Что, если судьбу черных дыр после столкновения определяет простой закон природы? Новая работа предлагает простое решение неразрешимой задачи.
Столкновения двух черных дыр относятся к самым мощным и экстремальным событиям во Вселенной. Во время сближения они искривляют пространство-время и испускают гравитационные волны, которые можно зарегистрировать на Земле даже спустя миллиарды лет. По этим сигналам ученые определяют массу и скорость вращения новой, образовавшейся после слияния черной дыры. До сих пор для таких расчетов требовались чрезвычайно сложные уравнения общей теории относительности Эйнштейна и вычислительные ресурсы суперкомпьютеров. Статья под заголовком Maximum Entropy Conjecture for Black Hole Mergers опубликована в научном сборнике Physical Review Letters.
Однако исследователи из Университета штата Пенсильвания предложили гораздо более простой подход. Они показали, что конечное состояние образовавшейся черной дыры можно предсказать, используя фундаментальный принцип термодинамики: любая система по умолчанию стремится к состоянию с максимальной энтропией. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Авторы работы проанализировали, как меняются масса системы и ее угловой момент по мере того, как гравитационные волны уносят энергию. Оказалось, что если корректно учитывать эти потери, то максимум энтропии возникает практически в той же точке, где численные модели общей теории относительности предсказывают параметры конечной черной дыры. Различие составляет всего несколько процентов.
После слияния новая черная дыра некоторое время «звенит», подобно колоколу после удара, продолжая испускать гравитационные волны. Затем она переходит в устойчивое состояние, которое полностью описывается всего двумя величинами — массой и скоростью вращения. Почти вся информация о подробностях столкновения оказывается утраченной. Именно это свойство, по мнению исследователей, естественным образом объясняется стремлением системы к максимуму энтропии.
Новая гипотеза не отменяет вычислений на основе общей теории относительности, но может указать на более глубокий физический принцип, лежащий в основе самых экстремальных гравитационных процессов во Вселенной. Авторы считают, что аналогичный механизм способен действовать и в других сценариях взаимодействия черных дыр.
Связь между черными дырами и термодинамикой открыли еще в 1970-х годах благодаря работам Джекоба Бекенштейна и Стивена Хокинга, которые показали, что площадь горизонта событий связана с энтропией, а сами черные дыры обладают температурой.
В 2025 году наблюдения гравитационных волн впервые подтвердили теорему Хокинга о росте площади горизонта событий при слиянии черных дыр, что стало одним из важнейших экспериментальных подтверждений принципов термодинамики черных дыр.
Современные детекторы гравитационных волн уже зарегистрировали около двух сотен подобных событий, и каждое из них позволяет проверять фундаментальные законы физики в условиях, недостижимых ни в одной земной лаборатории.
