Fizycy po raz pierwszy potwierdzają przez obserwację teorię czarnej dziury Hawkinga | Aktualności MIT

Istnieją pewne zasady, których muszą przestrzegać nawet najbardziej ekstremalne rzeczy we wszechświecie. Centralne prawo czarnych dziur przewiduje, że obszar horyzontu zdarzeń – granica, z której nic nie może uciec – nigdy nie powinien się kurczyć. To prawo to teoria obszaru Hawkinga, nazwana na cześć fizyka Stephena Hawkinga, który wyprowadził tę teorię w 1971 roku.

Pięćdziesiąt lat później fizycy z MIT i innych miejsc po raz pierwszy potwierdzili teorię stref Hawkinga, wykorzystując obserwacje fal grawitacyjnych. Ich wyniki pojawiają się dzisiaj w fizyczne wiadomości przeglądowe.

W tym badaniu naukowcy przyjrzeli się bliżej GW150914, pierwszemu sygnałowi fali grawitacyjnej wykrytemu przez Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) w 2015 roku. Sygnał był produktem dwóch inspirujących czarnych dziur, które dały początek nowej czarnej dziurze . , wraz z ogromną ilością energii, która rozchodziła się w czasoprzestrzeni w postaci fal grawitacyjnych.

Jeśli teoria regionu Hawkinga jest poprawna, obszar horyzontu nowej czarnej dziury nie powinien być mniejszy niż całkowity obszar horyzontu oryginalnych czarnych dziur. W nowym badaniu fizycy ponownie przeanalizowali sygnał z GW150914 przed i po kolizji kosmicznej i stwierdzili, że całkowity obszar horyzontu zdarzeń nie zmniejszył się po połączeniu – wynik, który podają z 95% pewnością.

Ich odkrycia stanowią pierwsze bezpośrednie obserwacyjne potwierdzenie teorii stref Hawkinga, która została matematycznie udowodniona, ale nie została jeszcze zaobserwowana w przyrodzie. Zespół planuje przetestować przyszłe sygnały fal grawitacyjnych, aby sprawdzić, czy potwierdzą one teorię Hawkinga, czy będą oznaką nowej, wykręcającej prawa fizyki.

„Możliwe, że będzie zoo różnych zwartych obiektów, a niektóre z nich są czarnymi dziurami, które są zgodne z prawami Einsteina i Hawkinga, inne mogą być”, mówi główny autor Maximiliano Essie, Maximiliano Essie, pracownik NASA z MIT. Różne zwierzęta”, Instytut Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli. „Więc to nie jest tak, że raz wziąłeś ten test i to się skończyło. Robisz to raz i to jest początek.”

Współautorami artykułu Izzy’ego są Will Farr z Uniwersytetu Stony Brook i Flatiron Center for Computational Astrophysics, Matthew Geisler z Cornell University, Mark Schell z Caltech oraz Saul Tukolsky z Cornell University i Caltech.

era wizji

W 1971 roku Stephen Hawking zaproponował teorię obszaru, która zapoczątkowała serię fundamentalnych idei dotyczących mechaniki czarnych dziur. Teoria przewiduje, że całkowity obszar horyzontu zdarzeń czarnej dziury – i wszystkich czarnych dziur we wszechświecie – nigdy nie powinien się zmniejszać. Stwierdzenie to było dziwną paralelą do drugiej zasady termodynamiki, która mówi, że entropia, czyli stopień nieuporządkowania w obiekcie, nigdy nie powinien się zmniejszać.

Podobieństwo między tymi dwiema teoriami sugeruje, że czarne dziury mogą zachowywać się jak obiekty termiczne, które emitują ciepło – co jest mylące, ponieważ uważano, że czarne dziury ze swej natury nigdy nie pozwalają na ucieczkę ani promieniowanie. Ostatecznie Hawking podzielił te dwie koncepcje w 1974 roku, pokazując, że czarne dziury mogą mieć entropię i emitować promieniowanie przez bardzo długi czas, jeśli weźmie się pod uwagę efekty kwantowe. Zjawisko to zostało nazwane „promieniowaniem jastrzębia” i pozostaje jednym z najbardziej fundamentalnych odkryć dotyczących czarnych dziur.

„Wszystko zaczęło się od uświadomienia sobie przez Hawkinga, że ​​całkowity obszar horyzontu czarnych dziur nigdy nie może się zmniejszyć” – mówi Issy. „Kodeks Okręgowy jest przykładem złotego wieku lat 70., w którym wszystkie te idee zostały wyprodukowane”.

Od tego czasu Hawking i inni wykazali, że teoria obszaru działa matematycznie, ale nie było sposobu, aby porównać ją z naturą, dopóki LIGO Pierwsze wykrycie fal grawitacyjnych.

Po zapoznaniu się z wynikami, Hawking szybko skontaktował się ze współzałożycielem LIGO, Kipem Thorne’em, profesorem fizyki teoretycznej Feynmana w Caltech. Jego pytanie: czy odkrycie może potwierdzić teorię obszaru?

W tamtym czasie badacze nie mieli możliwości wydobycia niezbędnych informacji z sygnału przed i po scaleniu, aby określić, czy końcowy obszar horyzontu nie zmniejszył się, jak postuluje teoria Hawkinga. Dopiero kilka lat później stało się możliwe opracowanie techniki przez Isiego i jego kolegów podczas testowania prawa regionu.

przed i po

W 2019 roku Isi i współpracownicy opracowali technologię dla ekstrakcja echa Zaraz po szczycie GW150914 – moment, w którym dwie pierwotne czarne dziury zderzyły się, tworząc nową czarną dziurę. Zespół wykorzystał tę technikę do wybrania określonych częstotliwości lub tonów dla głośnych efektów, które mogą wykorzystać do obliczenia ostatecznej masy i rotacji czarnej dziury.

Masa i rotacja czarnej dziury są bezpośrednio związane z regionem jej horyzontu zdarzeń, a Thorne zbliżył się do nich, przypominając zapytanie Hawkinga, z kontynuacją: Czy mogliby użyć tej samej techniki do porównania sygnału przed i po połączeniu, kładąc nacisk na teorię regionu ?

Naukowcy przyjęli wyzwanie i ponownie podzielili sygnał GW150914 na szczyt. Opracowali model do analizy sygnału przed szczytem, ​​który odpowiada inspirującym czarnym dziurom, oraz do określenia masy i rotacji obu czarnych dziur przed ich połączeniem. Na podstawie tych szacunków obliczyli całkowite obszary horyzontu — oszacowanie równe około 235 000 kilometrów kwadratowych, czyli około dziewięciokrotności powierzchni Massachusetts.

Następnie wykorzystali swoją wcześniejszą metodę, aby wyodrębnić „pierścień” lub odbicia nowo powstałej czarnej dziury, którą obliczyli jej masę, rotację, a ostatecznie obszar jej horyzontu, który stwierdzili, że wynosi 367 000 kilometrów kwadratowych (około 13 razy obszar Bay State).

„Dane pokazują z ogromną pewnością, że obszar horyzontu po fuzji zwiększył się, a prawo tego obszaru jest spełnione z bardzo dużym prawdopodobieństwem” – mówi Issy. „Z ulgą przyszło nam, że nasz wynik zgadza się z oczekiwanym modelem i potwierdza nasze zrozumienie tych złożonych połączeń czarnych dziur”.

Zespół planuje przeprowadzić dalsze testy teorii regionu Hawkinga i innych długotrwałych teorii mechaniki czarnych dziur, wykorzystując dane z LIGO i Virgo, jej odpowiednika we Włoszech.

„To zachęcające, że możemy myśleć w nowy i innowacyjny sposób o danych dotyczących fal grawitacyjnych i wymyślać pytania, o których wcześniej myśleliśmy, że nie mogliśmy” – mówi Issy. „Możemy nadal wydobywać fragmenty informacji, które przemawiają bezpośrednio do substratów tego, co naszym zdaniem rozumiemy. Pewnego dnia te dane mogą ujawnić coś, czego się nie spodziewaliśmy”.

Badania te były częściowo wspierane przez NASA, Simmons Foundation i National Science Foundation.