سیاه‌چاله‌ها می‌توانند ادغام شوند؛ اما آیا امکان تقسیم‌شدن آن‌ها نیز وجود دارد؟

آشکارسازهای امواج گرانشی نشان داده‌اند که سیاه‌چاله‌ها اغلب با یکدیگر برخورد می‌کنند و در این فرایند، با ادغام‌شدن، سیاه‌چاله‌هایی بزرگ‌تر به وجود می‌آورند. اکنون فیزیک‌دانان بررسی کرده‌اند که آیا ممکن است این فرایند در جهت عکس هم رخ دهد و یک سیاه‌چاله به دو سیاه‌چاله تقسیم شود یا نه.

نتیجه‌ی مطالعه‌ای جدید نشان می‌دهد که نمی‌توان احتمال تقسیم سیاه‌چاله‌ها را رد کرد. نمودارهای این فرآيند شبیه شلوار هستند و به همین دلیل، نویسندگان پژوهش نام فرضی «شلوار پوشیدن» را برایش انتخاب کرده‌اند.

سیاه‌چاله‌ها به‌دلیل گرانش فوق‌العاده قدرتمندشان مشهورند؛ گرانشی که حتی به نور هم اجازه فرار نمی‌دهد. بنابراین، انتظار می‌رود که بخشی از یک سیاه‌چاله نتواند از باقی آن جدا شود. بااین‌حال، اگر فیزیک‌دانان فقط به بررسی پدیده‌های پیش‌بینی‌پذیر بسنده می‌کردند، خیلی زود حوصله‌شان سر می‌رفت. ازاین‌رو، پروفسور فرانچسکو سانینو از دانشگاه جنوب دانمارک و همکارانش تصمیم گرفتند بررسی کنند که آیا چنین اتفاقی اساساً ممکن است رخ دهد یا خیر.

به گفته نویسندگان، تنها گرانش عظیم سیاه‌چاله‌ها نیست که مانع تقسیم‌شدن آن‌ها می‌شود؛ ترمودینامیک نیز در این میان نقش دارد. استیون هاوکینگ پیش‌بینی کرده بود که آنتروپی دو سیاه‌چاله‌ی کوچک‌تر، از آنتروپی سیاه‌چاله‌ای بزرگ کمتر است. مشاهدات امواج گرانشی نیز درستی پیش‌بینی او را تأیید کرده‌اند.

از آنجایی که آنتروپی جهان همواره رو به افزایش است، کاهش آنتروپی یک سامانه بدون دخالت عوامل خارجی، با روند طبیعی جهان در تضاد خواهد بود.

بااین‌حال، نویسندگان به وضعیتی استثنایی اشاره می‌کنند که می‌تواند مانع آنتروپی را از سر راه تقسیم‌شدن سیاه‌چاله‌ها بردارد و آن، سرعت چرخش بسیار بالا است. چرخش سیاه‌چاله‌ها از تکانه زاویه‌ای ستاره‌ای سرچشمه می‌گیرد که در اثر رمبش به سیاه‌چاله تبدیل شده است و هر ماده‌ای نیز که پس از آن به درون سیاه‌چاله سقوط کند، می‌تواند به این چرخش بیفزاید.

برای سیاه‌چاله‌ای با شرایط یکسان از سایر جنبه‌ها، هرچه سرعت چرخش بیشتر باشد، آنتروپی کمتر خواهد بود. بنابراین، اگر یک سیاه‌چاله با چرخش سریع به دو سیاه‌چاله با چرخش آهسته‌تر تقسیم شود، آنتروپی کل ممکن است روی کاغذ کاهش پیدا کند. در چنین وضعیتی، تکانه زاویه‌ای سیاه‌چاله‌ی اولیه باید به شکلی حفظ شود؛ اگر دو سیاه‌چاله‌ی حاصل به دور یکدیگر بچرخند، این تکانه می‌تواند صرف حرکت مداری آن‌ها شود.

پژوهشگران دریافتند که چنین شکافتی روی کاغذ امکان‌پذیر است؛ اما فقط زمانی که سرعت چرخش سیاه‌چاله اولیه به حداکثر مقدار ممکن بسیار نزدیک باشد. این شرط نشان می‌دهد که چنین رویدادی احتمالاً بسیار نادر است.

در این سناریو، اگر نمودار مرز سیاه‌چاله را در گذر زمان رسم کنیم، شکلی شبیه شلوار به دست می‌آید: سیاه‌چاله اولیه در قسمت کمر شلوار قرار می‌گیرد و هر یک از سیاه‌چاله‌های حاصل، یکی از دو پاچه‌ی آن را تشکیل می‌دهد. نویسندگان در مدل‌های خود از این ساختار با اصطلاح «توپولوژی شلوار» یاد می‌کنند.

بااین‌حال، هنوز مشخص نیست دقیقاً چه سازوکاری می‌تواند باعث شود یک سیاه‌چاله به دو سیاه‌چاله تقسیم شود. در نمودار نویسندگان از تقسیم‌شدن سیاه‌چاله، محل اتصال دو پاچه شلوار با عبارت «پویایی ناشناخته» مشخص شده است.

فیزیک‌دانان مدت‌هاست وجود ابعاد اضافی فراتر از چهار بُعد آشنای جهان را مطرح کرده‌اند. اگر چنین ابعادی را در نظر بگیریم، امکان تقسیم‌شدن سیاه‌چاله‌ها بیشتر می‌شود. محتمل‌ترین نمونه‌ها در مدل‌های چندبُعدی، شامل جداشدن سیاه‌چاله‌ای بسیار کوچک از سیاه‌چاله اولیه هستند، نه تقسیم شدن آن به دو سیاه‌چاله هم‌اندازه.

بااین‌حال، حتی با در نظر گرفتن ابعاد اضافی، یک پرسش اساسی همچنان باقی می‌ماند: چه چیزی در وهله نخست می‌تواند باعث چنین تقسیمی شود، حتی اگر این فرایند از نظر تئوری بتواند ادامه پیدا کند؟

سانینو در بیانیه‌ای گفت: «هنوز نمی‌توانیم احتمال مشخصی برای تقسیم‌شدن یک سیاه‌چاله ارائه دهیم. این احتمال به نحوه عملکرد گرانش فراتر از نظریه اینشتین بستگی دارد و ما در حال کار برای کمّی‌سازی آن هستیم. انتظار داریم سیاه‌چاله‌های نخستین کوچک، در مقایسه با سیاه‌چاله‌های اخترفیزیکی بسیار بزرگ، آمادگی بیشتری برای تقسیم‌شدن داشته باشند. شاید بتوانیم این شکافت را به‌طور غیرمستقیم شناسایی کنیم: تلسکوپ‌های پرتو گاما، مانند فرمی-ال‌ای‌تی، می‌توانند به دنبال سیگنال‌هایی از قطعات کوچک سیاه‌چاله‌ها بگردند که ممکن است هنگام ادغام سیاه‌چاله‌ها شکل بگیرند.»

پژوهش در نشریه Physical Review D منتشر شده است.