黑洞能否分裂成多个小黑洞

一个黑洞可以分裂成两个或更多较小的黑洞吗？一项新的理论研究表明这是可能的。不过，这种情况很可能只发生在原始黑洞自转速度非常快的情况下。艺术家概念图，来源：LIGO加州理工学院极端时空模拟合作项目。经授权使用。

黑洞有时会发生碰撞并合并。但是它们能否分裂成两个呢？丹麦南大学的一项新理论研究表示这是可能的，但只有在特定的特殊条件下才行。极度快速的旋转或许能让黑洞分裂。但即使如此，条件也必须恰好合适。

黑洞可以分裂成两个或更多吗？

我们通常将黑洞视为一个孤立的天体，或在宇宙空间中独自漂移，或潜伏于星系中心密集的区域。不过，黑洞有时也会发生碰撞，甚至相互合并，形成质量更大的黑洞。

但反过来的情况是否可能发生？一个黑洞能否分裂成两个或更多个较小的黑洞？丹麦南大学的研究人员在一项引人入胜的新理论研究中探讨了这种可能性，该研究发表于同行评审期刊《物理评论D》。他们指出，在大多数情况下，黑洞分裂是极不可能发生的。

但理论表明，在特定条件下可能发生分裂，尤其是当黑洞以极快速度旋转时。弗朗切斯科萨尼诺是该研究的合作者之一，现任意大利那不勒斯腓特烈二世大学物理学教授以及南丹麦大学量子场论中心教授。他解释道：

在我们的研究中，我们探讨通常哪些物理定律会阻止黑洞分裂成两个。我们还研究某些特定条件下是否可能发生分裂。

南丹麦大学：计算表明，自转速度接近极限的黑洞可能发生分裂

熵增

到目前为止，尚无证据表明黑洞在自然界中会发生分裂。天文学家尚未发现任何似乎已经分裂的黑洞。但宇宙浩瀚而多样，为何黑洞不能分裂呢？

答案与熵有关。对物理学家而言，熵是物理系统的一个属性，与产生相同整体状态的微观排列数量相关。

熵帮助物理学家理解哪些变化能够自发进行，哪些在能量或热力学上是不利的。

思考一颗质量接近史瓦西半径的致密黑洞作为一个具有熵的孤立系统。若黑洞不转动，将其分裂为两个更小的黑洞，系统总熵将降低。但热力学第二定律规定，孤立系统的总熵不会自发减小。

黑洞分裂成两片将违背基本的物理定律。

黑洞分裂为两个的示意图，其形状类似一条裤子，这种拓扑结构被称为裤子形拓扑。图片来自弗朗切斯科桑尼诺尤里卡警报。

快速旋转的黑洞

但是旋转可能会改变图像。快速旋转的黑洞带有与旋转相关的能量，这会影响其分裂的条件。在适当的理论条件下，一个黑洞可能分裂成两个或更多的较小黑洞。

科学家将这种形状变化描述为裤子拓扑。想象一条裤子的形状：顶部一个开口向下分叉为两条裤腿。在此类比中，原先的一个黑洞分裂为两个独立的黑洞。

但这里有个关键条件：这两个新形成的黑洞必须能够彼此远离，而不是重新坍缩到一起。正如桑尼诺所解释的那样：

当我们加入这一条件时，可行窗口将再度大幅收窄，仅可能在接近理论极限转速的旋转黑洞情形下仍存在例外。

奇异假说

还有更奇特的可能性，这些目前仍purely理论性，至少现阶段如此。

一些理论提出，我们的宇宙可能存在超出我们日常体验的三个空间维度（上下、前后、左右）之外的额外空间维度。如果这些额外维度确实存在，黑洞的行为可能会表现出某些意想不到的特征。在高维模型中，部分黑洞可能变得不稳定，并开始发生分裂。

在这些模型中，研究人员发现，分裂过程可能变得更为容易发生。系统总熵可能增加而非减少，从而使分裂在热力学上更具可行性。然而，仍存在诸多未知因素。桑尼诺表示：

我们目前尚无法给出单个黑洞分裂的具体概率。这一概率取决于引力行为超出爱因斯坦理论的范围，目前正致力于对此进行量化研究。预期的原初微型黑洞（原初，假设在宇宙大爆炸后第一秒的极短时间内形成的小型黑洞）比大体量恒星质量黑洞更易发生分裂。 我们可能间接探测到分裂：伽马射线望远镜（如费米伽马射线天文台）可搜寻因并合形成的微小黑洞碎片可能产生的信号。

目前尚无法给出黑洞分裂的单一概率值。这一概率取决于引力在爱因斯坦广义相对论之外的行为特性，相关研究仍在推进中，旨在对此进行量化描述。理论上，原初黑洞（即假想中在宇宙极早期形成的微小黑洞）比大质量天体物理黑洞更易发生分裂。

我们可以通过间接方式探测到裂变现象：诸如费米伽马射线望远镜等设备能够搜寻由黑洞碎片在合并过程中产生的信号。

南丹麦大学的弗朗切斯科桑尼诺是关于黑洞可能分裂的新理论研究的共同作者。图片来自南丹麦大学。

黑洞也可能拥有行星

近日，天体物理学家毕普恩德拉米什拉与弗拉基米尔利拉在一次SETI直播活动中探讨了黑洞可能拥有自身行星的可能性。

模拟研究表明，黑洞周围确实可能存在行星，且每颗黑洞周围的行星数量可达数百万颗，体积甚至可能超过木星。

简而言之：黑洞有时会发生碰撞并合并。那么，一个黑洞能否分裂成两个或更多个？一项新的理论研究探讨了可能允许此类现象发生的条件，包括极高的自转速率，以及涉及额外维度等更奇特的可能性。

当黑洞允许裤状拓扑时

南丹麦大学

BY: Paul Scott Anderson

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参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自： https://earthsky.org/space/black-holes-split-entropy-pair-of-pants-topology/

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