Физики предложили новый способ описывать энтропию черных дыр

В 1970-х годах Стивен Хокинг и другие физики показали, что черные дыры можно описывать не только уравнениями общей теории относительности, но и обычными законами термодинамики. Оказалось, что у черной дыры есть аналог температуры: по квантовой теории она должна испускать очень слабое излучение. Ее энтропия показывает, сколькими способами черная дыра может быть устроена внутри при одних и тех же наблюдаемых параметрах — массе, заряде и вращении. В расчетах эта величина выражается через площадь горизонта событий: чем больше площадь, тем выше энтропия. Горизонт событий — это граница, из-за которой не может выйти даже свет.

Но у описания энтропии через площадь горизонта событий есть ограничение. Законы механики черных дыр хорошо работают для равновесных объектов — тех, чьи параметры не меняются со временем. Но реальные черные дыры формируются, поглощают вещество, растут, сливаются друг с другом и, согласно квантовой теории, постепенно испаряются.

Поэтому горизонт событий не всегда удобен для расчета энтропии. Его положение определяется не только текущим состоянием черной дыры, но и ее будущей эволюцией. Чтобы точно провести границу горизонта событий, нужно знать, что произойдет с объектом дальше. Если черная дыра растет или меняется, расчет через горизонт событий хуже описывает ее состояние в данный момент.

Авторы новой работы предложили заменить горизонт событий в расчетах на динамический горизонт. Он описывает черную дыру в конкретный момент времени. Поэтому его проще сопоставить с текущими физическими свойствами объекта: энергией, вращением и изменением формы.

По словам руководителя группы Абхая Аштекаря, такой подход позволяет распространить первый и второй законы термодинамики на черные дыры, которые не находятся в равновесии. Второй закон в обычной термодинамике говорит, что энтропия замкнутой системы не убывает. В новой работе исследователи показывают, как похожее правило можно сформулировать для динамических черных дыр.

Подход может пригодиться при описании процессов, где черная дыра быстро меняется. К таким случаям относятся слияния черных дыр, которые наблюдают по гравитационным волнам детекторы LIGO, Virgo и KAGRA, а также квантовое испарение черных дыр.

Ранее астрономы обнаружили древнюю черную дыру массой в 6 млрд Солнц.

Иллюстрация Jonathan Shu and Daniel Paraizo / Penn State