Η θεωρία της μαύρης τρύπας του Hawking επιβεβαιώνεται από την παρατήρηση για πρώτη φορά

Η μελέτη παρέχει στοιχεία, με βάση τα βαρυτικά κύματα, για να δείξει ότι η συνολική επιφάνεια του ορίζοντα της μαύρης τρύπας δεν μπορεί ποτέ να μειωθεί.

Υπάρχουν μερικοί κανόνες που πρέπει να ακολουθούν ακόμη και τα πιο ακραία πράγματα στο σύμπαν. Ο κεντρικός νόμος των μαύρων τρυπών προβλέπει ότι η περιοχή του ορίζοντα των συμβάντων τους – το όριο όπου τίποτα δεν μπορεί να ξεφύγει – δεν πρέπει ποτέ να συρρικνωθεί. Αυτός ο νόμος είναι η θεωρία της περιοχής Hawking, που πήρε το όνομά του από τον φυσικό Stephen Hawking, ο οποίος προήλθε από αυτήν τη θεωρία το 1971.

Πενήντα χρόνια αργότερα, οι φυσικοί στο MIT και αλλού επιβεβαίωσαν τη θεωρία της ζώνης Hawking για πρώτη φορά, χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις βαρυτικών κυμάτων. Τα αποτελέσματά τους εμφανίζονται σήμερα (1 Ιουλίου 2021) το φυσικά μηνύματα αναθεώρησης.

Στη μελέτη, οι ερευνητές ρίχνουν μια πιο προσεκτική ματιά στο GW150914, το πρώτο σήμα κύματος βαρύτητας που ανιχνεύτηκε από το Παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων Laser Interferometer (LIGO), το 2015. Το σήμα ήταν το προϊόν δύο εμπνευσμένων μαύρων οπών που δημιούργησαν μια νέα μαύρη τρύπα με μια τεράστια ποσότητα ενέργειας που διαδίδεται στο χωροχρόνο με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων.

Εάν η θεωρία της περιοχής Hawking είναι σωστή, τότε η οριζόντια περιοχή της νέας μαύρης τρύπας δεν πρέπει να είναι μικρότερη από τη συνολική περιοχή ορίζοντα των αρχικών μαύρων τρυπών. Στη νέα μελέτη, οι φυσικοί αναλύουν ξανά το σήμα από το GW150914 πριν και μετά την κοσμική σύγκρουση και διαπίστωσαν ότι η συνολική περιοχή του ορίζοντα συμβάντων δεν μειώθηκε μετά τη συγχώνευση – αποτέλεσμα που αναφέρουν με εμπιστοσύνη 95%.

Οι φυσικοί στο MIT και αλλού έχουν χρησιμοποιήσει βαρυτικά κύματα για να επιβεβαιώσουν τη θεωρία της περιοχής των μαύρων τρυπών του Hawking μέσω παρατήρησης για πρώτη φορά. Αυτή η προσομοίωση υπολογιστή δείχνει τη σύγκρουση δύο μαύρων οπών που παρήγαγαν το σήμα κύματος βαρύτητας GW150914. Πίστωση: Extreme Space Simulation Project (SXS). Πίστωση: Ευγενική προσφορά της LIGO

Τα ευρήματά τους αντιπροσωπεύουν την πρώτη άμεση παρατήρηση επιβεβαίωσης της θεωρίας ζώνης του Χόκινγκ, η οποία έχει αποδειχθεί μαθηματικά αλλά δεν έχει ακόμη παρατηρηθεί στη φύση. Η ομάδα σκοπεύει να δοκιμάσει μελλοντικά σήματα βαρυτικών κυμάτων για να δει αν θα επιβεβαιώσουν περαιτέρω τη θεωρία του Hawking ή θα είναι ένα σημάδι νέας φυσικής που στρέφει το νόμο.

«Είναι πιθανό να υπάρχει ζωολογικός κήπος με διαφορετικά συμπαγή αντικείμενα και ενώ μερικές είναι μαύρες τρύπες που ακολουθούν τους νόμους του Αϊνστάιν και του Χόκινγκ, άλλοι μπορεί να είναι», λέει ο επικεφαλής συγγραφέας Maximiliano Essie, μεταδιδακτορικός συνεργάτης της NASA στο MIT, Maximiliano Essie. διαφορετικά τέρατα. ” Ινστιτούτο Αστροφυσικής και Διαστημικής Έρευνας Κάβλι. “Λοιπόν, δεν είναι σαν να πήρες αυτό το τεστ μία φορά και τελείωσε. Το κάνεις μία φορά και αυτή είναι η αρχή.”

Οι συν-συγγραφείς της Isi στο χαρτί είναι ο Will Farr του Πανεπιστημίου Stony Brook και το Κέντρο Υπολογιστικής Αστροφυσικής του Flatiron, ο Matthew Geisler του Πανεπιστημίου Cornell, ο Mark Schell του Caltech και ο Saul Tiukolsky του Πανεπιστημίου Cornell και του Caltech.

εποχή των οραμάτων

Το 1971, ο Stephen Hawking πρότεινε θεωρία περιοχής, η οποία ξεκίνησε μια σειρά από θεμελιώδεις ιδέες για τη μηχανική των μαύρων οπών. Η θεωρία προβλέπει ότι η συνολική έκταση του ορίζοντα συμβάντων μιας μαύρης τρύπας – και όλες οι μαύρες τρύπες στο σύμπαν, για αυτό το θέμα – δεν θα πρέπει ποτέ να μειωθεί. Η δήλωση ήταν παράξενη παράλληλη με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, ο οποίος αναφέρει ότι η εντροπία ή ο βαθμός διαταραχής μέσα σε ένα αντικείμενο, δεν πρέπει ποτέ να μειωθεί.

Η ομοιότητα μεταξύ των δύο θεωριών υποδηλώνει ότι οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να συμπεριφέρονται ως θερμικά αντικείμενα που εκπέμπουν θερμότητα – μια σύγχυση πρόταση, καθώς πιστεύεται ότι οι μαύρες τρύπες από τη φύση τους δεν επιτρέπουν ποτέ διαφυγή ή ακτινοβολία. Τελικά, ο Χόκινγκ τακτοποίησε τις δύο ιδέες το 1974, δείχνοντας ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν να έχουν εντροπία και να εκπέμπουν ακτινοβολία για πολύ μεγάλα χρονικά διαστήματα εάν ληφθούν υπόψη τα κβαντικά τους αποτελέσματα. Αυτό το φαινόμενο έχει χαρακτηριστεί ως «ακτινοβολία Hawking» και παραμένει μια από τις πιο θεμελιώδεις ανακαλύψεις σχετικά με τις μαύρες τρύπες.

“Όλα ξεκίνησαν με τη συνειδητοποίηση του Hawking ότι η συνολική περιοχή των μαύρων οπών στον ορίζοντα δεν θα μπορούσε ποτέ να μειωθεί”, λέει ο Issy. “Ο Περιφερειακός Κώδικας αποτελεί μια χρυσή εποχή στη δεκαετία του 1970 στην οποία όλες αυτές οι ιδέες δημιουργήθηκαν.”

Ο Hawking και άλλοι έδειξαν έκτοτε ότι η θεωρία της περιοχής λειτουργεί μαθηματικά, αλλά δεν υπήρχε τρόπος να την ελέγξουμε ενάντια στη φύση μέχρι την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων του LIGO.

Αφού άκουσε το αποτέλεσμα, ο Hawking επικοινώνησε γρήγορα με τον συνιδρυτή της LIGO, Kip Thorne, τον καθηγητή Θεωρητικής Φυσικής του Feynman στο Caltech. Η ερώτησή του: Μπορεί η ανακάλυψη να επιβεβαιώσει τη θεωρία της περιοχής;

Εκείνη την εποχή, οι ερευνητές δεν είχαν τη δυνατότητα να διαλέξουν τις απαραίτητες πληροφορίες εντός του σήματος, πριν και μετά τη συγχώνευση, για να προσδιορίσουν εάν η τελική περιοχή του ορίζοντα δεν είχε μειωθεί, όπως υποθέτει η θεωρία του Hawking. Μόνο αρκετά χρόνια αργότερα έγινε δυνατή η ανάπτυξη μιας τεχνικής από τον Isi και τους συναδέλφους του, κατά τη δοκιμή του νόμου της περιοχής.

πριν και μετά

Το 2019, η Isi και οι συνεργάτες της ανέπτυξαν μια τεχνική εξαγωγής ηχούς αμέσως μετά την κορυφή του GW150914 – τη στιγμή που οι δύο αρχικές μαύρες τρύπες συγκρούστηκαν για να σχηματίσουν μια νέα μαύρη τρύπα. Η ομάδα χρησιμοποίησε αυτήν την τεχνική για να διαλέξει συγκεκριμένες συχνότητες ή ήχους για δυνατά εφέ, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιήσουν για τον υπολογισμό της απόλυτης μάζας και περιστροφής της μαύρης τρύπας.

Η μάζα και η περιστροφή μιας μαύρης τρύπας σχετίζονται άμεσα με την περιοχή του ορίζοντα συμβάντων και ο Thorne τους πλησίασε, υπενθυμίζοντας το ερώτημα του Hawking, με μια συνέχεια: Θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν την ίδια τεχνική για να συγκρίνουν το σήμα πριν και μετά τη συγχώνευση, επιβεβαιώνοντας τη θεωρία περιοχής ;

Οι ερευνητές αποδέχτηκαν την πρόκληση και έσπασαν ξανά το σήμα GW150914 στο αποκορύφωμά του. Ανέπτυξαν ένα μοντέλο για την ανάλυση του σήματος πριν από την κορυφή, το οποίο αντιστοιχεί σε εμπνέοντας μαύρες τρύπες, και για να προσδιορίσουν τη μάζα και την περιστροφή και των δύο μαύρων οπών πριν συγχωνευθούν. Από αυτές τις εκτιμήσεις, υπολόγισαν συνολικές περιοχές ορίζοντα – μια εκτίμηση περίπου ίση με περίπου 235.000 τετραγωνικά χιλιόμετρα, ή περίπου εννέα φορές την περιοχή της Μασαχουσέτης.

Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν την παλαιότερη τεχνική τους για να εξαγάγουν το “δακτύλιο” ή την αναπήδηση της νέας σχηματισμένης μαύρης τρύπας, την οποία υπολόγισαν τη μάζα, την περιστροφή της και, τελικά, την περιοχή του ορίζοντα της, την οποία βρήκαν ισοδύναμη με 367.000 τετραγωνικά χιλιόμετρα (περίπου 13 φορές την περιοχή του Bay State).

«Τα δεδομένα δείχνουν με συντριπτική εμπιστοσύνη ότι η περιοχή του ορίζοντα έχει αυξηθεί μετά τη συγχώνευση και ότι ο νόμος της περιοχής είναι ικανοποιημένος με μια πολύ υψηλή πιθανότητα», λέει ο Issy. «Ήταν ανακούφιση που το αποτέλεσμα μας συμφώνησε με το μοντέλο που περιμένουμε και επιβεβαιώνει την κατανόησή μας για αυτές τις πολύπλοκες συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών».

Η ομάδα σχεδιάζει να διεξαγάγει περαιτέρω δοκιμές της θεωρίας της περιοχής του Χόκινγκ και άλλων μακροχρόνιων θεωριών της μηχανικής της μαύρης τρύπας, χρησιμοποιώντας δεδομένα από την LIGO και την Παρθένο, ομόλογό της στην Ιταλία.

«Είναι ενθαρρυντικό να μπορούμε να σκεφτόμαστε με νέους και καινοτόμους τρόπους σχετικά με τα δεδομένα βαρυτικών κυμάτων και να βρούμε ερωτήσεις που νομίζαμε ότι δεν μπορούσαμε πριν», λέει ο Issy. «Μπορούμε να συνεχίσουμε να εξάγουμε κομμάτια πληροφοριών που μιλούν απευθείας στα υποστρώματα του αυτό που πιστεύουμε ότι καταλαβαίνουμε. Μια μέρα, αυτά τα δεδομένα μπορεί να αποκαλύψουν κάτι που δεν περιμέναμε. “

Αναφορά: «Δοκιμή νόμου για την περιοχή της Μαύρης τρύπας με χρήση του GW150914» των Maximiliano Essi, Will M. Farr, Matthew Geisler, Mark A. Shell και Saul A. Tukolsky, 1 Ιουλίου 2021 φυσικά μηνύματα αναθεώρησης.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.011103

Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε εν μέρει από τη NASA, το Ίδρυμα Simmons και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.