近期发表在《Physical Review D》期刊上的一项题为《When Black Holes Admit Pair-of-pants Topologies》的研究，深入探讨了维持黑洞完整性的物理定律，以及在特定极端情况下黑洞是否可能发生破裂与分裂。
来自意大利那不勒斯费德里科二世大学及丹麦南丹麦大学量子场论中心的物理学教授、该研究的共同作者弗朗切斯科·萨尼诺（Francesco Sannino）表示：“在我们的研究中，我们调查了通常阻止黑洞分裂为两个的物理定律，并探讨了某些特定环境是否允许分裂发生。”
该研究团队还包括法国国家科学研究中心（CNRS）巴黎理论与高能物理实验室的研究员贾科莫·卡恰帕利亚（Giacomo Cacciapaglia），以及同属南丹麦大学量子场论中心的曼uel·德尔·皮亚诺（Manuel Del Piano）和瓦尼亚·维卢奇（Vania Vellucci）。
为什么黑洞通常无法分裂？
阻碍黑洞分裂的最大障碍之一来自热力学——这门控制能量表现及物理系统演化的物理学分支。
其中的一个核心概念是熵，它描述了系统在外观保持不变的情况下，可以拥有多少种不同的微观排列方式。黑洞同样具有熵，这一属性对其可能发生的变化施加了重要的限制。
对于一个不旋转的黑洞而言，分裂成两个较小的黑洞会导致总熵减少。这种熵的减少使得该过程在热力学上是不利的，这也有助于解释为什么黑洞通常不会自行破裂。
然而，研究人员发现，当黑洞以异常高的速度自转时，这一情况可能会发生戏剧性的变化。
极端自转或允许黑洞分裂
研究团队的计算表明，快速自转可能会在通常阻止黑洞分裂的物理规则中撕开一道狭窄的缝隙。从原则上讲，一个自转速度足够快的黑洞可以克服常规的热力学限制。
但这里还存在另一个重大障碍。即便黑洞能够分裂，由此产生的两个物体也必须移动到足够远的距离，以避免立即重新合并。
“但这两个新生成的黑洞还必须能够互相远离，而不是马上重新坠落并合并在一起。当我们把这个要求考虑在内时，这个‘窗口’在很大程度上又关闭了，除非是那些自转速度接近其可能最大极限的黑洞，”萨尼诺指出。
这项研究具有不同寻常的标题，指的是如果发生此类分裂，黑洞边界在时空中所勾勒出的形状。这一边界被称为视界（horizon），它最初是一个单一结构，随后分离为两个截然不同的分支。
从时间维度来看，最终产生的形状酷似一条裤子，其上方的一个区段分叉成了两条“腿”。这就是“裤腿拓扑”（pair-of-pants topologies）这一术语背后的核心概念。
额外维度提供了另一种可能性
研究人员还探讨了更不寻常的情景，涉及空间除了人们在日常生活中体验到的三个维度之外，还存在额外维度的理论模型。
物理学家已经在某些理论模型中识别出了类似黑洞的物体，它们会变得不稳定并开始破裂。这些可能性表明，在更奇特的条件下，支配黑洞的熟悉规则可能不再以同样的方式适用。
在某些情况下，分裂甚至可能在热力学上变得有利，特别是当两个新生成的黑洞中有一个远小于另一个时。
然而，一个过程被热力学允许或支持，并不意味着它必然会发生。研究人员仍需确定这种碎裂是否能够在物理上发生，以及究竟是什么样的条件才能使其成为现实。
天文学家能否探测到黑洞分裂？
科学家们目前正致力于更好地理解这些事件发生的可能性。答案可能取决于超越爱因斯坦理论的引力侧面，这使得该问题极具挑战性。
“我们目前还无法给出黑洞分裂的具体概率。这取决于引力在爱因斯坦理论之外的行为方式，我们正在努力将其量化。我们预计微小的原初黑洞比庞大的天体物理黑洞更容易发生分裂。我们或许可以通过间接方式探测到分裂现象：例如费米伽马射线空间望远镜（Fermi-LAT）等伽马射线望远镜，可以搜寻在黑洞合并过程中可能形成的微小黑洞碎片所发出的信号，”萨尼诺说道。
尽管目前尚未有黑洞分裂的确切观测证据，但探测微小碎片信号的可能性为研究这一设想提供了一条潜在途径。此类证据可能为探索宇宙中最极端条件下的引力行为提供宝贵的线索。