Теория черной дыры Хокинга впервые подтверждена наблюдениями

Художник представляет две черные дыры, которые вот-вот столкнутся и сойдутся.

Исследование предоставляет доказательства, основанные на гравитационных волнах, чтобы показать, что общая площадь горизонта событий черной дыры никогда не может уменьшиться.

Есть некоторые правила, которым должны следовать даже самые экстремальные вещи во вселенной. Центральный закон черных дыр предсказывает, что область их горизонта событий — граница, откуда ничто не может уйти, — никогда не должна сокращаться. Этот закон является теорией области Хокинга, названной в честь физика Стивена Хокинга, который вывел эту теорию в 1971 году.

Пятьдесят лет спустя физики из Массачусетского технологического института и других организаций впервые подтвердили теорию зон Хокинга, используя наблюдения гравитационных волн. Их результаты появятся сегодня (1 июля 2021 г.) в сообщения физического обзора.

В ходе исследования исследователи внимательно изучили GW150914, первый сигнал гравитационной волны, обнаруженный обсерваторией гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) в 2015 году. Этот сигнал был продуктом двух вдохновляющих черных дыр, которые породили новую черную дыру. с огромным количеством Энергии, распространяющейся в пространстве-времени в форме гравитационных волн.

Если теория области Хокинга верна, то площадь горизонта новой черной дыры не должна быть меньше общей площади горизонта исходных черных дыр. В новом исследовании физики повторно проанализировали сигнал от GW150914 до и после космического столкновения и обнаружили, что общая площадь горизонта событий не уменьшилась после слияния — результат, который они сообщают с достоверностью 95%.

Физики из Массачусетского технологического института и других организаций впервые использовали гравитационные волны, чтобы подтвердить теорию области черных дыр Хокинга посредством наблюдений. Это компьютерное моделирование показывает столкновение двух черных дыр, которое произвело сигнал гравитационной волны GW150914. Предоставлено: Проект моделирования экстремального космоса (SXS). Предоставлено LIGO.

Их результаты представляют собой первое прямое наблюдательное подтверждение теории зон Хокинга, которая была математически доказана, но еще не наблюдалась в природе. Команда планирует проверить будущие сигналы гравитационных волн, чтобы увидеть, подтвердят ли они теорию Хокинга или станут признаком новой физики, изменяющей законы.

«Возможно, будет целый зоопарк, состоящий из различных компактных объектов, и хотя некоторые из них являются черными дырами, которые подчиняются законам Эйнштейна и Хокинга, другие могут быть», — говорит ведущий автор Максимилиано Эсси, научный сотрудник НАСА в Массачусетском технологическом институте Максимилиано Эсси. разные монстры «. Кавли Институт астрофизики и космических исследований. «Итак, это не значит, что вы прошли этот тест один раз, а он закончился. Вы делаете это один раз, и это начало».

Соавторами статьи являются Уилл Фарр из Университета Стоуни-Брук и Центра вычислительной астрофизики Флэтайрон, Мэтью Гейслер из Корнельского университета, Марк Шелл из Калифорнийского технологического института и Саул Тюколски из Корнельского университета и Калифорнийского технологического института.

эра видений

В 1971 году Стивен Хокинг предложил теорию площадей, которая положила начало ряду фундаментальных идей о механике черных дыр. Теория предсказывает, что общая площадь горизонта событий черной дыры — и, в данном случае, всех черных дыр во Вселенной — никогда не должна уменьшаться. Это утверждение было странной параллелью второму закону термодинамики, который гласит, что энтропия или степень беспорядка внутри объекта никогда не должна уменьшаться.

Сходство между двумя теориями предполагало, что черные дыры могут вести себя как тепловые объекты, излучающие тепло, — утверждение сбивает с толку, поскольку считалось, что черные дыры по самой своей природе никогда не допускают утечки или излучения. В конце концов, Хокинг в 1974 г. сопоставил эти две идеи, показав, что черные дыры могут обладать энтропией и излучать излучение в течение очень длительных периодов времени, если принять во внимание их квантовые эффекты. Это явление было названо «излучением Хокинга» и остается одним из самых фундаментальных открытий в отношении черных дыр.

«Все началось с того, что Хокинг осознал, что общая площадь горизонта черных дыр никогда не может уменьшиться», — говорит Исси. «Окружной кодекс является примером золотого века 1970-х годов, когда были рождены все эти идеи».

Хокинг и другие с тех пор показали, что теория площадей работает математически, но не было возможности проверить ее на примере природы до первого обнаружения гравитационных волн LIGO.

Узнав о результате, Хокинг быстро связался с соучредителем LIGO Кипом Торном, профессором теоретической физики Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте. Его вопрос: может ли открытие подтвердить теорию площадей?

В то время у исследователей не было возможности выделить необходимую информацию в сигнале до и после слияния, чтобы определить, не уменьшилась ли последняя область горизонта, как предполагает теория Хокинга. Лишь несколько лет спустя Иси и его коллеги разработали методику при проверке закона региона.

до и после

В 2019 году Иси и его коллеги разработали метод извлечения эха сразу после пика GW150914 — в тот момент, когда две исходные черные дыры столкнулись, чтобы сформировать новую черную дыру. Команда использовала эту технику, чтобы выбрать определенные частоты или тона для громких эффектов, которые они могут использовать для расчета предельной массы и вращения черной дыры.

Масса и вращение черной дыры напрямую связаны с областью ее горизонта событий, и Торн подошел к ним, вспомнив вопрос Хокинга, с последующим шагом: могут ли они использовать ту же технику для сравнения сигнала до и после слияния, подтверждая теорию области ?

Исследователи приняли вызов и снова разделили сигнал GW150914 до его пика. Они разработали модель для анализа сигнала до пика, который соответствует вдохновляющим черным дырам, и для определения массы и вращения обеих черных дыр до их слияния. На основе этих оценок они рассчитали общую площадь горизонта — оценку примерно равную примерно 235 000 квадратных километров, что примерно в девять раз больше площади Массачусетса.

Затем они использовали свою более раннюю технику для извлечения «кольца» или отскоков недавно сформированной черной дыры, которые они вычислили ее массу, вращение и, в конечном счете, площадь ее горизонта, которая, как они выяснили, была эквивалентна 367000 квадратных километров. (примерно в 13 раз больше площади залива Стейт).

«Данные показывают с огромной уверенностью, что после слияния площадь горизонта увеличилась, и что закон области выполняется с очень высокой вероятностью», — говорит Исси. «Было облегчением, что наш результат согласился с моделью, которую мы ожидаем, и подтверждает наше понимание этих сложных слияний черных дыр».

Команда планирует провести дальнейшие испытания теории областей Хокинга и других давно существующих теорий механики черной дыры, используя данные LIGO и Virgo, аналога из Италии.

«Отрадно, что мы можем думать по-новому и новаторски о данных о гравитационных волнах и придумывать вопросы, которые, как мы думали, не могли раньше, — говорит Исси. то, что мы думаем, мы понимаем. Однажды эти данные могут раскрыть то, чего мы не ожидали ».

Ссылка: «Проверка закона области черной дыры с использованием GW150914» Максимилиано Эсси, Уилл М. Фарр, Мэтью Гейслер, Марк А. Шелл и Саул А. Тукольский, 1 июля 2021 г. сообщения физического обзора.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.011103

Это исследование было частично поддержано НАСА, Фондом Симмонса и Национальным научным фондом.