Teorie černé díry Hawkinga je poprvé potvrzena pozorováním

Studie poskytuje důkazy založené na gravitačních vlnách, které ukazují, že celková plocha horizontu událostí černé díry se nikdy nemůže snížit.

Existují pravidla, která musí dodržovat i ty nejextrémnější věci ve vesmíru. Ústřední zákon o černých dírách předpovídá, že jejich oblast horizontu událostí – hranice, kam nemůže nic uniknout – by se nikdy neměla zmenšovat. Tímto zákonem je Hawkingova teorie oblastí, pojmenovaná podle fyzika Stephena Hawkinga, který tuto teorii odvodil v roce 1971.

O padesát let později fyzici na MIT i jinde poprvé potvrdili teorii Hawkingových zón pomocí pozorování gravitačních vln. Jejich výsledky se dnes (1. července 2021) objevují v roce zprávy o fyzické kontrole.

V této studii se vědci podrobněji podívali na GW150914, první signál gravitační vlny detekovaný laserovou interferometrickou observatoří gravitačních vln (LIGO), v roce 2015. Signál byl produktem dvou inspirativních černých děr, které zrodily novou černou díru . , spolu s obrovským množstvím energie, která se šířila časoprostorem ve formě gravitačních vln.

Pokud je teorie Hawkingovy oblasti správná, pak by oblast horizontu nové černé díry neměla být menší než celková plocha horizontu původních černých děr. V nové studii fyzici reanalyzovali signál z GW150914 před a po kosmické srážce a zjistili, že celková plocha horizontu událostí se po fúzi nezmenšila – výsledek uvádějí s 95% jistotou.

Fyzici na MIT a jinde použili gravitační vlny, aby poprvé potvrdili Hawkingovu teorii oblasti černé díry pozorováním. Tato počítačová simulace ukazuje kolizi dvou černých děr, které generovaly signál gravitační vlny GW150914. Uznání: Extreme Space Simulation Project (SXS). Zápočet: s laskavým svolením LIGO

Jejich nálezy představují první přímé pozorovací potvrzení Hawkingovy teorie zón, které bylo matematicky prokázáno, ale dosud nebylo v přírodě pozorováno. Tým plánuje otestovat budoucí signály gravitačních vln, aby zjistil, zda budou dále potvrzovat Hawkingovu teorii nebo zda budou známkou nové fyziky zkroucení zákona.

„Je možné, že zde bude zoo různých kompaktních objektů, a zatímco některé jsou černé díry, které se řídí zákony Einsteina a Hawkinga, jiné mohou být,“ říká hlavní autor Maximiliano Essie, postdoktorand NASA na MIT, Maximiliano Essie. Different Beasts, „Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. „Takže to není tak, že jsi tento test jednou absolvoval a je po všem. Uděláš to jednou, a to je začátek.“

Spoluautoři Izzyho na příspěvku jsou Will Farr z univerzity Stony Brook a Flatiron Center for Computational Astrophysics, Matthew Geisler z Cornellovy univerzity, Mark Schell z Caltechu a Saul Tukolsky z Cornellovy univerzity a Caltechu.

éra vizí

V roce 1971 navrhl Stephen Hawking oblastní teorii, která zahájila řadu základních myšlenek o mechanice černé díry. Teorie předpovídá, že celková plocha horizontu událostí černé díry – a tedy všechny černé díry ve vesmíru – by se nikdy neměla zmenšovat. Výrok byl podivnou paralelou s druhým zákonem termodynamiky, který uvádí, že entropie neboli míra poruchy uvnitř objektu by se nikdy neměla snižovat.

Podobnost mezi těmito dvěma teoriemi naznačuje, že černé díry se mohou chovat jako tepelné objekty, které vydávají teplo – matoucí tvrzení, protože se věřilo, že černé díry ze své podstaty nikdy neumožňují únik nebo záření. Nakonec Hawking v roce 1974 nabyl těchto dvou myšlenek, což ukazuje, že černé díry mohou mít entropii a vyzařovat záření po velmi dlouhou dobu, pokud se vezmou v úvahu kvantové efekty. Tento jev byl nazván „Hawkingovo záření“ a zůstává jedním z nejzásadnějších objevů o černých dírách.

„Všechno to začalo vědomím Hawkinga, že celková plocha obzoru černých děr se nikdy nemohla zmenšit,“ říká Issy. „Okresní zákon je příkladem zlatého věku v 70. letech, kdy byly všechny tyto myšlenky vytvořeny.“

Hawking a další od té doby prokázali, že oblastní teorie funguje matematicky, ale do první detekce gravitačních vln LIGO nebylo možné ji ověřit proti přírodě.

Po vyslechnutí výsledku Hawking rychle kontaktoval spoluzakladatele LIGO Kip Thorne, Feynmanova profesora teoretické fyziky na Caltechu. Jeho otázka: Může objev potvrdit teorii oblasti?

V té době vědci neměli schopnost zachytit potřebné informace v signálu před a po sloučení, aby zjistili, zda se oblast konečného obzoru nezmenšila, jak předpokládá Hawkingova teorie. Teprve o několik let později byl možný vývoj techniky Isi a jeho kolegové při testování zákonů regionu.

před a po

V roce 2019 vyvinuli Isi a kolegové techniku ​​extrakce ozvěny hned po vrcholu GW150914 – v okamžiku, kdy se dvě původní černé díry srazily a vytvořily novou černou díru. Tým použil tuto techniku ​​k určení konkrétních frekvencí nebo tónů pro hlasité efekty, které mohou použít k výpočtu konečné hmotnosti a rotace černé díry.

Hmota a rotace černé díry přímo souvisejí s oblastí jejího horizontu událostí a Thorne se k nim přiblížil a připomněl Hawkingův dotaz s následným sledováním: Mohli použít stejnou techniku ​​k porovnání signálu před a po fúzi, s důrazem na teorii oblasti ?

Vědci výzvu přijali a znovu rozdělili signál GW150914 na svůj vrchol. Vyvinuli model pro analýzu signálu před vrcholem, který odpovídá inspirujícím černým děrám, a pro stanovení hmotnosti a rotace obou černých děr před jejich sloučením. Z těchto odhadů vypočítali celkovou plochu obzoru – odhad zhruba rovný přibližně 235 000 kilometrům čtverečním, což je zhruba devítinásobek plochy Massachusetts.

Poté použili svou dřívější metodu k extrakci „prstence“ nebo odrazů nově vytvořené černé díry, přičemž vypočítali její hmotnost, rotaci a nakonec plochu jejího horizontu, kterou shledali 367 000 kilometrů čtverečních násobek oblasti státu Bay).

„Data ukazují s naprostou jistotou, že oblast horizontu se po sloučení zvýšila a že zákon v této oblasti je uspokojen s velmi vysokou pravděpodobností,“ říká Issy. „Bylo nám úlevou, že náš výsledek souhlasil s modelem, který očekáváme, a potvrzuje naše chápání těchto složitých sloučení černé díry.“

Tým plánuje provést další testy teorie regionů Hawkinga a dalších dlouhodobých teorií mechaniky černé díry s využitím údajů od společností LIGO a Virgo, jejího protějšku v Itálii.

„Je povzbudivé, že můžeme novými a inovativními způsoby přemýšlet o datech gravitačních vln a přicházet s otázkami, o kterých jsme si mysleli, že jsme to dříve nemohli,“ říká Issy. „Můžeme pokračovat v získávání bitů informací, které mluví přímo na substráty toho, o čem si myslíme, že rozumíme. Jednoho dne mohou tato data odhalit něco, co jsme nečekali.“

Odkaz: „Test zákona o oblasti černé díry pomocí GW150914“, autor: Maximiliano Essi, Will M. Farr, Matthew Geisler, Mark A. Shell a Saul A. Tukolsky, 1. července 2021 zprávy o fyzické kontrole.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.011103

Tento výzkum byl částečně podporován NASA, Simmons Foundation a National Science Foundation.