Hawkingova veta o čiernej diere potvrdzuje pozorovanie prvýkrát

Štúdia poskytuje dôkazy založené na gravitačných vlnách, ktoré ukazujú, že celková plocha horizontu udalostí čiernej diery nemôže byť nikdy menšia.

Existujú určité pravidlá, ktoré musia dodržiavať aj tie najextrémnejšie objekty vo vesmíre. Ústredný zákon pre čierne diery predpovedá, že oblasť ich horizontu udalostí – hranica, za ktorú nemôže nič uniknúť – by sa nikdy nemala zmenšiť. Tento zákon je Hawkingova poľná veta, pomenovaná po fyzikovi Stephenovi Hawkingovi, ktorý vetu odvodil v roku 1971.

O päťdesiat rokov neskôr fyzici na MIT a inde potvrdili Hawkingovu poľnú vetu po prvýkrát pomocou pozorovania gravitačných vĺn. Ich výsledky sa objavia dnes (1. júla 2021) v roku dokument o fyzickej kontrole.

V štúdii sa vedci podrobnejšie pozreli na GW150914, prvý signál gravitačnej vlny objavený laserovým interferometrom Gravitačné vlnové observatórium (LIGO) v roku 2015. Signál bol produktom dvoch indukčných čiernych dier, ktoré vyprodukovali novú čiernu dieru. , ako aj obrovské množstvo energie, ktorá sa vlní v časopriestore ako gravitačné vlny.

Ak je Hawkingova poľná veta platná, potom oblasť horizontu novej čiernej diery nesmie byť menšia ako celková oblasť horizontu jej rodičovskej čiernej diery. V novej štúdii fyzici opätovne analyzovali signál z GW150914 pred a po kozmickej zrážke a zistili, že celková plocha horizontu udalostí sa po zlúčení v skutočnosti neznížila – výsledok uvádzajú s 95-percentnou spoľahlivosťou.

Fyzici na MIT a inde použili gravitačné vlny na potvrdenie Hawkingovej vety o čiernej diere po prvý raz. Táto počítačová simulácia ukazuje zrážku dvoch čiernych dier, ktoré generujú signál gravitačnej vlny, GW150914. zápočet: Simulácia projektu Extreme Spacetimes (SXS). úver: s láskavým dovolením LIGO

Ich objavy znamenajú prvé priame pozorovacie potvrdenie Hawkingovej poľnej vety, ktorá bola dokázaná matematicky, ale doteraz nebola v prírode pozorovaná. Tím plánuje otestovať budúce signály gravitačných vĺn, aby zistili, či môžu potvrdiť Hawkingovu vetu alebo byť znakom novej fyziky ohýbajúcej zákony.

„Je možné, že tu môže byť zoologická záhrada s rôznymi kompaktnými objektmi a niektoré z nich sú čierne diery, ktoré sa podriaďujú Einsteinovým a Hawkingovým zákonom, iné môžu byť trochu inými zvieratami,“ hovorí hlavný autor Maximiliano Isi, NASA z MIT. Einstein Postdoctoral Fellow na Kavliho inštitúte pre astrofyziku a vesmírny výskum. „Takže to nie je tak, že by si to raz otestoval a už to skončilo. Urobíš to raz, a to je začiatok.“

Spoluautormi ISI sú Will Farr z Stony Brook University a Flatiron Institute’s Center for Computational Astrophysics, Matthew Geisler z Cornell University, Mark Scheel z Caltechu a Saul Tukolsky z Cornell University a Caltech.

vek pochopenia

V roku 1971 Stephen Hawking navrhol poľnú vetu, ktorá poskytla sériu základných poznatkov o mechanike čiernych dier. Veta predpovedá, že celková plocha horizontu udalostí čiernej diery – a teda ani všetky čierne diery vo vesmíre – by sa nikdy nemali zmenšovať. Toto tvrdenie bolo kurióznou paralelou s druhým zákonom termodynamiky, ktorý hovorí, že entropia alebo dokonca stupeň poruchy v objekte nesmie nikdy klesnúť.

Podobnosť medzi týmito dvoma teóriami naznačuje, že čierne diery sa môžu správať ako tepelné objekty vyžarujúce teplo – mätúci problém, pretože čierne diery svojou podstatou nikdy neumožňovali únik alebo vyžarovanie energie. Hawking nakoniec ukončil tieto dve myšlienky v roku 1974 a ukázal, že čierne diery môžu mať entropiu a emitovať žiarenie veľmi dlho, ak sa zohľadnia ich kvantové efekty. Tento jav sa nazýval „Hawkingovo žiarenie“ a je jedným z najzásadnejších odhalení o čiernych dierach.

„Všetko to začalo uvedomením si Hawkinga, že celková plocha horizontu v čiernej diere nikdy nemohla ísť dole,“ hovorí Isi. „Regionálne právo obsahuje zlatý vek v 70. rokoch, keď sa všetky tieto poznatky pripravovali.“

Hawking a ďalší odvtedy preukázali, že poľná veta funguje matematicky, ale až do prvej detekcie gravitačných vĺn metódou LIGO neexistoval spôsob, ako ju otestovať proti prírode.

Po vypočutí výsledku Hawking okamžite kontaktoval spoluzakladateľa spoločnosti LIGO Kip Thorne, Feynmanovho profesora teoretickej fyziky na Caltechu. Jeho otázka: Môže detekcia potvrdiť poľnú vetu?

V tom čase nemali vedci schopnosť prijať potrebné informácie v rámci signálu pred a po fúzii, aby zistili, či sa plocha konečného horizontu neznížila, ako by predpokladala Hawkingova veta. Testovanie terénneho práva bolo možné až po mnohých rokoch a pri vývoji techniky zo strany ISI a ich partnerov.

Pred a po

V roku 2019 vyvinuli Isi a jeho kolegovia techniku ​​na zachytenie rezonancie bezprostredne po vrchole GW150914 – v okamihu, keď sa dve pôvodné čierne diery zrazili a vytvorili novú čiernu dieru. Tím použil techniku ​​na výber konkrétnych frekvencií alebo inak šumu post-voxelov, ktoré mohli použiť na výpočet hmotnosti a rotácie konečnej čiernej diery.

Hmotnosť a rotácia čiernej diery priamo súvisia s oblasťou jej horizontu udalostí a Thorne si spomenul na Hawkingov dotaz a oslovil ho následnou akciou: porovnať signál pred a po fúzii. Môže použiť rovnakú techniku ​​a potvrdiť poľná veta?

Vedci výzvu prijali a signál GW150914 opäť rozdelili na svojom vrchole. Vyvinuli model na analýzu signálu pred vrcholom, ktorý zodpovedal dvom indukčným čiernym dieram, a na identifikáciu hmotnosti a rotácie oboch čiernych dier pred zlúčením. Z týchto odhadov vypočítali ich celkovú plochu obzoru – odhad rovný asi 235 000 štvorcových kilometroch alebo asi deväťnásobok rozlohy Massachusetts.

Svojou predchádzajúcou technikou potom extrahoval „ringdown“ alebo rekombináciu novovzniknutej čiernej diery, z ktorej vypočítal jej hmotnosť a rotáciu a nakoniec jej plochu obzoru, ktorú našli na ploche 367 000 kilometrov štvorcových (asi 13-násobok). bol rovný. územie štátu Perzského zálivu).

„Dáta s mimoriadnou istotou ukazujú, že po zlúčení sa oblasť obzoru zvýšila a že zákon v teréne je veľmi pravdepodobne uspokojený,“ tvrdí ISI. „Bolo nám úľavou, že náš výsledok súhlasí s paradigmou, ktorú sme očakávali, a potvrdzuje naše chápanie týchto zložitých fúzií čiernych dier.“

Tím plánuje otestovať Hawkingovu poľnú vetu a ďalšie dlhoročné teórie mechaniky čiernych dier pomocou údajov od jej náprotivkov LIGO a Panna v Taliansku.

„Je povzbudivé, že môžeme uvažovať o dátach gravitačných vĺn novými, kreatívnymi spôsobmi a pristupovať k otázkam, o ktorých sme si mysleli, že by sme ich predtým nemohli mať,“ hovorí Issy. „Môžeme ďalej manipulovať s informáciami, ktoré hovoria priamo k pilierom toho, o čom si myslíme, že im rozumieme. Jedného dňa môžu tieto údaje odhaliť niečo, čo sme nečakali.“

Referencie: Maximiliano Isi, Will M. Farr, Matthew Geisler, Mark A. Scheel a Saul A. „Testovanie zákona o čiernych dierach s GW150914“, autor: Tukolsky, 1. júla 2021, dokument o fyzickej kontrole.
DOI: 10.1103 / PhysRevLet.127.011103

Tento výskum čiastočne podporili NASA, Simonsova nadácia a National Science Foundation.