شکافت سیاه‌چاله تنها با چرخش نزدیک به سرعت حدی ممکن است

مقدمه: رویدادی که تنها در یک جهت دیده می‌شد

سال‌هاست اخترفیزیک‌دانان می‌دانند که وقتی دو سیاه‌چاله با یکدیگر برخورد می‌کنند، در هم ادغام می‌شوند و سیاه‌چاله‌ای سنگین‌تر به وجود می‌آورند. این برخوردها چنان پرانرژی‌اند که بافت فضازمان (spacetime) را به لرزه می‌اندازند و موج‌هایی به نام امواج گرانشی (gravitational waves) منتشر می‌کنند. رصدخانه‌هایی مانند LIGO و Virgo در سال‌های اخیر ده‌ها نمونه از این ادغام‌ها را ثبت کرده‌اند. اما آیا جهت مخالف این فرایند نیز ممکن است؟ آیا یک سیاه‌چاله منفرد می‌تواند به دو سیاه‌چاله تقسیم شود؟

پژوهش تازه‌ای که در ۲۲ اکتبر در مجله Physical Review D منتشر شده، به این پرسش پاسخ می‌دهد. نتیجه این است که شکافت سیاه‌چاله به‌طور کلی ناممکن نیست، اما تنها در شرایطی بسیار ویژه و باریک امکان‌پذیر است.

چرا فیزیک معمولاً با شکافت مخالف است

مانع اصلی، قانون دوم ترمودینامیک است. سیاه‌چاله‌ها ویژگی‌ای دارند به نام آنتروپی (entropy) که معیاری از بی‌نظمی در یک سامانه است. بر پایه قانون دوم، آنتروپی یک سامانه منزوی هرگز به‌خودی‌خود کاهش نمی‌یابد؛ برای کاهش آن باید از بیرون انرژی به سامانه افزود.

برای درک این مفهوم می‌توان به جعبه‌مدادرنگی یک کودک اندیشید. وقتی آنتروپی پایین است، مدادرنگی‌ها بر پایه رنگ مرتب چیده شده‌اند. با افزایش آنتروپی، مدادها پراکنده می‌شوند و نظم خود را از دست می‌دهند. برای مرتب کردن دوباره آن‌ها، یک بزرگ‌تر باید انرژی صرف کند و آن‌ها را به ترتیب بچیند. هیچ جعبه‌مدادی به‌خودی‌خود و بدون دخالت بیرونی مرتب نمی‌شود.

اکنون این تمثیل را به سیاه‌چاله تعمیم دهید. سطح افق رویداد (event horizon) یک سیاه‌چاله، یعنی مرزی که هیچ چیز نمی‌تواند از آن بگریزد، حامل مقدار عظیمی آنتروپی است. آنتروپی سیاه‌چاله با مساحت افق رویداد متناسب است. وقتی یک سیاه‌چاله به دو سیاه‌چاله تقسیم می‌شود، مجموع مساحت دو افق جدید از مساحت افق اولیه کمتر است. پس آنتروپی کل کاهش می‌یابد و این با قانون دوم ترمودینامیک ناسازگار به نظر می‌رسد.

چرخش سریع: روزنه‌ای در قانون

اما این استدلال یک فرض پنهان دارد: آن که سیاه‌چاله ساکن است. برای سیاه‌چاله‌ای که به‌سرعت می‌چرخد، وضعیت می‌تواند متفاوت باشد. سیاه‌چاله‌های چرخان با متریک کر (Kerr metric) توصیف می‌شوند و دارای دو افق رویداد درونی و بیرونی هستند. در چنین هندسه‌ای، محاسبات نشان می‌دهد می‌توان روزنه‌ای یافت که در آن محدودیت ترمودینامیکی موقتاً دور زده شود.

فرانچسکو سانینو از دانشگاه ناپل فدریکو دوم در ایتالیا، یکی از اعضای این تیم پژوهشی، توضیح می‌دهد که شرط دومی نیز وجود دارد: دو سیاه‌چاله حاصل باید بتوانند از یکدیگر جدا شوند و بلافاصله روی هم نیفتند و دوباره ادغام نشوند. وقتی این شرط را نیز به محاسبات می‌افزاییم، پنجره امکان به‌شدت باریک می‌شود و تنها برای سیاه‌چاله‌هایی باز می‌ماند که با سرعتی نزدیک به حد بیشینه ممکن می‌چرخند.

به بیان دیگر، شکافت سیاه‌چاله یک رخداد عمومی نیست؛ پدیده‌ای است که تنها در آستانه یک حد بنیادین فیزیکی رخ می‌دهد.

هندسه شلوارگونه افق رویداد

نکته جالب توجه در این پژوهش، شکل هندسی فرایند است. پژوهشگران محاسبه کردند که تقسیم افق رویداد یک سیاه‌چاله چرخان چگونه رخ می‌دهد و دریافتند که این فرایند شکلی شبیه شلوار به خود می‌گیرد: افق اولیه به دو «پاچه» تقسیم می‌شود و هر سیاه‌چاله در یکی از آن‌ها جای می‌گیرد. این ساختار را توپولوژی «جفت‌شلوار» (pair-of-pants topology) نامیده‌اند.

این توصیف صرفاً یک بازی تخیلی نیست. توپولوژی شاخه‌ای از ریاضیات است که به ویژگی‌هایی می‌پردازد که با کشیدن و خم کردن تغییر نمی‌کنند، اما با بریدن و چسباندن دگرگون می‌شوند. تبدیل یک سطح بسته به دو سطح جدا، در زبان توپولوژی یک تغییر بنیادین است و همان چیزی است که در این مدل برای افق رویداد سیاه‌چاله رخ می‌دهد.

پژوهشگران همچنین دریافتند که اگر یکی از دو سیاه‌چاله حاصل بسیار کوچک‌تر از دیگری باشد، احتمال وقوع شکافت افزایش می‌یابد. این نامتقارنی جالب است، زیرا نشان می‌دهد طبیعت در چنین فرایندی به تقسیم‌های برابر گرایش ندارد.

سیاه‌چاله‌های اولیه: نامزدهای اصلی

سانینو تأکید می‌کند که در حال حاضر نمی‌توان یک احتمال عددی واحد برای شکافت سیاه‌چاله ارائه کرد، زیرا نتیجه به رفتار گرانش در انرژی‌های بسیار بالا و فراتر از نظریه نسبیت عام اینشتین بستگی دارد. با این حال، یک گرایش کلی وجود دارد: سیاه‌چاله‌های اولیه (primordial black holes) که جرمی کوچک دارند، بسیار بیشتر از سیاه‌چاله‌های بزرگ اخترفیزیکی مستعد شکافت هستند.

سیاه‌چاله‌های اولیه فرضیه‌ای‌اند و گمان می‌رود در لحظات نخستین پس از مه‌بانگ، هنگامی که نوسان‌های چگالی ماده بسیار شدید بود، شکل گرفته باشند. اگر چنین اجرامی وجود داشته باشند، می‌توانند جرم‌هایی از مرتبه سیارک تا ستاره داشته باشند و به دلیل اندازه کوچک‌شان، اثرهای گرانش کوانتومی در آن‌ها مهم‌تر می‌شود.

چگونه می‌توان چنین رویدادی را دید؟

شکافت سیاه‌چاله به‌طور مستقیم قابل مشاهده نیست، زیرا سیاه‌چاله نور منتشر نمی‌کند. اما راهی غیرمستقیم وجود دارد. سانینو اشاره می‌کند که تلسکوپ‌های پرتو گاما (gamma-ray)، مانند تلسکوپ فضایی فرمی-LAT ناسا، می‌توانند نشانه‌هایی از قطعه‌های کوچک سیاه‌چاله را جست‌وجو کنند. این قطعه‌ها ممکن است در جریان ادغام‌ها پدید آیند و با تابش پرانرژی گاما، اثر خود را بر جای بگذارند.

پرتو گاما کوتاه‌ترین طول موج در طیف الکترومغناطیسی است و انرژی فوتون‌های آن هزاران تا میلیون‌ها برابر نور مرئی است. چنین تابشی تنها در فرایندهای بسیار پرانرژی، مانند فروپاشی ذره‌ها یا تبخیر سیاه‌چاله‌های کوچک، تولید می‌شود. بنابراین اگر سیاه‌چاله‌های کوچک شکافته شوند، ممکن است ردپایی از خود در داده‌های پرتو گاما بگذارند.

چرا این پژوهش اهمیت دارد؟

نخست آن که این کار به یکی از پرسش‌های بنیادین درباره سیاه‌چاله‌ها می‌پردازد: آیا این اجرام تنها مصرف‌کننده‌اند یا می‌توانند زاینده نیز باشند؟ دوم آن که این پژوهش آزمونی برای نظریه‌های گرانش کوانتومی است. چون نتیجه به رفتار گرانش در مقیاس‌های بسیار کوچک بستگی دارد، سنجش آن می‌تواند به داوری میان مدل‌های رقیب کمک کند. سوم آن که اگر سیاه‌چاله‌های اولیه واقعاً شکافت‌پذیر باشند، شاید در توزیع جرم آن‌ها الگویی پدید آید که اخترشناسان بتوانند آن را در داده‌های آینده تشخیص دهند.

جمع‌بندی

شکافت سیاه‌چاله پدیده‌ای نادر و به‌شدت شرط‌دار است. تنها سیاه‌چاله‌هایی که با سرعتی نزدیک به حد بیشینه ممکن می‌چرخند، ممکن است بتوانند از محدودیت قانون دوم ترمودینامیک بگذرند و به دو سیاه‌چاله جدا از هم تبدیل شوند. هندسه این فرایند شبیه شلوار است و احتمال آن برای سیاه‌چاله‌های اولیه کوچک بیشتر است. این یافته‌ها هنوز در حد نظریه‌اند، اما مسیری روشن برای آزمون تجربی در اختیار اخترفیزیک‌دانان می‌گذارند: نگاه کردن به آسمان با چشم‌های پرتو گاما و جست‌وجوی نشانه‌های قطعه‌های کوچکی که شاید روزی بخشی از یک سیاه‌چاله بزرگ بوده‌اند.