微小碎片中的信号。在那之前，黑洞分裂仍然是一种理论上的可能性，新研究更详细地定义了其局限性。

物理评论D，当黑洞承认裤子拓扑时； doi:10.1103/cx69-t466

南丹麦大学，黑洞能一分为二吗？

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