Umělecký dojem dvou černých děr, které se chystají srazit a splynout.
Studie nabízí důkazy založené na gravitačních vlnách, které ukazují, že celková plocha horizontu událostí černé díry se nikdy nemůže zmenšit.
Existují určitá pravidla, která musí dodržovat i ty nejextrémnější objekty ve vesmíru. Centrální zákon pro černé díry předpovídá, že oblast jejich horizontů událostí – hranice, za kterou nikdy nic nemůže uniknout – by se nikdy neměla zmenšovat. Tento zákon je Hawkingův plošný teorém, pojmenovaný po fyzikovi Stephenu Hawkingovi, který teorém odvodil v roce 1971.
O padesát let později fyzici na MIT a jinde nyní poprvé potvrdili Hawkingovu oblastní teorém pomocí pozorování gravitačních vln. Jejich výsledky se objeví dnes (1. července 2021) v Fyzické revizní dopisy.
Ve studii se vědci blíže podívají na GW150914, první signál gravitačních vln detekovaný laserovým interferometrem Gravitational-Wave Observatory (LIGO) v roce 2015. Signál byl produktem dvou inspirujících se černých děr, které vytvořily novou černou díru. , spolu s obrovským množstvím energie, která se vlnila časoprostorem jako gravitační vlny.
Pokud platí Hawkingův plošný teorém, pak by plocha horizontu nové černé díry neměla být menší než celková plocha horizontu jejích mateřských černých děr. V nové studii fyzici znovu analyzovali signál z GW150914 před a po kosmické srážce a zjistili, že se skutečně celková plocha horizontu událostí po sloučení nezmenšila – což je výsledek, který uvádějí s 95procentní jistotou.
Fyzici z MIT a jinde poprvé použili gravitační vlny k pozorovacímu potvrzení Hawkingova teorému o oblasti černé díry. Tato počítačová simulace ukazuje srážku dvou černých děr, která vytvořila signál gravitační vlny, GW150914. Zápočet: Projekt Simulating eXtreme Spacetimes (SXS). Kredit: S laskavým svolením LIGO
Jejich zjištění znamenají první přímé pozorovací potvrzení Hawkingova plošného teorému, který byl matematicky prokázán, ale dosud nebyl v přírodě pozorován. Tým plánuje otestovat budoucí signály gravitačních vln, aby zjistil, zda by mohly dále potvrdit Hawkingův teorém nebo být znakem nové fyziky ohýbající zákony.
"Je možné, že existuje zoologická zahrada různých kompaktních objektů, a zatímco některé z nich jsou černé díry, které se řídí Einsteinovými a Hawkingovými zákony, jiné mohou být mírně odlišné bestie," říká hlavní autor Maximiliano Isi, postdoktorand NASA Einstein na MIT. Kavliho institut pro astrofyziku a výzkum vesmíru. "Takže to není tak, že uděláš tento test jednou a je po všem." Uděláš to jednou a je to začátek."
Isinými spoluautory článku jsou Will Farr ze Stony Brook University a Centra výpočetní astrofyziky Flatiron Institute, Matthew Giesler z Cornell University, Mark Scheel z Caltech a Saul Teukolsky z Cornell University and Caltech.
Věk vhledů
V roce 1971 Stephen Hawking navrhl oblastní teorém, který odstartoval řadu základních poznatků o mechanice černých děr. Věta předpovídá, že celková plocha horizontu událostí černé díry – a ostatně všech černých děr ve vesmíru – by se nikdy neměla zmenšovat. Toto prohlášení bylo zvláštní paralelou druhého zákona termodynamiky, který říká, že entropie nebo stupeň neuspořádanosti v objektu by se také nikdy neměl snižovat.
Podobnost mezi těmito dvěma teoriemi naznačovala, že černé díry by se mohly chovat jako termální objekty vyzařující teplo – což je matoucí tvrzení, protože se o černých dírách ze své podstaty předpokládalo, že nikdy nedovolí energii uniknout nebo vyzařovat. Hawking nakonec v roce 1974 srovnal tyto dvě myšlenky a ukázal, že černé díry by mohly mít entropii a emitovat záření ve velmi dlouhých časových intervalech, pokud by byly brány v úvahu jejich kvantové efekty. Tento jev byl nazván „Hawkingovo záření“ a zůstává jedním z nejzásadnějších objevů o černých dírách.
"Vše začalo tím, že si Hawking uvědomil, že celková plocha horizontu v černých dírách nikdy nemůže klesnout," říká Isi. "Zákon o oblasti zapouzdřuje zlatý věk 70. let, kdy byly všechny tyto poznatky vytvářeny."
Hawking a další od té doby ukázali, že oblastní teorém funguje matematicky, ale neexistoval způsob, jak jej porovnat s přírodou, dokud LIGO první detekce gravitačních vln.
Když se Hawking doslechl o výsledku, rychle kontaktoval spoluzakladatele LIGO Kipa Thorna, profesora Feynmanovy teoretické fyziky na Caltechu. Jeho otázka: Mohla by detekce potvrdit oblastní teorém?
V té době výzkumníci neměli možnost vybrat potřebné informace v signálu před a po sloučení, aby zjistili, zda se konečná plocha horizontu nezmenšila, jak by předpokládala Hawkingova věta. Až o několik let později a vývoj techniky Isiho a jeho kolegů bylo možné otestovat oblastní právo.
Před a po
V roce 2019 Isi a jeho kolegové vyvinuli techniku pro extrakci dozvuků bezprostředně po vrcholu GW150914 – v okamžiku, kdy se dvě mateřské černé díry srazily a vytvořily novou černou díru. Tým použil tuto techniku k výběru konkrétních frekvencí nebo tónů jinak hlučných následků, které by mohl použít k výpočtu hmotnosti a rotace konečné černé díry.
Hmotnost a rotace černé díry přímo souvisejí s oblastí jejího horizontu událostí a Thorne, vzpomněl si na Hawkingův dotaz, se k nim obrátil s následným dotazem: Mohli použít stejnou techniku k porovnání signálu před a po sloučení a potvrdit? oblastní věta?
Výzkumníci přijali výzvu a znovu rozdělili signál GW150914 na jeho vrcholu. Vyvinuli model pro analýzu signálu před vrcholem, který odpovídá dvěma inspirujícím černým dírám, a pro identifikaci hmotnosti a rotace obou černých děr před jejich sloučením. Z těchto odhadů vypočítali jejich celkové plochy v horizontu – odhad zhruba rovný asi 235,000 XNUMX kilometrům čtverečních, tedy zhruba devítinásobek plochy Massachusetts.
Poté použili svou předchozí techniku k extrakci „ringdownu“ neboli dozvuků nově vytvořené černé díry, z čehož vypočítali její hmotnost a rotaci a nakonec i oblast jejího horizontu, která se rovnala 367,000 13 čtverečních kilometrů (přibližně XNUMXkrát). oblast státu Bay).
"Údaje s naprostou jistotou ukazují, že plocha horizontu se po sloučení zvětšila a že zákon o ploše je s velmi vysokou pravděpodobností splněn," říká Isi. "Bylo úlevné, že náš výsledek souhlasí s paradigmatem, které očekáváme, a potvrzuje naše porozumění těmto komplikovaným sloučením černých děr."
Tým plánuje dále testovat Hawkingův plošný teorém a další dlouhodobé teorie mechaniky černých děr pomocí dat z LIGO a Virgo, jeho protějšku v Itálii.
„Je povzbudivé, že můžeme přemýšlet o datech gravitačních vln novými, kreativními způsoby a dosáhnout otázek, o kterých jsme si dříve mysleli, že je nezvládneme,“ říká Isi. „Můžeme neustále vytahovat kousky informací, které mluví přímo k pilířům toho, co si myslíme, že rozumíme. Jednoho dne mohou tato data odhalit něco, co jsme nečekali.“
Reference: „Testing the Black-Hole Area Law with GW150914“ od Maximiliano Isi, Will M. Farr, Matthew Giesler, Mark A. Scheel a Saul A. Teukolsky, 1. července 2021, Fyzické revizní dopisy.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.011103
Tento výzkum byl částečně podporován NASA, Simons Foundation a National Science Foundation.
