Künstlerische Darstellung zweier schwarzer Löcher, die kurz vor der Kollision stehen und sich verschmelzen.
Die Studie liefert auf der Grundlage von Gravitationswellen Beweise dafür, dass die Gesamtfläche des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs niemals abnehmen kann.
Es gibt bestimmte Regeln, die selbst die extremsten Objekte im Universum befolgen müssen. Ein zentrales Gesetz für Schwarze Löcher sagt voraus, dass der Bereich ihres Ereignishorizonts – die Grenze, über die nichts jemals entkommen kann – niemals schrumpfen sollte. Dieses Gesetz ist der Flächensatz von Hawking, benannt nach dem Physiker Stephen Hawking, der den Satz 1971 herstellte.
Fünfzig Jahre später haben Physiker am MIT und anderswo nun erstmals Hawkings Flächensatz durch Beobachtungen von Gravitationswellen bestätigt. Ihre Ergebnisse erscheinen heute (1. Juli 2021) in Physical Review Letters.
In der Studie nehmen die Forscher GW150914 genauer unter die Lupe, das erste Gravitationswellensignal, das 2015 vom Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) entdeckt wurde. Das Signal war das Produkt zweier inspirativer Schwarzer Löcher, die ein neues Schwarzes Loch erzeugten , zusammen mit einer riesigen Energiemenge, die als Gravitationswellen durch die Raumzeit strömte.
Wenn der Flächensatz von Hawking gilt, sollte die Horizontfläche des neuen Schwarzen Lochs nicht kleiner sein als die gesamte Horizontfläche seiner Eltern. In der neuen Studie analysierten die Physiker das Signal von GW150914 vor und nach der kosmischen Kollision und stellten fest, dass die gesamte Ereignishorizontfläche nach der Verschmelzung tatsächlich nicht abgenommen hat – ein Ergebnis, das sie mit 95-prozentiger Sicherheit berichten.
Physiker am MIT und anderswo haben Gravitationswellen verwendet, um Hawkings Flächensatz des Schwarzen Lochs zum ersten Mal durch Beobachtungen zu bestätigen. Diese Computersimulation zeigt die Kollision zweier Schwarzer Löcher, die das Gravitationswellensignal GW150914 erzeugten. Credit: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS)-Projekt. Kredit: Mit freundlicher Genehmigung von LIGO
Ihre Ergebnisse markieren die erste direkte Beobachtungsbestätigung des Hawkingschen Flächensatzes, der mathematisch bewiesen, aber bisher in der Natur noch nie beobachtet wurde. Das Team plant, zukünftige Gravitationswellensignale zu testen, um zu sehen, ob sie Hawkings Theorem weiter bestätigen oder ein Zeichen für eine neue, gesetzeswidrige Physik sind.
„Es ist möglich, dass es einen Zoo mit verschiedenen kompakten Objekten gibt, und während einige von ihnen die Schwarzen Löcher sind, die den Gesetzen von Einstein und Hawking folgen, können andere leicht unterschiedliche Tiere sein“, sagt Hauptautor Maximiliano Isi, NASA Einstein Postdoctoral Fellow am MIT Kavli-Institut für Astrophysik und Weltraumforschung. „Also, es ist nicht so, dass man diesen Test einmal macht und er ist vorbei. Das macht man einmal, und es ist der Anfang.“
Isis Co-Autoren an der Arbeit sind Will Farr von der Stony Brook University und dem Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute, Matthew Giesler von der Cornell University, Mark Scheel von Caltech und Saul Teukolsky von der Cornell University und dem Caltech.
Ein Zeitalter der Einsichten
1971 schlug Stephen Hawking das Gebietstheorem vor, das eine Reihe grundlegender Erkenntnisse über die Mechanik Schwarzer Löcher hervorbrachte. Das Theorem sagt voraus, dass die Gesamtfläche des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs – und übrigens aller Schwarzen Löcher im Universum – niemals abnehmen sollte. Die Aussage war eine merkwürdige Parallele zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass auch die Entropie oder der Grad der Unordnung innerhalb eines Objekts niemals abnehmen sollte.
Die Ähnlichkeit zwischen den beiden Theorien deutete darauf hin, dass sich Schwarze Löcher wie thermische, wärmeabgebende Objekte verhalten könnten – eine verwirrende Aussage, da Schwarze Löcher ihrer Natur nach niemals Energie entweichen oder abstrahlen ließen. Hawking quadrierte die beiden Ideen schließlich im Jahr 1974 und zeigte, dass Schwarze Löcher Entropie haben und über sehr lange Zeiträume Strahlung emittieren könnten, wenn ihre Quanteneffekte berücksichtigt würden. Dieses Phänomen wurde als „Hawking-Strahlung“ bezeichnet und bleibt eine der grundlegendsten Enthüllungen über Schwarze Löcher.
„Alles begann mit Hawkings Erkenntnis, dass der gesamte Horizontbereich in Schwarzen Löchern niemals untergehen kann“, sagt Isi. „Das Gebietsgesetz fasst ein goldenes Zeitalter in den 70er Jahren zusammen, in dem all diese Erkenntnisse gewonnen wurden.“
Hawking und andere haben seitdem gezeigt, dass der Flächensatz mathematisch funktioniert, aber es gab keine Möglichkeit, ihn mit der Natur zu vergleichen, bis LIGOs erster Nachweis von Gravitationswellen.
Als Hawking von dem Ergebnis hörte, kontaktierte er schnell den LIGO-Mitbegründer Kip Thorne, den Feynman-Professor für Theoretische Physik am Caltech. Seine Frage: Könnte die Detektion das Flächentheorem bestätigen?
Zu dieser Zeit waren die Forscher nicht in der Lage, die notwendigen Informationen innerhalb des Signals vor und nach der Verschmelzung herauszufiltern, um festzustellen, ob der endgültige Horizontbereich nicht kleiner wurde, wie es Hawkings Theorem annehmen würde. Erst einige Jahre später und die Entwicklung einer Technik durch Isi und seine Kollegen wurde die Prüfung des Gebietsgesetzes möglich.
Vorher und nachher
Im Jahr 2019 entwickelten Isi und seine Kollegen eine Technik, um den Nachhall unmittelbar nach dem Höhepunkt von GW150914 zu extrahieren – dem Moment, in dem die beiden übergeordneten Schwarzen Löcher kollidierten, um ein neues Schwarzes Loch zu bilden. Das Team verwendete die Technik, um bestimmte Frequenzen oder Töne der ansonsten lauten Nachwirkungen herauszusuchen, die sie verwenden konnten, um die Masse und den Spin des endgültigen Schwarzen Lochs zu berechnen.
Die Masse und der Spin eines Schwarzen Lochs stehen in direktem Zusammenhang mit der Fläche seines Ereignishorizonts, und Thorne erinnerte sich an Hawkings Frage und näherte sich ihnen mit einem Follow-up: Könnten sie die gleiche Technik verwenden, um das Signal vor und nach der Verschmelzung zu vergleichen und zu bestätigen? der Flächensatz?
Die Forscher nahmen die Herausforderung an und teilten das GW150914-Signal auf seinem Höhepunkt erneut. Sie entwickelten ein Modell, um das Signal vor dem Peak zu analysieren, das den beiden inspiralierenden Schwarzen Löchern entspricht, und um die Masse und den Spin beider Schwarzer Löcher vor ihrer Verschmelzung zu identifizieren. Aus diesen Schätzungen berechneten sie ihre gesamten Horizontflächen – eine Schätzung, die ungefähr 235,000 Quadratkilometern oder ungefähr dem Neunfachen der Fläche von Massachusetts entspricht.
Dann nutzten sie ihre vorherige Technik, um den „Ringdown“ oder den Nachhall des neu gebildeten Schwarzen Lochs zu extrahieren, aus dem sie seine Masse und seinen Spin und schließlich seine Horizontfläche berechneten, die 367,000 Quadratkilometern (ungefähr 13 Mal) entspricht das Gebiet des Bay State).
„Die Daten zeigen mit überwältigender Zuversicht, dass die Horizontfläche nach der Fusion zugenommen hat und das Flächengesetz mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit erfüllt ist“, sagt Isi. „Es war eine Erleichterung, dass unser Ergebnis mit dem von uns erwarteten Paradigma übereinstimmt und unser Verständnis dieser komplizierten Verschmelzungen schwarzer Löcher bestätigt.“
Das Team plant, Hawkings Flächensatz und andere langjährige Theorien der Mechanik Schwarzer Löcher mit Daten von LIGO und Virgo, seinem Gegenstück in Italien, weiter zu testen.
„Es ist ermutigend, dass wir auf neue, kreative Weise über Gravitationswellendaten nachdenken und Fragen stellen können, von denen wir dachten, dass wir sie vorher nicht konnten“, sagt Isi. „Wir können immer wieder Informationen herauskitzeln, die direkt zu den Säulen dessen sprechen, was wir zu verstehen glauben. Eines Tages könnten diese Daten etwas enthüllen, mit dem wir nicht gerechnet hatten.“
Referenz: „Testing the Black-Hole Area Law with GW150914“ von Maximiliano Isi, Will M. Farr, Matthew Giesler, Mark A. Scheel und Saul A. Teukolsky, 1. Juli 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.011103
Diese Forschung wurde teilweise von der NASA, der Simons Foundation und der National Science Foundation unterstützt.
