انطباع فنان عن ثقبين أسودين على وشك التصادم والاندماج.
تقدم الدراسة أدلة ، تستند إلى موجات الجاذبية ، لإظهار أن المساحة الإجمالية لأفق حدث الثقب الأسود لا يمكن أن تنخفض أبدًا.
هناك بعض القواعد التي يجب أن تتبعها حتى أكثر الأشياء تطرفاً في الكون. يتنبأ القانون المركزي للثقوب السوداء بأن منطقة آفاق الحدث الخاصة بها - وهي الحدود التي لا يمكن لأي شيء أن يفلت منها - يجب ألا تتقلص أبدًا. هذا القانون هو نظرية منطقة هوكينج ، التي سميت على اسم الفيزيائي ستيفن هوكينج ، الذي اشتق هذه النظرية في عام 1971.
بعد خمسين عامًا ، أكد علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأماكن أخرى نظرية منطقة هوكينج لأول مرة ، باستخدام ملاحظات موجات الجاذبية. تظهر نتائجهم اليوم (1 يوليو 2021) في استعراض للحروف البدنية.
في الدراسة ، ألقى الباحثون نظرة فاحصة على GW150914 ، أول إشارة موجة ثقالية تم اكتشافها بواسطة مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية (LIGO) ، في عام 2015. كانت الإشارة نتاج اثنين من الثقوب السوداء الملهمة التي ولدت ثقبًا أسود جديدًا ، جنبًا إلى جنب مع كمية هائلة من الطاقة التي تموجت عبر الزمكان على شكل موجات جاذبية.
إذا كانت نظرية منطقة هوكينغ صحيحة ، فيجب ألا تكون مساحة الأفق للثقب الأسود الجديد أصغر من مساحة الأفق الكلية للثقوب السوداء الأصلية. في الدراسة الجديدة ، أعاد الفيزيائيون تحليل الإشارة من GW150914 قبل وبعد الاصطدام الكوني ووجدوا أن مساحة أفق الحدث الإجمالية لم تنخفض بعد الاندماج - وهي النتيجة التي أبلغوا عنها بثقة 95٪.
استخدم الفيزيائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأماكن أخرى موجات الجاذبية لتأكيد نظرية منطقة الثقب الأسود في هوكينغ من خلال الملاحظة لأول مرة. تُظهر هذه المحاكاة الحاسوبية تصادم ثقبين أسودين أنتجا إشارة موجة الجاذبية GW150914. الائتمان: مشروع محاكاة الفضاء المتطرف (SXS). ائتمان: بإذن من LIGO
تمثل النتائج التي توصلوا إليها أول تأكيد رصد مباشر لنظرية منطقة هوكينج ، والتي تم إثباتها رياضيًا ولكن لم تتم ملاحظتها في الطبيعة حتى الآن. يخطط الفريق لاختبار إشارات موجات الجاذبية المستقبلية لمعرفة ما إذا كانت ستؤكد أكثر على نظرية هوكينج أو تكون علامة على فيزياء جديدة ملتوية للقانون.
يقول المؤلف الرئيسي ماكسيميليانو إيسي ، وهو زميل ما بعد الدكتوراة في ناسا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ماكسيميليانو إيسي ، "من الممكن أن تكون هناك حديقة حيوانات لأجسام مضغوطة مختلفة ، وبينما بعضها عبارة عن ثقوب سوداء تتبع قوانين أينشتاين وهوكينج ، قد يكون البعض الآخر وحوشًا مختلفة قليلاً". معهد كافلي للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء. "لذا ، ليس الأمر كما لو أجريت هذا الاختبار مرة واحدة وانتهى الأمر. أنت تفعل هذا مرة واحدة ، وهذه هي البداية. "
المؤلفون المشاركون لـ Isi في الورقة هم ويل فار من جامعة ستوني بروك ومركز فلاتيرون للفيزياء الفلكية الحاسوبية ، وماثيو جيزلر من جامعة كورنيل ، ومارك شيل من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، وساول تيوكولسكي من جامعة كورنيل ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.
عصر الرؤى
في عام 1971 ، اقترح ستيفن هوكينج نظرية المنطقة ، والتي أطلقت سلسلة من الرؤى الأساسية حول ميكانيكا الثقب الأسود. تتنبأ النظرية بأن المساحة الإجمالية لأفق الحدث للثقب الأسود - وجميع الثقوب السوداء في الكون ، بالنسبة لهذه المادة - يجب ألا تقل أبدًا. كان البيان بمثابة موازٍ غريب للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، والذي ينص على أن الانتروبيا ، أو درجة الاضطراب داخل الجسم ، يجب ألا تنخفض أبدًا.
اقترح التشابه بين النظريتين أن الثقوب السوداء يمكن أن تتصرف كجسم حراري ينبعث منها حرارة - وهو اقتراح مربك ، حيث كان يُعتقد أن الثقوب السوداء بطبيعتها لا تسمح أبدًا للهروب أو الإشعاع. في النهاية ، قام هوكينغ بتربيع الفكرتين في عام 1974 ، موضحًا أن الثقوب السوداء يمكن أن يكون لها إنتروبيا وتصدر إشعاعًا على مدى فترات زمنية طويلة جدًا إذا تم أخذ تأثيراتها الكمية في الاعتبار. أُطلق على هذه الظاهرة اسم "إشعاع هوكينغ" ولا تزال واحدة من أهم الاكتشافات الأساسية حول الثقوب السوداء.
يقول إيسي: "بدأ كل شيء بإدراك هوكينغ أن مساحة الأفق الكلية في الثقوب السوداء لا يمكن أن تنخفض أبدًا". "يجسد قانون المنطقة عصرًا ذهبيًا في السبعينيات حيث تم إنتاج كل هذه الأفكار."
أظهر هوكينج وآخرون منذ ذلك الحين أن نظرية المنطقة تعمل رياضيًا ، لكن لم تكن هناك طريقة للتحقق منها مقابل الطبيعة حتى LIGO الكشف الأول عن موجات الجاذبية.
عند سماعه بالنتيجة ، اتصل هوكينج سريعًا بمؤسس LIGO المشارك Kip Thorne ، أستاذ Feynman للفيزياء النظرية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. سؤاله: هل يمكن أن يؤكد الكشف نظرية المنطقة؟
في ذلك الوقت ، لم يكن لدى الباحثين القدرة على انتقاء المعلومات الضرورية داخل الإشارة ، قبل الدمج وبعده ، لتحديد ما إذا كانت منطقة الأفق النهائية لم تنخفض ، كما تفترض نظرية هوكينغ. لم يكن الأمر كذلك إلا بعد عدة سنوات ، وأصبح تطوير تقنية بواسطة Isi وزملائه ، عند اختبار قانون المنطقة أمرًا ممكنًا.
قبل وبعد
في عام 2019 ، طور Isi وزملاؤه تقنية لاستخراج الصدى مباشرة بعد ذروة GW150914 - اللحظة التي اصطدم فيها الثقبان الأسودان الأصليان لتكوين ثقب أسود جديد. استخدم الفريق هذه التقنية لاختيار ترددات معينة ، أو نغمات للآثار الصاخبة الأخرى ، والتي يمكنهم استخدامها لحساب الكتلة النهائية للثقب الأسود ودورانه.
ترتبط كتلة الثقب الأسود ودورانه ارتباطًا مباشرًا بمنطقة أفق الحدث الخاص به ، وقد اقترب ثورن منهم ، مستذكرًا استعلام هوكينج ، بمتابعة: هل يمكنهم استخدام نفس التقنية لمقارنة الإشارة قبل الاندماج وبعده ، والتأكيد نظرية المنطقة؟
قبل الباحثون التحدي ، وقاموا مرة أخرى بتقسيم إشارة GW150914 إلى ذروتها. لقد طوروا نموذجًا لتحليل الإشارة قبل الذروة ، والتي تتوافق مع الثقوب السوداء الملهمة ، ولتحديد كتلة ودوران كلا الثقوب السوداء قبل اندماجهما. من هذه التقديرات ، قاموا بحساب إجمالي مناطق الأفق - تقدير يساوي تقريبًا حوالي 235,000 كيلومتر مربع ، أو ما يقرب من تسعة أضعاف مساحة ماساتشوستس.
ثم استخدموا تقنيتهم السابقة لاستخراج "الحلقة" أو ارتدادات الثقب الأسود المتشكل حديثًا ، والتي حسبوا كتلته ودورانه ، وفي النهاية مساحة أفقه ، التي وجدوا أنها تعادل 367,000 كيلومتر مربع (حوالي 13 مرة منطقة Bay State).
يقول إيسي: "تُظهر البيانات بثقة ساحقة أن منطقة الأفق قد ازدادت بعد الاندماج ، وأن قانون المنطقة راضٍ عن احتمالية عالية جدًا". "كان من المريح أن نتيجتنا تتفق مع النموذج الذي نتوقعه ، وتؤكد فهمنا لعمليات اندماج الثقوب السوداء المعقدة هذه."
يخطط الفريق لإجراء مزيد من الاختبارات لنظرية منطقة هوكينج ، وغيرها من النظريات القديمة لميكانيكا الثقب الأسود ، باستخدام بيانات من LIGO و Virgo ، نظيرتها في إيطاليا.
يقول إيسي: "إنه لأمر مشجع أنه يمكننا التفكير بطرق جديدة ومبتكرة حول بيانات الموجات الثقالية ، والتوصل إلى أسئلة اعتقدنا أننا لم نتمكن من ذلك من قبل". "يمكننا أن نستمر في استخلاص أجزاء من المعلومات التي تتحدث مباشرة إلى ركائز ما نعتقد أننا نفهمه. في يوم من الأيام ، قد تكشف هذه البيانات شيئًا لم نتوقعه ".
المرجع: "اختبار قانون منطقة الثقب الأسود باستخدام GW150914" بقلم ماكسيميليانو إيسي وويل إم فار وماثيو جيزلر ومارك أ.شيل وساول إيه تيوكولسكي ، 1 يوليو 2021 ، استعراض للحروف البدنية.
دوى: 10.1103 / PhysRevLett.127.011103
تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل وكالة ناسا ومؤسسة سيمونز والمؤسسة الوطنية للعلوم.
