Svart hull forbindes vanligvis med sammensmelting: Når to slike objekter kolliderer, kan de bli til ett. Et teoretisk forskningsarbeid undersøker det motsatte scenariet – om ett svart hull kan dele seg i to mindre.

Studien er publisert i tidsskriftet Physical Review D under tittelen «When Black Holes Admit Pair-of-pants Topologies». Resultatene tyder på at fysikkens lover ikke fullstendig forbyr en slik oppsplitting, selv om de nødvendige forholdene vil være ekstreme.

«I vår studie undersøker vi hvilke fysiske lover som vanligvis hindrer et svart hull i å dele seg i to. Vi undersøker også om bestemte forhold kan tillate en slik oppsplitting», sier medforfatter Francesco Sanino, professor i fysikk ved Universitetet i Napoli Federico II og forsker ved Center for Quantum Field Theory ved Syddansk Universitet.

Entropi gjør oppsplitting vanskelig

Forskerne undersøker hvilke begrensninger termodynamikken legger på prosessen. Termodynamikk beskriver hvordan energi oppfører seg, og hvordan fysiske systemer endrer seg. Et sentralt begrep er entropi, som sier noe om hvor mange ulike mikroskopiske tilstander i et system som kan se like ut utenfra.

Også svarte hull har entropi, og denne egenskapen begrenser hvilke prosesser de kan gjennomgå. Dersom et svart hull ikke roterer, vil en oppsplitting i to mindre svarte hull redusere den samlede entropien. Det gjør prosessen termodynamisk ugunstig, noe som bidrar til å forklare hvorfor svarte hull normalt ikke deler seg.

Forskerne delte også Giacomo Cacciapaglia, forsker ved det franske nasjonale forskningssenteret CNRS, i arbeidet. Han er tilknyttet Laboratoire de Physique Théorique et Hautes Énergies, et laboratorium i Paris som drives i fellesskap av CNRS og Sorbonne-universitetet. De øvrige medforfatterne, Manuel Del Piano og Vania Vellucci, representerer Center for Quantum Field Theory ved Syddansk Universitet.

Et smalt mulighetsrom

Beregningene tyder på at situasjonen kan endre seg betydelig dersom det svarte hullet roterer ekstremt raskt. En svært rask rotasjon kan skape et smalt «vindu» i de fysiske betingelsene som vanligvis hindrer oppsplitting. I prinsippet kan et svart hull som roterer raskt nok, overvinne den vanlige termodynamiske begrensningen.

Også da står en viktig hindring igjen. Hvis det svarte hullet deler seg, må de to nye objektene bevege seg langt nok fra hverandre til at de ikke straks smelter sammen igjen.

«Men begge de svarte hullene som blir dannet, må også kunne skille lag, i stedet for å falle sammen igjen med én gang. Når vi tar hensyn til dette kravet, lukkes mulighetsrommet igjen nesten helt, med mulig unntak av svarte hull som roterer nær den høyest mulige hastigheten», sier Sanino.

Derfor kalles det «buksetopologi»

Den uvanlige tittelen på forskningsarbeidet viser til formen grensen rundt det svarte hullet vil tegne i rom og tid dersom en slik oppsplitting skjer. Denne grensen kalles en horisont.

Til å begynne med vil horisonten være én sammenhengende struktur. Deretter vil den forgrene seg i to separate deler. Sett over tid kan formen minne om en bukse: Én øvre del deler seg i to «bein». Derfra kommer betegnelsen «buksetopologier».

Forskerne undersøkte også mer uvanlige scenarier der rommet har flere dimensjoner enn de tre vi opplever i hverdagen. I enkelte slike teoretiske modeller har fysikere allerede identifisert objekter som ligner svarte hull, og som kan bli ustabile og begynne å dele seg.

Ingen bekreftede observasjoner

Mulighetene tyder på at de kjente lovene for svarte hull ikke nødvendigvis fungerer på samme måte under mer eksotiske forhold. I enkelte tilfeller kan en oppsplitting til og med være termodynamisk gunstig, særlig dersom det ene av de to nye svarte hullene er mye mindre enn det andre.

At en prosess er termodynamisk tillatt eller til og med gunstig, betyr likevel ikke at den faktisk vil skje. Forskerne må fortsatt finne ut om en slik fragmentering er fysisk mulig, og hvilke konkrete forhold som eventuelt kan utløse den.

Det finnes foreløpig ingen bekreftede observasjoner av at et svart hull har delt seg. Forskerne forsøker nå å forstå hvor sannsynlige slike hendelser kan være. Svaret kan avhenge av egenskaper ved gravitasjonen som ligger utenfor beskrivelsen i Albert Einsteins teori, noe som gjør spørsmålet særlig vanskelig.

«Vi kan ennå ikke fastslå én sannsynlighet for at et svart hull vil dele seg. Det avhenger av hvordan gravitasjonen fungerer utenfor grensene til Einsteins teori, og vi arbeider med å beskrive dette kvantitativt. Vi forventer at små ur-svarte hull kan være mer utsatt for oppsplitting enn langt større astrofysiske svarte hull. Oppsplitting kan bli oppdaget indirekte: Gammastråleteleskoper, som Fermi-LAT, kan lete etter signaler fra små fragmenter av svarte hull som kan bli dannet under en sammensmelting», sier Sanino.

Slike signaler kan gi forskerne en mulig metode for å undersøke ideen. Eventuelle funn vil kunne gi informasjon om hvordan gravitasjon oppfører seg under de mest ekstreme forholdene i universet.