Pozorovací fyzici poprvé potvrzují Hawkingovu teorii černé díry

Existují pravidla, která musí dodržovat i ty nejextrémnější věci ve vesmíru. Ústřední zákon pro černé díry 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 objevují v zprávy o fyzické kontrole.

Ve studii se vědci podrobněji podívali na GW150914, první signál gravitační vlny detekovaný laserovou interferometrickou gravitační vlnovou observatoří (LIGO), v roce 2015. Signál byl produktem dvou inspirativních bitů černé díry To vytvořilo novou černou díru spolu s obrovským množstvím energie, která se vlnila časoprostorem jako gravitační vlny.

Pokud je teorie Hawkingovy oblasti správná, pak horizont Plocha nové černé díry by neměla být menší než celková plocha obzoru 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.

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 existují zoologické zahrady různých kompaktních objektů, a zatímco některé jsou černé díry podle Einsteinových a Hawkingových zákonů, jiné mohou být příšery,“ říká hlavní autor Maximiliano Essi, postdoktorský pracovník NASA v Einstein na MIT. Kavliho institut pro astrofyziku a vesmírný výzkum. „Takže to není tak, že jsem tento test absolvoval jednou a je po všem. Udělal jsem 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 vyzařující teplo – matoucí tvrzení, protože se věřilo, že černé díry od přírody 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. „Kód zóny shrnuje zlatý věk v 70. letech, kdy byly všechny tyto myšlenky vytvořeny.“

Hawking a další od té doby prokázali, že oblastní teorie funguje matematicky, ale nebylo možné ji srovnat s přírodou, dokud nebude LIGO První detekce gravitačních vln.

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 technologii pro extrakce ozvěny استخراج Ihned po vrcholu GW150914 – okamžik, 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 jejich celkovou plochu panoramatu – odhad zhruba rovný přibližně 235 000 kilometrům čtverečním, což je zhruba devětkrát větší než Massachusetts.

Poté použili svou dřívější techniku ​​k extrakci „prstence“ nebo odrazů nově vytvořené černé díry, přičemž vypočítali její hmotnost, rotaci a nakonec plochu jejího horizontu, kterou shledali 367 000 čtverečních kilometrů (asi 13 krát oblast 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 složitých fúzí černé díry.“

Tým plánuje provést další testování pro oblast Hawking teorie, a další staré teorie mechaniky černé díry, využívající data od LIGO a Panny, 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.“

Tento příběh je znovu publikován se svolením MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), populární stránka pokrývající novinky týkající se výzkumu, inovací a výuky na MIT.