我们熟悉的黑洞剧情通常是单向的:两个黑洞撞上,合并成一个更重的黑洞,剧烈的并合还会让时空本身泛起涟漪,也就是引力波。现在,一项新研究提出了反方向的设想——单个黑洞或许也能一分为二。
但条件相当苛刻。研究人员指出,这种分裂只有在原初黑洞以接近最大可能速度自转时才可能发生;正是这种高速旋转,让分裂出的两个黑洞有机会彼此分开,而不是立刻又落回一起。
从物理定律看,黑洞分裂本来是被禁止的。研究团队考察的正是:是否存在某些条件,能让这些禁令被暂时绕开。
关键障碍之一来自热力学。黑洞拥有一种叫“熵”的性质,本质上衡量系统内部的混乱程度。可以想象一个幼儿的蜡笔盒:熵低时,蜡笔按颜色排得整整齐齐;熵升高后,蜡笔散落、不再有序。要把蜡笔重新排好,得有人从系统外投入能量动手整理。换句话说,没有外部干预和能量输入,一个系统的熵无法降低。
黑洞一分为二,意味着熵减少,这强烈违背热力学定律——但前提是这个黑洞不自转。对于高速旋转的黑洞,情况可能不同。研究团队发现,对这类黑洞而言,存在一个“漏洞”。
意大利那不勒斯费德里科二世大学的研究成员弗朗切斯科·桑尼诺(Francesco Sannino)在声明中说:“分裂产生的两个黑洞还必须能够彼此分离,而不是立刻重新落回一起。当我们把这一要求纳入考虑,窗口就大幅收窄了,除非黑洞以接近其最大可能速率旋转。”
研究团队计算了这种分裂可能如何发生,发现黑洞外部边界即“事件视界”的分裂会以一种奇特的裤腿形状推进,两个新生黑洞各自沿着一条“裤腿”滑下去。他们称之为“裤子拓扑”。
研究人员还判断,如果分裂产生的两个黑洞中,有一个明显小于它的“双胞胎”,分裂更有可能发生。
至于概率,桑尼诺保持了谨慎:“我们目前还无法给出黑洞分裂的单一概率。这取决于引力在爱因斯坦理论之外如何表现,我们正在努力量化这一点。”他补充说:“我们预计,小型原初黑洞比更大的天体物理黑洞更容易发生分裂。”
桑尼诺还提到,这类分裂或许能通过高能伽马射线被间接探测到。“我们可能间接探测到分裂:像费米大面积太空望远镜(Fermi-LAT)这样的伽马射线望远镜,可以搜寻并合过程中可能形成的微小黑洞碎片发出的信号。”
这项研究于10月22日发表在期刊《物理评论D》(Physical Review D)上。
需要强调的是,这仍是一个理论上的可能性,而非已被观测证实的事件。黑洞究竟能不能真的“分身”,取决于引力在爱因斯坦理论之外的行为——而这,正是研究团队接下来要量化的问题。
