Слияния чёрных дыр — одни из самых энергичных событий во Вселенной, сопровождающиеся выбросом гравитационных волн, которые регистрируются на Земле. Эти сигналы позволяют оценить свойства образовавшейся чёрной дыры — её массу и угловой момент. Однако точное определение этих параметров обычно требует решения уравнений общей теории относительности на суперкомпьютерах.

Изображение: ChatGPT

Новая работа, опубликованная в Physical Review Letters, предлагает альтернативный подход. Авторы использовали аналогию между чёрными дырами и термодинамическими системами. Это идея, восходящая к работам Стивена Хокинга, показавшего, что чёрные дыры могут излучать энергию и обладать энтропией. Учёные предположили, что после слияния система стремится к состоянию с максимальной энтропией, что и определяет параметры конечного объекта.

Для проверки они сопоставили эволюцию массы и углового момента двух сливающихся чёрных дыр с последовательностью возможных вращающихся остатков. Точка, где энтропия этой последовательности достигает максимума, оказалась удивительно близкой к значениям, предсказанным численным моделированием общей теории относительности.

Как поясняют авторы, принцип максимизации энтропии хорошо известен в обычной физике. Например, он описывает, как два газа разной температуры при смешивании приходят к единой равновесной температуре без необходимости отслеживать движение каждой молекулы. Предложенная работа распространяет ту же логику на гравитационные системы.

Согласно гипотезе, конечная чёрная дыра не «запоминает» детали столкновения — она сохраняет только две характеристики, массу и спин, и именно это состояние оказывается самым вероятным с точки зрения термодинамики. Исследователи полагают, что работа открывает новый взгляд на связь между гравитацией, физикой чёрных дыр и термодинамикой. При этом ставится вопрос о том, является ли энтропия фундаментальным организующим принципом для гравитационных взаимодействий в целом.