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黑洞竟然也能一分为二?前提是它必须以极快速度自转

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作者:Robert Lea

翻译:曹靖林

编排:喻思敏

后台:李子琦

https://www.space.com/astronomy/black-holes/black-holes-can-split-in-two-but-only-if-they-spin-at-extreme-speeds

分裂形成的两个黑洞还必须能够彼此分离,而不是刚刚分开就重新落向对方、合二为一。


一个黑洞分裂成两个黑洞的想象图

图片来源:Robert Lea

科学家早已知道,当两个黑洞发生碰撞时,它们会合并成一个质量更大的黑洞。这种碰撞极其剧烈,甚至会让空间本身产生阵阵涟漪。这些在时空中传播的涟漪,就是我们所说的“引力波”。

如今,一项新研究表明,相反的过程也有可能发生:一个黑洞或许能够分裂成两个!不过,要想实现这种分裂,原来的黑洞必须以理论上允许的最高速度自转。如此惊人的自转速度,才能避免分裂后的两个黑洞立即重新落向彼此。

按照通常的物理规律,黑洞是不应该一分为二的。而这项研究的科学家们想弄清楚的是:是否存在某些特殊条件,能够让黑洞暂时突破这些物理规律的限制?

阻止黑洞分裂的一个关键因素,来自热力学。黑洞具有一种被称为“熵”(entropy)的物理属性。简单来说,熵可以用来衡量一个系统的无序程度。

不妨想象一下小孩子的蜡笔盒。当熵较低时,各种颜色的蜡笔整整齐齐地排列在盒子里;随着熵的增加,蜡笔被弄得东倒西歪,原本井然有序的状态也随之消失。如果想让它们重新排列整齐,就需要家长花费力气,亲自动手收拾。换句话说,要降低一个系统的熵,就需要从外部进行干预,并投入能量。要是不用费力就能让蜡笔自己恢复整齐,带孩子可就轻松多了!

如果一个黑洞分裂成两个,就意味着熵会减少,而这恰恰是热力学定律所极力排斥的情况。不过,这一结论只适用于不旋转的黑洞。如果黑洞正在高速自转,情况或许就大不一样了。

研究团队发现,对于这种高速自转的黑洞,物理规律似乎留下了一个特殊的“突破口”。

研究团队成员、意大利那不勒斯费德里科二世大学的弗朗切斯科·桑尼诺(Francesco Sannino)在一份声明中表示:“分裂产生的两个黑洞还必须能够彼此分离,而不是立即重新落向对方。当我们把这一要求也考虑进去时,黑洞分裂的可能性就再次变得极为有限。唯一可能的例外,是那些自转速度接近理论极限的黑洞。”

黑洞也能“穿裤子”?

研究团队进一步计算了黑洞可能发生分裂的具体过程。他们发现,在这一过程中,黑洞的外部边界——也就是所谓的“事件视界”——会形成一种奇特的、类似裤子的形状。分裂产生的两个黑洞,仿佛分别沿着两条“裤腿”向外延伸。

研究人员将这种特殊的空间结构称为“裤形拓扑”(pair-of-pants topologies)。

研究人员还发现,如果分裂后形成的两个黑洞大小相差悬殊,其中一个明显小于另一个,那么这种分裂发生的可能性就会更大。


黑洞分裂成两个黑洞时,形成了类似裤子的拓扑结构

图片来源:Francesco Sannino

桑尼诺表示:“目前,我们还无法给出一个确定的数值,来描述黑洞发生分裂的概率。这取决于超出爱因斯坦理论范围时,引力究竟会如何表现,而我们正在努力对其进行定量研究。我们预计,与那些质量大得多的天体物理黑洞相比,质量较小的原初黑洞可能更容易发生分裂。”

桑尼诺还补充道,这种黑洞分裂现象或许能够通过一种被称为“伽马射线”的高能电磁辐射被探测到。

这项研究已于10月22日发表在国际物理学期刊《物理评论D》(Physical Review D)上。

原始论文链接:

journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/cx69-t466

责任编辑:张雨荷

牧夫新媒体编辑部

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