Teoria găurii negre a lui Hawking este confirmată de observația pentru prima dată

Studiul oferă dovezi, bazate pe unde gravitaționale, pentru a arăta că aria totală a orizontului evenimentelor unei găuri negre nu poate scădea niciodată.

Există câteva reguli pe care trebuie să le respecte chiar și cele mai extreme lucruri din univers. Legea centrală a găurilor negre prezice că regiunea lor de orizont de evenimente – granița de unde nimic nu poate scăpa – nu ar trebui să se micșoreze niciodată. Această lege este teoria zonei Hawking, numită după fizicianul Stephen Hawking, care a derivat această teorie în 1971.

Cincizeci de ani mai târziu, fizicienii de la MIT și din alte părți au confirmat teoria zonei Hawking pentru prima dată, folosind observații ale undelor gravitaționale. Rezultatele lor apar astăzi (1 iulie 2021) în mesaje de recenzie fizică.

În acest studiu, cercetătorii au analizat mai îndeaproape GW150914, primul semnal de undă gravitațională detectat de Observatorul de unde gravitaționale cu interferon laser (LIGO), în 2015. Semnalul a fost produsul a două găuri negre inspirate care au dat naștere unei noi găuri negre. . , împreună cu o cantitate uriașă de energie care s-a propagat prin spațiu-timp sub formă de unde gravitaționale.

Dacă teoria regiunii Hawking este corectă, atunci zona orizontului noii găuri negre nu trebuie să fie mai mică decât aria orizontului totală a găurilor negre originale. În noul studiu, fizicienii au reanalizat semnalul de la GW150914 înainte și după coliziunea cosmică și au constatat că aria totală a orizontului de evenimente nu a scăzut după fuziune – rezultat pe care îl raportează cu încredere de 95%.

Fizicienii de la MIT și din alte părți au folosit undele gravitaționale pentru a confirma teoria regiunii găurilor negre a lui Hawking prin observație pentru prima dată. Această simulare pe computer arată coliziunea a două găuri negre care au produs semnalul unde gravitaționale GW150914. Credit: Extreme Space Simulation Project (SXS). Credit: prin amabilitatea LIGO

Descoperirile lor reprezintă prima confirmare observațională directă a teoriei zonei lui Hawking, care a fost dovedită matematic, dar nu a fost încă observată în natură. Echipa intenționează să testeze viitoarele semnale ale undelor gravitaționale pentru a vedea dacă vor confirma în continuare teoria lui Hawking sau vor fi un semn al unei noi fizici de răsucire a legii.

„Este posibil să existe o grădină zoologică cu diferite obiecte compacte și, deși unele sunt găuri negre care respectă legile Einstein și Hawking, altele ar putea fi”, spune autorul principal Maximiliano Essie, un coleg postdoctoral al NASA la MIT, Maximiliano Essie. Diferite fiare, „Institutul Kavli pentru Astrofizică și Cercetare Spațială. „Deci, nu este ca și cum ai fi făcut acest test o dată și s-a terminat. Faceți asta o dată și acesta este începutul.”

Co-autorii lui Izzy în lucrare sunt Will Farr de la Stony Brook University și Flatiron Center for Computational Astrophysics, Matthew Geisler de la Cornell University, Mark Schell de la Caltech și Saul Tukolsky de la Cornell University și Caltech.

era viziunilor

În 1971, Stephen Hawking a propus teoria zonei, care a lansat o serie de idei fundamentale despre mecanica găurilor negre. Teoria prezice că aria totală a orizontului de evenimente al unei găuri negre – și toate găurile negre din univers, pentru această chestiune – nu ar trebui să scadă niciodată. Afirmația a fost o paralelă ciudată cu cea de-a doua lege a termodinamicii, care afirmă că entropia sau gradul de tulburare dintr-un obiect nu ar trebui să scadă niciodată.

Similitudinea dintre cele două teorii sugerează că găurile negre se pot comporta ca obiecte termice care emit căldură – o propunere confuză, deoarece se credea că găurile negre prin natura lor nu permit niciodată evacuarea sau radiația. În cele din urmă, Hawking a pătrat cele două idei în 1974, arătând că găurile negre pot avea entropie și pot emite radiații pe perioade foarte lungi de timp dacă sunt luate în considerare efectele cuantice. Acest fenomen a fost supranumit „radiația Hawking” și rămâne una dintre cele mai fundamentale descoperiri despre găurile negre.

„Totul a început cu realizarea lui Hawking că aria orizontului total al găurilor negre nu ar putea scădea niciodată”, spune Issy. „Codul districtual exemplifică o epocă de aur din anii 1970 în care au fost produse toate aceste idei”.

Hawking și alții au arătat de atunci că teoria zonei funcționează matematic, dar nu a existat nicio modalitate de a o compara cu natura până la prima detectare a undelor gravitaționale de către LIGO.

La aflarea rezultatului, Hawking l-a contactat rapid pe cofondatorul LIGO, Kip Thorne, profesorul Feynman de fizică teoretică la Caltech. Întrebarea sa: Descoperirea poate confirma teoria zonei?

În acel moment, cercetătorii nu aveau capacitatea de a alege informațiile necesare în cadrul semnalului, înainte și după fuzionare, pentru a determina dacă regiunea orizontului final nu scăzuse, așa cum postulează teoria lui Hawking. Abia câțiva ani mai târziu, dezvoltarea unei tehnici de către Isi și colegii săi, când a testat legea regiunii, a devenit posibilă.

inainte si dupa

În 2019, Isi și colegii săi au dezvoltat o tehnică de extragere a ecoulului imediat după vârful GW150914 – momentul în care cele două găuri negre originale s-au ciocnit pentru a forma o nouă gaură neagră. Echipa a folosit această tehnică pentru a alege frecvențe specifice sau tonuri pentru efecte puternice, pe care le poate folosi pentru a calcula masa și rotația finală a găurii negre.

Masa și rotația unei găuri negre sunt direct legate de regiunea orizontului său de evenimente, iar Thorne s-a apropiat de ele, amintind de întrebarea lui Hawking, cu o urmărire: ar putea să folosească aceeași tehnică pentru a compara semnalul înainte și după fuziune, subliniind teoria regiunii? ?

Cercetătorii au acceptat provocarea și au împărțit din nou semnalul GW150914 la vârf. Au dezvoltat un model pentru a analiza semnalul dinaintea vârfului, care corespunde găurilor negre inspiratoare și pentru a determina masa și rotația ambelor găuri negre înainte de fuzionare. Din aceste estimări, au calculat suprafețele orizontului total – o estimare aproximativ egală cu aproximativ 235.000 de kilometri pătrați, sau de aproximativ nouă ori suprafața Massachusettsului.

Apoi au folosit metoda lor anterioară pentru a extrage „inelul” sau săriturile găurii negre nou formate, pe care i-au calculat masa, rotația și, în cele din urmă, zona orizontului său, pe care au găsit-o ca fiind de 367.000 de kilometri pătrați (aproximativ 13 ori de suprafața statului Bay).

„Datele arată cu o încredere copleșitoare că zona orizontului a crescut după fuziune și că legea zonei este satisfăcută cu o probabilitate foarte mare”, spune Issy. „A fost o ușurare faptul că rezultatul nostru a fost de acord cu modelul pe care îl așteptăm și ne confirmă înțelegerea cu privire la aceste fuziuni complexe de gauri negre”.

Echipa intenționează să efectueze teste suplimentare ale teoriei regiunii Hawking și a altor teorii de lungă durată despre mecanica găurilor negre, folosind date de la LIGO și Virgo, omologul său din Italia.

„Este încurajator faptul că putem gândi în moduri noi și inovatoare despre datele undelor gravitaționale și să venim cu întrebări pe care credeam că nu le-am putea înainte”, spune Issy. „Putem continua să extragem bucăți de informații care vorbesc direct cu substraturile a ceea ce credem că înțelegem. Într-o zi, aceste date ar putea dezvălui ceva la care nu ne așteptam”.

Referință: „Testul legii regiunii găurilor negre folosind GW150914” De Maximiliano Essi, Will M. Farr, Matthew Geisler, Mark A. Shell și Saul A. Tukolsky, 1 iul. 2021 Disponibil aici mesaje de recenzie fizică.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.011103

Această cercetare a fost susținută parțial de NASA, Fundația Simmons și Fundația Națională pentru Științe.