'n Kunstenaarsindruk van twee swart gate wat besig is om te bots en saam te smelt.
Studie bied bewyse, gebaseer op gravitasiegolwe, om te wys dat die totale oppervlakte van 'n swart gat se gebeurtenishorison nooit kan afneem nie.
Daar is sekere reëls wat selfs die mees ekstreme voorwerpe in die heelal moet gehoorsaam. 'n Sentrale wet vir swart gate voorspel dat die area van hul gebeurtenishorisonne - die grens waarbuite niks ooit kan ontsnap nie - nooit moet krimp nie. Hierdie wet is Hawking se oppervlaktestelling, vernoem na fisikus Stephen Hawking, wat die stelling in 1971 afgelei het.
Vyftig jaar later het fisici by MIT en elders nou vir die eerste keer Hawking se oppervlaktestelling bevestig deur waarnemings van gravitasiegolwe te gebruik. Hul resultate verskyn vandag (1 Julie 2021) in Physical Review Letters.
In die studie kyk die navorsers van naderby na GW150914, die eerste gravitasiegolfsein wat deur die Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) opgespoor is in 2015. Die sein was 'n produk van twee inspirerende swart gate wat 'n nuwe swart gat gegenereer het , saam met 'n groot hoeveelheid energie wat as gravitasiegolwe oor ruimte-tyd gegolf het.
As Hawking se oppervlaktestelling geld, moet die horisonoppervlakte van die nuwe swart gat nie kleiner wees as die totale horisonoppervlakte van sy ouer swart gate nie. In die nuwe studie het die fisici die sein van GW150914 voor en na die kosmiese botsing herontleed en gevind dat die totale gebeurtenishorisongebied inderdaad nie afgeneem het na die samesmelting nie - 'n resultaat wat hulle met 95 persent vertroue rapporteer.
Fisici by MIT en elders het gravitasiegolwe gebruik om Hawking se swartgat-areastelling vir die eerste keer waarneming te bevestig. Hierdie rekenaarsimulasie toon die botsing van twee swart gate wat die gravitasiegolfsein, GW150914, voortgebring het. Krediet: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS)-projek. Krediet: Met vergunning van LIGO
Hul bevindinge dui op die eerste direkte waarnemingsbevestiging van Hawking se oppervlaktestelling, wat wiskundig bewys is, maar tot nou toe nog nooit in die natuur waargeneem is nie. Die span beplan om toekomstige gravitasiegolfseine te toets om te sien of hulle Hawking se stelling verder kan bevestig of 'n teken kan wees van nuwe, wet-buigende fisika.
"Dit is moontlik dat daar 'n dieretuin van verskillende kompakte voorwerpe is, en hoewel sommige van hulle die swart gate is wat Einstein en Hawking se wette volg, kan ander effens verskillende diere wees," sê hoofskrywer Maximiliano Isi, 'n NASA Einstein Postdoktorale Genoot in MIT se Kavli-instituut vir astrofisika en ruimtenavorsing. “So, dit is nie asof jy hierdie toets een keer doen en dit is verby nie. Jy doen dit een keer, en dit is die begin.”
Isi se mede-outeurs op die referaat is Will Farr van Stony Brook Universiteit en die Flatiron Institute se Sentrum vir Computational Astrophysics, Matthew Giesler van Cornell Universiteit, Mark Scheel van Caltech, en Saul Teukolsky van Cornell Universiteit en Caltech.
'n Tydperk van insigte
In 1971 het Stephen Hawking die areastelling voorgestel, wat 'n reeks fundamentele insigte oor swartgatmeganika laat ontstaan. Die stelling voorspel dat die totale oppervlakte van 'n swart gat se gebeurtenishorison - en alle swart gate in die heelal, vir die saak - nooit sal afneem nie. Die stelling was 'n eienaardige parallel van die tweede wet van termodinamika, wat bepaal dat die entropie, of graad van wanorde binne 'n voorwerp, ook nooit moet afneem nie.
Die ooreenkoms tussen die twee teorieë het voorgestel dat swart gate as termiese, hitte-uitstralende voorwerpe kan optree - 'n verwarrende voorstel, aangesien swart gate uit hul aard gedink is om nooit energie te laat ontsnap of uit te straal nie. Hawking het uiteindelik die twee idees in 1974 gekwadraat, wat gewys het dat swart gate entropie kan hê en straling oor baie lang tydskale kan uitstraal as hul kwantum-effekte in ag geneem word. Hierdie verskynsel is "Hawking radiation" gedoop en bly een van die mees fundamentele onthullings oor swart gate.
“Dit het alles begin met Hawking se besef dat die totale horisongebied in swart gate nooit kan daal nie,” sê Isi. "Die gebiedswet bevat 'n goue era in die 70's waar al hierdie insigte voortgebring is."
Hawking en ander het sedertdien getoon dat die oppervlaktestelling wiskundig uitwerk, maar daar was geen manier om dit teen die natuur te kontroleer tot LIGO's eerste opsporing van gravitasiegolwe.
Hawking het, toe hy van die uitslag gehoor het, vinnig gekontak LIGO medestigter Kip Thorne, die Feynman Professor in Teoretiese Fisika by Caltech. Sy vraag: Kon die opsporing die oppervlaktestelling bevestig?
Navorsers het destyds nie die vermoë gehad om die nodige inligting binne die sein te kies, voor en ná die samesmelting, om te bepaal of die finale horisongebied nie afgeneem het nie, soos Hawking se stelling sou aanneem. Dit was eers 'n paar jaar later, en die ontwikkeling van 'n tegniek deur Isi en sy kollegas, toe die gebiedswet getoets word, het haalbaar geword.
Voor en na
In 2019 het Isi en sy kollegas 'n tegniek ontwikkel om die weerkaatsing onmiddellik na GW150914 se hoogtepunt te onttrek - die oomblik toe die twee ouer swart gate gebots het om 'n nuwe swart gat te vorm. Die span het die tegniek gebruik om spesifieke frekwensies, of tone van die andersins raserige nasleep, uit te kies wat hulle kon gebruik om die finale swart gat se massa en spin te bereken.
'n Swart gat se massa en spin is direk verwant aan die area van sy gebeurtenishorison, en Thorne, wat Hawking se navraag onthou, het hulle genader met 'n opvolg: Kan hulle dieselfde tegniek gebruik om die sein voor en na die samesmelting te vergelyk, en bevestig die oppervlaktestelling?
Die navorsers het die uitdaging aangepak en weer die GW150914-sein op sy hoogtepunt verdeel. Hulle het 'n model ontwikkel om die sein voor die piek te ontleed, wat ooreenstem met die twee inspirerende swart gate, en om die massa en spin van beide swart gate te identifiseer voordat hulle saamgesmelt het. Uit hierdie skattings het hulle hul totale horisongebiede bereken - 'n skatting wat ongeveer gelyk is aan ongeveer 235,000 XNUMX vierkante kilometer, of ongeveer nege keer die oppervlakte van Massachusetts.
Hulle het toe hul vorige tegniek gebruik om die "ringdown", of weerklankings van die nuutgevormde swart gat te onttrek, waaruit hulle die massa en spin bereken het, en uiteindelik sy horisonoppervlak, wat hulle gevind het gelykstaande was aan 367,000 13 vierkante kilometer (ongeveer XNUMX keer) die Bay State se gebied).
"Die data toon met oorweldigende vertroue dat die horisongebied na die samesmelting toegeneem het, en dat die gebiedswet met baie hoë waarskynlikheid tevrede is," sê Isi. "Dit was 'n verligting dat ons resultaat wel ooreenstem met die paradigma wat ons verwag, en bevestig ons begrip van hierdie ingewikkelde swartgat samesmeltings."
Die span beplan om Hawking se areastelling en ander jarelange teorieë van swartgatmeganika verder te toets, met behulp van data van LIGO en Virgo, sy eweknie in Italië.
"Dit is bemoedigend dat ons op nuwe, kreatiewe maniere oor gravitasiegolfdata kan dink, en vrae kan bereik wat ons voorheen gedink het ons nie kon nie," sê Isi. “Ons kan aanhou om stukkies inligting uit te terg wat direk spreek tot die pilare van wat ons dink ons verstaan. Eendag kan hierdie data iets openbaar wat ons nie verwag het nie.”
Verwysing: “Testing the Black-Hole Area Law with GW150914” deur Maximiliano Isi, Will M. Farr, Matthew Giesler, Mark A. Scheel en Saul A. Teukolsky, 1 Julie 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.011103
Hierdie navorsing is gedeeltelik ondersteun deur NASA, die Simons-stigting en die Nasionale Wetenskapstigting.
