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

Existujú určité pravidlá, ktoré musia dodržiavať aj tie najextrémnejšie veci vo vesmíre. Centrálny zákon čiernych dier predpovedá, že ich oblasť horizontu udalostí – hranica, kam nemôže nič uniknúť – by sa nikdy nemala zmenšiť. Týmto zákonom je teória Hawkingovej oblasti, pomenovaná po fyzikovi Stephenovi Hawkingovi, ktorý túto teóriu odvodil v roku 1971.

O päťdesiat rokov neskôr fyzici na MIT a inde potvrdili teóriu Hawkingových zón prvýkrát pomocou pozorovaní gravitačných vĺn. Ich výsledky sa objavujú dnes (1. júla 2021) v roku správy o fyzickej kontrole.

V štúdii sa vedci podrobnejšie pozreli na GW150914, prvý signál gravitačných vĺn zistený laserovým interferometrom Gravitačné vlnové observatórium (LIGO), v roku 2015. Signál bol produktom dvoch inšpiratívnych čiernych dier, ktoré spolu s nimi vytvorili novú čiernu dieru. s obrovským množstvom energie šírenej cez časopriestor vo forme gravitačných vĺn.

Ak je teória Hawkingovej oblasti správna, potom by plocha horizontu novej čiernej diery nemala byť menšia ako celková plocha horizontu pôvodných čiernych dier. V novej štúdii fyzici reanalyzovali signál z GW150914 pred a po kozmickej zrážke a zistili, že celková plocha horizontu udalostí sa po fúzii neznížila – výsledok uvádzajú s 95% istotou.

Fyzici na MIT a inde použili gravitačné vlny na potvrdenie teórie oblasti Hawkingovej čiernej diery po prvýkrát pozorovaním. Táto počítačová simulácia ukazuje zrážku dvoch čiernych dier, ktoré produkovali signál gravitačnej vlny GW150914. Uznanie: Extreme Space Simulation Project (SXS). Poďakovanie: s láskavým dovolením LIGO

Ich objavy predstavujú prvé priame pozorovacie potvrdenie Hawkingovej teórie zón, ktoré bolo matematicky dokázané, ale zatiaľ nebolo v prírode pozorované. Tím plánuje otestovať budúce signály gravitačných vĺn, aby zistil, či ešte viac potvrdia Hawkingovu teóriu alebo budú znakom novej fyziky krútiacej zákony.

„Je možné, že tu bude zoologická záhrada rôznych kompaktných objektov, a zatiaľ čo niektoré sú čierne diery, ktoré sa riadia Einsteinovými a Hawkingovými zákonmi, iné môžu byť,“ hovorí hlavný autor Maximiliano Essie, postdoktorand NASA z MIT, Maximiliano Essie. rôzne príšery. “ Kavliho inštitút pre astrofyziku a vesmírny výskum. „Takže to nie je tak, ako keby si tento test absolvoval raz a je koniec. Urobíš to raz, a to je začiatok.“

Spoluautormi Isiho na príspevku sú Will Farr z Stony Brook University a Flatiron Center for Computational Astrophysics, Matthew Geisler z Cornellovej univerzity, Mark Schell z Caltechu a Saul Tiukolsky z Cornellovej univerzity a Caltechu.

éra vízií

V roku 1971 Stephen Hawking navrhol teóriu oblasti, ktorá priniesla sériu základných myšlienok o mechanike čiernych dier. Teória predpovedá, že celková plocha horizontu udalostí čiernej diery – a teda všetkých čiernych dier vo vesmíre – by sa nikdy nemala zmenšiť. Toto tvrdenie bolo čudnou paralelou s druhým zákonom termodynamiky, ktorý hovorí, že entropia alebo stupeň poruchy v objekte by sa nikdy nemali znižovať.

Podobnosť medzi týmito dvoma teóriami naznačuje, že čierne diery sa môžu správať ako tepelné objekty, ktoré vyžarujú teplo, čo je mätúce, pretože sa verilo, že čierne diery svojou podstatou nikdy neumožňujú únik alebo žiarenie. Hawking nakoniec v roku 1974 rozdelil tieto dve myšlienky na druhú, čím ukázal, že čierne diery môžu mať entropiu a emitovať žiarenie po veľmi dlhých časových obdobiach, ak sa zohľadnia ich kvantové efekty. Tento jav bol nazvaný „Hawkingovo žiarenie“ a zostáva jedným z najzásadnejších objavov čiernych dier.

„Všetko to začalo uvedomením si Hawkinga, že celková plocha horizontu čiernych dier sa nikdy nemohla zmenšiť,“ hovorí Issy. „Okresný zákon je príkladom zlatého veku v 70. rokoch, v ktorom boli všetky tieto myšlienky vyrobené.“

Hawking a ďalší odvtedy preukázali, že teória oblastí funguje matematicky, ale až do prvej detekcie gravitačných vĺn spoločnosťou LIGO neexistoval spôsob, ako ju skontrolovať proti prírode.

Po vypočutí výsledku Hawking rýchlo kontaktoval spoluzakladateľa LIGO Kipa Thorna, Feynmanovho profesora teoretickej fyziky na Caltechu. Jeho otázka: Môže objav potvrdiť teóriu oblasti?

V tom čase nemali vedci schopnosť zachytiť potrebné informácie v rámci signálu pred a po zlúčení, aby zistili, či sa oblasť konečného horizontu neznížila, ako predpokladá Hawkingova teória. Až o niekoľko rokov neskôr bol možný vývoj techniky Isi a jeho kolegovia pri testovaní právnych predpisov regiónu.

pred a po

V roku 2019 vyvinuli Isi a kolegovia techniku ​​extrakcie ozveny hneď po vrchole GW150914 – v okamihu, keď sa dve pôvodné čierne diery zrazili a vytvorili novú čiernu dieru. Tím pomocou tejto techniky vybral konkrétne frekvencie alebo tóny pre hlasné efekty, ktoré môžu použiť na výpočet konečnej hmotnosti a rotácie čiernej diery.

Hmotnosť a rotácia čiernej diery priamo súvisia s oblasťou jej horizontu udalostí a Thorne sa k nim priblížil s odvolaním sa na Hawkingov dotaz s následným sledovaním: Mohli pomocou rovnakej techniky porovnať signál pred a po zlúčení, čo by potvrdilo teóriu regiónu ?

Vedci výzvu prijali a opäť rozdelili signál GW150914 na svoj vrchol. Vyvinuli model na analýzu signálu pred vrcholom, ktorý zodpovedá inšpirujúcim čiernym dieram, a na stanovenie hmotnosti a rotácie oboch čiernych dier pred ich zlúčením. Z týchto odhadov vypočítali celkové obzory – odhad zhruba rovný približne 235 000 štvorcových kilometroch, čo je zhruba deväťnásobok veľkosti Massachusetts.

Potom použili svoju skoršiu techniku ​​na extrahovanie „prstenca“ alebo odrazov novovzniknutej čiernej diery, pri ktorom vypočítali jej hmotnosť, rotáciu a nakoniec plochu jej horizontu, ktorú podľa nich zodpovedali 367 000 štvorcových kilometrov (asi 13-násobok rozlohy štátu Bay).

„Údaje ukazujú s absolútnou istotou, že oblasť horizontu sa po zlúčení zvýšila a že zákon v tejto oblasti je uspokojený s veľmi vysokou pravdepodobnosťou,“ hovorí Issy. „Bolo nám úľavou, že náš výsledok súhlasil s modelom, ktorý očakávame, a potvrdzuje naše chápanie týchto zložitých fúzií čiernych dier.“

Tím plánuje vykonať ďalšie testy teórie regiónu Hawkinga a ďalších dlhotrvajúcich teórií mechaniky čiernych dier s využitím údajov od spoločností LIGO a Virgo, jej náprotivku v Taliansku.

„Je povzbudivé, že môžeme novými a inovatívnymi spôsobmi premýšľať o dátach gravitačných vĺn a prichádzať s otázkami, o ktorých sme si mysleli, že by sme ich predtým nedokázali,“ hovorí Issy. „Môžeme pokračovať v získavaní bitov informácií, ktoré hovoria priamo na substráty toho, o čom si myslíme, že im rozumieme. Jedného dňa môžu tieto údaje odhaliť niečo, čo sme nečakali.“

Odkaz: „Test zákona na oblasť čiernych dier pomocou GW150914“, autor: Maximiliano Essi, Will M. Farr, Matthew Geisler, Mark A. Shell a Saul A. Teukolsky, 1. júla 2021, k dispozícii tu. správy o fyzickej kontrole.
DOI: 10,1103 / PhysRevLett.127.011103

Tento výskum čiastočne podporili NASA, Simmonsova nadácia a Národná vedecká nadácia.