Теорията на Хокинг за черната дупка се потвърждава от наблюдението за първи път

Впечатление на художник за две черни дупки, които ще се сблъскат и сливат.

Изследването предоставя доказателства, базирани на гравитационни вълни, които показват, че общата площ на хоризонта на събитията на черната дупка никога не може да намалее.

Има някои правила, които дори и най-екстремните неща във Вселената трябва да спазват. Централният закон за черните дупки предсказва, че техният регион на хоризонта на събитията – границата, където нищо не може да избяга – никога не трябва да се свива. Този закон е теорията на района на Хокинг, кръстена на физика Стивън Хокинг, който извежда тази теория през 1971 г.

Петдесет години по-късно физиците от Масачузетския технологичен институт и другаде потвърдиха теорията за зоната на Хокинг за първи път, използвайки наблюдения на гравитационните вълни. Резултатите им се появяват днес (1 юли 2021 г.) в съобщения за физически преглед.

В проучването изследователите са разгледали по-отблизо GW150914, първият сигнал на гравитационната вълна, открит от Обсерваторията за гравитационна вълна на лазерния интерферометър (LIGO), през 2015 г. Сигналът е продукт на две вдъхновяващи черни дупки, породили нова черна дупка, заедно с огромно количество енергия, разпространено през пространството-времето под формата на гравитационни вълни.

Ако теорията за района на Хокинг е вярна, тогава площта на хоризонта на новата черна дупка не трябва да бъде по-малка от общата площ на хоризонта на първоначалните черни дупки. В новото проучване физиците повторно анализираха сигнала от GW150914 преди и след космическия сблъсък и установиха, че общата площ на хоризонта на събитията не е намаляла след сливането – резултат, който те отчитат с 95% увереност.

Физиците от Масачузетския технологичен институт и другаде са използвали гравитационни вълни, за да потвърдят теорията за района на черната дупка на Хокинг чрез наблюдение за първи път. Тази компютърна симулация показва сблъсъка на две черни дупки, които са произвели гравитационния вълнов сигнал GW150914. Кредит: Проект за екстремна космическа симулация (SXS). Кредит: С любезното съдействие на LIGO

Техните открития представляват първото пряко наблюдателно потвърждение на зоновата теория на Хокинг, което е математически доказано, но все още не се наблюдава в природата. Екипът планира да тества бъдещи сигнали на гравитационните вълни, за да види дали те допълнително ще потвърдят теорията на Хокинг или ще бъдат признак на нова физика, изкривяваща закона.

„Възможно е да има зоологическа градина с различни компактни обекти и докато някои са черни дупки, които следват законите на Айнщайн и Хокинг, други могат да бъдат“, казва водещият автор Максимилиано Еси, докторант от НАСА в MIT, Максимилиано Еси. различни чудовища. “ Институт за астрофизика и космически изследвания Кавли. „Така че, не е като да си взел този тест веднъж и да е приключил. Правиш го веднъж и това е началото.“

Съавтори на Иси в статията са Уил Фар от университета Стони Брук и Центъра за компютърна астрофизика Флатирон, Матю Гайслер от университета Корнел, Марк Шел от Калтех и Саул Тюколски от университета Корнел и Калтех.

ера на виденията

През 1971 г. Стивън Хокинг предлага теория на областите, която лансира поредица от фундаментални идеи за механиката на черните дупки. Теорията прогнозира, че общата площ на хоризонта на събитията на черна дупка – и всички черни дупки във Вселената, в този случай – никога не трябва да намалява. Изявлението беше странен паралел на втория закон на термодинамиката, който гласи, че ентропията или степента на разстройство в даден обект никога не трябва да намалява.

Сходството между двете теории предполага, че черните дупки могат да се държат като топлинни обекти, които излъчват топлина – объркващо предложение, тъй като се смята, че черните дупки по своята същност никога не позволяват бягство или радиация. В крайна сметка Хокинг изправи на квадрат двете идеи през 1974 г., показвайки, че черните дупки могат да имат ентропия и да излъчват радиация за много дълги периоди от време, ако се вземат предвид техните квантови ефекти. Това явление е наречено „радиация на Хокинг“ и остава едно от най-фундаменталните открития за черните дупки.

„Всичко започна с осъзнаването на Хокинг, че общата площ на хоризонта на черните дупки никога не може да намалее“, казва Иси. „Окръжният кодекс илюстрира златна епоха през 70-те години, в която всички тези идеи са били произведени.“

Оттогава Хокинг и други са показали, че теорията на областите работи математически, но няма начин да я проверим спрямо природата до първото откриване на гравитационни вълни от LIGO.

След като чува резултата, Хокинг бързо се свързва със съоснователя на LIGO Кип Торн, професорът по теоретична физика от Калтех във Фейнман. Въпросът му: Може ли откритието да потвърди теорията за района?

По това време изследователите не са имали способността да избират необходимата информация в сигнала, преди и след сливането, за да определят дали крайният регион на хоризонта не е намалял, както предполага теорията на Хокинг. Едва няколко години по-късно разработването на техника от Иси и неговите колеги, когато тестваха правото на региона, стана възможно.

преди и след

През 2019 г. Isi и колегите му разработиха техника за ехо-екстракция веднага след пика на GW150914 – момента, в който двете оригинални черни дупки се сблъскаха, за да образуват нова черна дупка. Екипът използва тази техника, за да избере определени честоти или тонове за силни ефекти, които могат да използват, за да изчислят крайната маса и въртене на черната дупка.

Масата и въртенето на черната дупка са пряко свързани с района на нейния хоризонт на събитията и Торн се приближи до тях, припомняйки заявката на Хокинг, с последващо действие: Може ли да използват същата техника за сравняване на сигнала преди и след сливането, потвърждавайки теорията на региона ?

Изследователите приеха предизвикателството и отново разделиха сигнала GW150914 до своя връх. Те разработиха модел за анализ на сигнала преди пика, който съответства на вдъхновяващи черни дупки, и за определяне на масата и въртенето на двете черни дупки, преди да се слеят. От тези оценки те изчисляват общите хоризонтни площи – приблизително приблизително равна на около 235 000 квадратни километра, или приблизително девет пъти площта на Масачузетс.

След това използваха по-ранната си техника за извличане на „пръстена“ или отскока на новообразуваната черна дупка, която изчисляваха нейната маса, въртене и в крайна сметка площта на нейния хоризонт, която те установиха, че е еквивалентна на 367 000 квадратни километра (около 13 пъти по-голяма от площта на залива).

„Данните показват с огромна увереност, че площта на хоризонта се е увеличила след сливането и че законът на областта се удовлетворява с много голяма вероятност“, казва Иси. „Беше облекчение, че резултатът ни се съгласи с модела, който очакваме, и потвърждава нашето разбиране за тези сложни сливания на черни дупки.“

Екипът планира да проведе допълнителни тестове на теорията за региона на Хокинг и други дългогодишни теории за механиката на черните дупки, като използва данни от LIGO и Virgo, негов колега в Италия.

„Обнадеждаващо е, че можем да мислим по нови и иновативни начини за данните за гравитационните вълни и да измисляме въпроси, които сме смятали, че не сме могли преди“, казва Иси. „Можем да продължим да извличаме частици информация, които говорят директно към субстратите на това, което мислим, че разбираме. Един ден тези данни може да разкрият нещо, което не сме очаквали. „

Справка: „Тест за закон за региона на черните дупки с използване на GW150914“ от Максимилиано Еси, Уил М. Фар, Матю Гайслер, Марк А. Шел и Саул А. Туколски, 1 юли 2021 г. съобщения за физически преглед.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.011103

Това изследване беше подкрепено отчасти от НАСА, Фондация Симънс и Националната научна фондация.