Μπορεί να χωριστεί στα δύο μια μαύρη τρύπα; Νέα έρευνα αφήνει ανοιχτό το ενδεχόμενο

Σύνοψη

• Νέα έρευνα ανατρέπει την πεποίθηση ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν αποκλειστικά να συγχωνευτούν.
• Η ομάδα του Πανεπιστημίου της Νότιας Δανίας (SDU) απέδειξε θεωρητικά ότι η ακραία ταχύτητα περιστροφής παρακάμπτει τους θερμοδυναμικούς περιορισμούς της εντροπίας, επιτρέποντας τη διάσπαση.
• Το φαινόμενο περιγράφεται χωροχρονικά μέσω της τοπολογίας "Pair-of-Pants", όπου ο ορίζοντας γεγονότων διαχωρίζεται σε δύο διακριτά, ανεξάρτητα τμήματα.
• Οι ερευνητές ευελπιστούν να εντοπίσουν έμμεσα το φαινόμενο μέσω τηλεσκοπίων ακτίνων γ, όπως το Fermi-LAT, αναζητώντας ενεργειακά σήματα από αρχέγονες μαύρες τρύπες.

Η κατανόηση της συμπεριφοράς των μελανών οπών στο Σύμπαν στηρίζεται σε μεγάλο βαθμό στον κανόνα της συγχώνευσης, όπου δύο τέτοια υπερμεγέθη ουράνια σώματα ενώνονται δημιουργώντας ένα μεγαλύτερο αντικείμενο με ισχυρότερο βαρυτικό πεδίο. Η αντίστροφη διαδικασία, δηλαδή η πιθανότητα μια μαύρη τρύπα να διαχωριστεί σε δύο μικρότερες οντότητες, θεωρούνταν μέχρι πρότινος αδύνατη εξαιτίας αυστηρών θερμοδυναμικών περιορισμών που απαγορεύουν τη μείωση της συνολικής εντροπίας του συστήματος. 

Μια νέα θεωρητική μελέτη που εκπονήθηκε από διεθνή ομάδα επιστημόνων έρχεται να αναλύσει τις ακραίες συνθήκες κάτω από τις οποίες ένας τέτοιος διαχωρισμός καθίσταται φυσικά εφικτός, αφήνοντας ανοιχτό το ενδεχόμενο για την παρατήρηση ενός εντελώς νέου αστροφυσικού φαινομένου.

Η ομάδα των ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Νότιας Δανίας (SDU) και το Πανεπιστήμιο της Νάπολης Federico II, συνεργάστηκε με επιστήμονες από το Εθνικό Κέντρο Επιστημονικών Ερευνών της Γαλλίας (CNRS) για να εξετάσει τα μαθηματικά μοντέλα που διέπουν τη σταθερότητα του ορίζοντα γεγονότων. Οι υπολογισμοί τους κατέδειξαν ότι οι νόμοι που αποτρέπουν τη διάσπαση μπορούν να παρακαμφθούν εάν το αρχικό σώμα περιστρέφεται με ταχύτητα που αγγίζει το μέγιστο επιτρεπτό όριο της φυσικής, δημιουργώντας ένα εξαιρετικά στενό παράθυρο ευκαιρίας για τον διχασμό του.

Πώς η ακραία περιστροφή παρακάμπτει τους νόμους της Θερμοδυναμικής

Η θεωρητική απόσχιση μιας περιστρεφόμενης μαύρης τρύπας σε δύο μικρότερα σώματα απαιτεί περιστροφή κοντά στο θεωρητικό μέγιστο όριο, προκειμένου να μην παραβιαστεί ο νόμος αύξησης της εντροπίας. Η μελέτη καταδεικνύει ότι για τα μη περιστρεφόμενα συστήματα η διάσπαση συνεπάγεται μείωση της εντροπίας, όμως η φυγόκεντρος δύναμη των ακραίων ταχυτήτων εξισορροπεί τη θερμοδυναμική εξίσωση.

Η μελέτη της θερμοδυναμικής των μελανών οπών αποτελεί έναν από τους πιο περίπλοκους κλάδους της σύγχρονης φυσικής, καθώς συνδέει άμεσα τη βαρύτητα με την κβαντομηχανική μέσω της έννοιας της εντροπίας. Κάθε μαύρη τρύπα διαθέτει ένα τεράστιο ποσό εντροπίας, το οποίο μεταφράζεται στον αριθμό των διαφορετικών μικροσκοπικών διατάξεων που μπορούν να υπάρξουν στο εσωτερικό της χωρίς να μεταβάλλεται η εξωτερική της εμφάνιση και η βαρυτική της υπογραφή. Σύμφωνα με τους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής, οποιαδήποτε μεταβολή σε ένα κλειστό σύστημα πρέπει να οδηγεί σε διατήρηση ή αύξηση της συνολικής εντροπίας, γεγονός που εξηγεί τον λόγο για τον οποίο η συγχώνευση δύο μελανών οπών αποτελεί μια απολύτως φυσική και παρατηρήσιμη διαδικασία. Αντίθετα, ο διαχωρισμός ενός τέτοιου αντικειμένου σε δύο μικρότερα κομμάτια προκαλεί κατακόρυφη πτώση της εντροπίας, μια συνθήκη που η φύση απορρίπτει κατηγορηματικά υπό φυσιολογικές συνθήκες.

Οι συγγραφείς της δημοσίευσης διαπίστωσαν ότι η εισαγωγή της γωνιακής ορμής στην εξίσωση μεταβάλλει ριζικά το μαθηματικό τοπίο. Όταν η μάζα περιστρέφεται με ιλιγγιώδη ταχύτητα γύρω από τον άξονα της, οι δυνάμεις που αναπτύσσονται στον ορίζοντα γεγονότων εξουδετερώνουν εν μέρει τους περιορισμούς της εντροπίας, ανοίγοντας μια μικρή «κερκόπορτα» στους νόμους της θερμοδυναμικής. Παρόλα αυτά, η διαδικασία παραμένει εξαιρετικά ασταθής, αφού τα δύο νέα σώματα που προκύπτουν οφείλουν να απομακρυνθούν μεταξύ τους με τεράστια ταχύτητα διαφυγής για να αποφύγουν την άμεση επανασυγχώνευση. Αυτή η αναγκαιότητα άμεσης απομάκρυνσης περιορίζει περαιτέρω τις πιθανότητες εμφάνισης του φαινομένου, εντοπίζοντας την εφαρμογή του αποκλειστικά σε αντικείμενα που περιστρέφονται λίγο πριν από το σημείο θεωρητικής διάλυσης τους.

Η τοπολογία "Pair-of-Pants" και η συμπεριφορά του ορίζοντα γεγονότων

Ο διαχωρισμός του ορίζοντα γεγονότων περιγράφεται μαθηματικά μέσω της τοπολογίας "Pair-of-Pants", όπου μια ενιαία δομή διακλαδίζεται στον χωρόχρονο θυμίζοντας ένα παντελόνι. Το αρχικό αντικείμενο λειτουργεί ως ο κορμός της δομής, ενώ ο διχασμός χωρίζει το όριο διαφυγής του φωτός σε δύο ανεξάρτητους κλάδους που συνεχίζουν την πορεία τους αποφεύγοντας την επανασυγχώνευση.

Για να κατανοήσει κάποιος την πολυπλοκότητα αυτού του διαχωρισμού, απαιτείται η απεικόνιση της συμπεριφοράς του ορίζοντα γεγονότων όχι απλώς ως ένα τρισδιάστατο σφαιρικό όριο, αλλά ως μια δομή που εξελίσσεται δυναμικά μέσα στην τέταρτη διάσταση του χρόνου. Ο τίτλος της ερευνητικής εργασίας αντικατοπτρίζει επακριβώς αυτή τη γεωμετρική απεικόνιση, η οποία χρησιμοποιείται συχνά στη θεωρία χορδών για να περιγράψει τη διάσπαση και την ένωση στοιχειωδών σωματιδίων. Στην περίπτωση των υπερμεγεθών βαρυτικών αντικειμένων, η οπτικοποίηση αυτής της τοπολογίας αποδεικνύει ότι το σημείο χωρίς επιστροφή δεν διακόπτεται βίαια, αλλά εκτείνεται ομαλά σχηματίζοντας μια γέφυρα η οποία τελικά λεπταίνει και αποκόπτεται οριστικά.

Η κρίσιμη στιγμή της απόσχισης συνεπάγεται ραγδαίες μεταβολές στον περιβάλλοντα χώρο, καθώς τεράστιες ποσότητες ενέργειας αναμένεται να απελευθερωθούν στο Σύμπαν μέσω της εκπομπής βαρυτικών κυμάτων. Οι ερευνητές υπογραμμίζουν ότι η μορφή αυτών των κυμάτων θα διαφέρει σημαντικά από το χαρακτηριστικό σήμα που εντοπίζουν οι ανιχνευτές LIGO και Virgo κατά τη διάρκεια των κλασικών συγχωνεύσεων. Ο σχηματισμός των δύο νέων κλάδων υποδηλώνει μια απότομη μείωση της συνολικής μάζας που εγκλωβίζεται στον αρχικό ορίζοντα, μεταφέροντας το πλεόνασμα στο περιβάλλον μέσω έντονης βαρυτικής ακτινοβολίας.

Ο ρόλος των πρόσθετων διαστάσεων και η Κβαντική Βαρύτητα

Η ενσωμάτωση πρόσθετων χωρικών διαστάσεων, πέραν των τριών γνωστών, αυξάνει εκθετικά τις πιθανότητες θερμοδυναμικής ευστάθειας κατά τη διάσπαση μιας μαύρης τρύπας. Στα θεωρητικά μοντέλα της κβαντικής βαρύτητας, ο διαχωρισμός ευνοείται ενεργειακά κυρίως όταν το ένα από τα δύο παραγόμενα σώματα διαθέτει κλασματική μάζα συγκριτικά με το κύριο αντικείμενο, δημιουργώντας μια ασύμμετρη διάταξη.

Οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Νότιας Δανίας δεν περιορίστηκαν στην ανάλυση του φαινομένου στο αυστηρό πλαίσιο της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, η οποία περιγράφει εξαιρετικά το ορατό Σύμπαν αλλά αδυνατεί να εξηγήσει τις κβαντικές ανωμαλίες στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας. Διερευνώντας εναλλακτικά μαθηματικά σενάρια που περιλαμβάνουν την ύπαρξη επιπλέον διαστάσεων, ανακάλυψαν ότι οι κανόνες που περιορίζουν τη διάσπαση χαλαρώνουν αισθητά. Ανθρώπινες αισθήσεις και τεχνολογικά όργανα αντιλαμβάνονται τον χώρο σε τρεις διαστάσεις, όμως οι σύγχρονες θεωρίες ενοποίησης απαιτούν πολύ περισσότερες για να λειτουργήσουν τα μαθηματικά τους μοντέλα χωρίς σφάλματα.

Μέσα σε αυτά τα πολυδιάστατα περιβάλλοντα, εντοπίζονται δομές που ομοιάζουν με μαύρες τρύπες οι οποίες παρουσιάζουν εγγενή αστάθεια και τείνουν να διασπώνται πολύ πιο εύκολα από τα σφαιρικά αστροφυσικά αντικείμενα που παρατηρούμε στον ουρανό. Η ανάλυση αυτών των ασύμμετρων διασπάσεων προσφέρει πολύτιμα δεδομένα για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η βαρύτητα αλληλεπιδρά με τον μικρόκοσμο, επιτρέποντας στους θεωρητικούς φυσικούς να δοκιμάσουν τα όρια των εξισώσεων τους. Το γεγονός ότι η θερμοδυναμική επικυρώνει μια τέτοια πιθανότητα σε ανώτερες διαστάσεις δεν μεταφράζεται απαραίτητα στην άμεση φυσική υλοποίηση της, παρόλα αυτά, αποτελεί ένα ισχυρό θεμέλιο για τη συνέχιση της έρευνας προς την κατεύθυνση της ενοποιημένης κβαντικής βαρύτητας.

Πιθανότητες ανίχνευσης μέσω τηλεσκοπίων ακτίνων γ (Fermi-LAT)

Η επιβεβαίωση της θεωρίας ενδέχεται να προέλθει από τηλεσκόπια ακτίνων γ, όπως το Fermi-LAT, ανιχνεύοντας σήματα από την παραγωγή μικροσκοπικών θραυσμάτων κατά τη διάρκεια του διαχωρισμού. Ο ερευνητής Francesco Sannino εκτιμά ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες ελάχιστης μάζας είναι απείρως πιο επιρρεπείς στη διάσπαση συγκριτικά με τα υπερμεγέθη αστροφυσικά αντικείμενα των γαλαξιακών κέντρων.

Η μετάβαση από τον μαθηματικό πίνακα στην αστρονομική παρατήρηση απαιτεί όργανα ικανά να εντοπίσουν τις απειροελάχιστες ενεργειακές υπογραφές που αφήνει πίσω του ένα τόσο ακραίο γεγονός. Η προσπάθεια υπολογισμού μιας συγκεκριμένης πιθανότητας για την εμφάνιση αυτού του φαινομένου προσκρούει στην έλλειψη μιας ολοκληρωμένης θεωρίας που να ξεπερνά τη Σχετικότητα και να ενώνει όλες τις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης. Οι συγγραφείς της έρευνας εστιάζουν την προσοχή τους κυρίως στις αρχέγονες μαύρες τρύπες, δηλαδή στις μικροσκοπικές ανωμαλίες του χωροχρόνου που υπολογίζεται ότι δημιουργήθηκαν τα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά το Big Bang και παραμένουν κρυμμένες στο Σύμπαν.

Αυτά τα συμπαγή υπολείμματα της γένεσης του Σύμπαντος διαθέτουν χαρακτηριστικά που τα καθιστούν ιδανικούς υποψηφίους για φαινόμενα απόσχισης, καθώς η εξαιρετικά μικρή τους μάζα σε συνδυασμό με την ταχύτατη περιστροφή τους μεγιστοποιεί τις θερμοδυναμικές αστάθειες. Η παραγωγή μικροσκοπικών θραυσμάτων από μια τέτοια διάσπαση αναμένεται να συνοδεύεται από την εκπομπή έντονης ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας, η οποία ταξιδεύει στο Διάστημα με τη μορφή φωτονίων γάμμα. 

Διαστημικά παρατηρητήρια που βρίσκονται ήδη σε τροχιά, όπως το τηλεσκόπιο Fermi, διαθέτουν την απαραίτητη ευαισθησία για να καταγράψουν τέτοιες απότομες εκλάμψεις, παρέχοντας έτσι στους ερευνητές τα αναγκαία εμπειρικά δεδομένα που θα επιβεβαιώσουν ή θα διαψεύσουν την ύπαρξη των διακλαδωμένων οριζόντων γεγονότων.