Egy művész benyomása két fekete lyukról, amelyek hamarosan összeütköznek és egyesülnek.
A tanulmány a gravitációs hullámokon alapuló bizonyítékot kínál arra, hogy a fekete lyuk eseményhorizontjának teljes területe soha nem csökkenhet.
Vannak bizonyos szabályok, amelyeket az univerzum legszélsőségesebb tárgyainak is be kell tartaniuk. A fekete lyukakra vonatkozó központi törvény azt jósolja, hogy az eseményhorizontjuk területe – az a határ, amelyen túl soha semmi sem menekülhet – soha nem csökkenhet. Ez a törvény a Hawking-féle területtétel, amelyet Stephen Hawking fizikusról neveztek el, aki 1971-ben vezette le a tételt.
Ötven évvel később az MIT és máshol dolgozó fizikusok most először erősítették meg Hawking területtételét a gravitációs hullámok megfigyelésével. Eredményeik ma (1. július 2021-én) jelennek meg Fizikai áttekintés betűk.
A tanulmányban a kutatók közelebbről megvizsgálják a GW150914 jelet, az első gravitációs hullámjelet, amelyet a Lézer Interferométer Gravitációs Hullám Obszervatórium (LIGO) észlelt 2015-ben. A jel két inspiráló fekete lyuk terméke volt, amelyek egy új fekete lyukat generáltak. , valamint hatalmas mennyiségű energia, amely gravitációs hullámokként hullámzott a téridőn keresztül.
Ha a Hawking-féle területtétel igaz, akkor az új fekete lyuk horizontterülete nem lehet kisebb, mint a szülő fekete lyukak teljes horizontterülete. Az új tanulmányban a fizikusok újraelemezték a GW150914 jelét a kozmikus ütközés előtt és után, és megállapították, hogy a teljes eseményhorizont területe valóban nem csökkent az egyesülés után – ez az eredmény, amelyről 95 százalékos biztonsággal számolnak be.
Az MIT és máshol dolgozó fizikusok először alkalmaztak gravitációs hullámokat Hawking fekete lyuk terület-tételének megfigyelési megerősítésére. Ez a számítógépes szimuláció két fekete lyuk ütközését mutatja be, amelyek a gravitációs hullám jelét (GW150914) hozták létre. Kredit: eXtreme Spacetimes (SXS) projekt szimulálása. Köszönet: a LIGO jóvoltából
Eredményeik az első közvetlen megfigyelési megerősítést jelentik a Hawking-féle területtételnek, amelyet matematikailag bizonyítottak, de a természetben eddig soha nem figyeltek meg. A csapat a jövőbeni gravitációs hullámjelek tesztelését tervezi, hogy kiderüljön, vajon tovább erősítik-e Hawking tételét, vagy új, törvényhajlító fizika jelei lehetnek.
"Lehetséges, hogy van egy állatkert különböző kompakt objektumokból, és bár ezek egy része fekete lyuk, amely Einstein és Hawking törvényeit követi, mások kissé eltérő vadállatok" - mondja Maximiliano Isi, a vezető szerző, a NASA Einstein posztdoktori ösztöndíjasa, az MIT. Kavli Asztrofizikai és Űrkutatási Intézet. „Szóval nem úgy van, hogy egyszer megcsinálod ezt a tesztet, és vége. Ezt egyszer megcsinálod, és ez a kezdet.”
Isi társszerzői a tanulmányban: Will Farr, a Stony Brook Egyetem és a Flatiron Intézet Számítógépes Asztrofizikai Központja, Matthew Giesler a Cornell Egyetemtől, Mark Scheel a Caltechtől, valamint Saul Teukolsky, a Cornell Egyetemtől és a Caltechtől.
A meglátások kora
1971-ben Stephen Hawking javasolta a területtételt, amely egy sor alapvető felismerést adott a fekete lyukak mechanikájáról. A tétel azt jósolja, hogy a fekete lyuk eseményhorizontjának teljes területe – és az univerzumban található összes fekete lyuk – soha nem csökkenhet. Ez a kijelentés a termodinamika második főtételének furcsa párhuzama volt, amely kimondja, hogy az entrópiának vagy a tárgyon belüli rendezetlenség mértékének szintén soha nem szabad csökkennie.
A két elmélet közötti hasonlóság azt sugallta, hogy a fekete lyukak termikus, hőt kibocsátó objektumként viselkedhetnek – ez zavaró feltevés, mivel a fekete lyukakról természetüknél fogva úgy gondolták, hogy soha nem engedik az energiát kiszökni vagy kisugározni. Hawking végül 1974-ben összhangba hozta a két elképzelést, megmutatva, hogy a fekete lyukak entrópiájával rendelkezhetnek, és nagyon hosszú időn keresztül bocsáthatnak ki sugárzást, ha figyelembe vesszük kvantumhatásaikat. Ezt a jelenséget „Hawking-sugárzásnak” nevezték el, és továbbra is az egyik legalapvetőbb felfedezés a fekete lyukakkal kapcsolatban.
„Az egész azzal kezdődött, hogy Hawking felismerte, hogy a fekete lyukak teljes horizontja soha nem csökkenhet” – mondja Isi. "A területi törvény a 70-es évek aranykorát foglalja magában, amikor mindezen felismerések születtek."
Hawking és mások azóta megmutatták, hogy a területtétel matematikailag működik, de a LIGO-ig nem volt mód a természettel való összehasonlításra. a gravitációs hullámok első észlelése.
Hawking az eredmény hallatán gyorsan felvette a kapcsolatot a LIGO társalapítójával, Kip Thorne-nal, a Caltech elméleti fizika Feynman professzorával. Kérdése: Megerősítheti-e a detektálás a területtételt?
Abban az időben a kutatók nem tudták kiválasztani a szükséges információkat a jelből az egyesülés előtt és után, hogy megállapítsák, nem csökken-e a végső horizont területe, ahogy azt Hawking tétele feltételezi. Csak néhány évvel később, és Isi és munkatársai egy technikát fejlesztettek ki, amikor a területtörvény tesztelése megvalósíthatóvá vált.
Előtt és után
2019-ben Isi és kollégái kifejlesztettek egy technikát a visszhangok kivonására közvetlenül a GW150914 csúcsa után – amikor a két szülő fekete lyuk összeütközött egy új fekete lyukkal. A csapat ezzel a technikával kiválasztott bizonyos frekvenciákat vagy az egyébként zajos utóhatás hangjait, amelyek segítségével kiszámíthatták a végső fekete lyuk tömegét és spinjét.
A fekete lyuk tömege és spinje közvetlenül összefügg az eseményhorizont területével, és Thorne, felidézve Hawking kérdését, egy nyomon követéssel fordult hozzájuk: Használhatják-e ugyanazt a technikát az egyesülés előtti és utáni jel összehasonlítására, és megerősítik. a terület tétel?
A kutatók vállalták a kihívást, és ismét felosztották a GW150914 jelet a csúcson. Kidolgoztak egy modellt a csúcs előtti jel elemzésére, amely megfelel a két inspiráló fekete lyuknak, és azonosítja mindkét fekete lyuk tömegét és spinjét, mielőtt egyesülnének. Ezekből a becslésekből kiszámolták teljes horizontjuk területét – ez a becslés nagyjából 235,000 XNUMX négyzetkilométernek felel meg, vagyis Massachusetts területének nagyjából kilencszerese.
Ezután korábbi technikájukkal kinyerték az újonnan kialakult fekete lyuk „csengését” vagy visszhangját, amiből kiszámították a tömegét és spinjét, és végül a horizont területét, amely 367,000 13 négyzetkilométernek felel meg (körülbelül XNUMX-szor). Bay State területe).
„Az adatok elsöprő bizalommal mutatják, hogy a horizont területe az egyesülés után megnőtt, és a területtörvény nagyon nagy valószínűséggel teljesül” – mondja Isi. „Megkönnyebbülés volt, hogy eredményenk megegyezik az általunk várt paradigmával, és megerősíti, hogy megértjük ezeket a bonyolult fekete lyukak egyesüléseit.”
A csapat azt tervezi, hogy tovább teszteli a Hawking-féle területtételt és a fekete lyukak mechanikájának más régóta fennálló elméleteit, felhasználva a LIGO és a Virgo, olaszországi megfelelője adatait.
„Bíztató, hogy új, kreatív módon gondolkodhatunk a gravitációs hullámadatokról, és olyan kérdéseket is elérhetünk, amelyekről korábban azt hittük, hogy nem” – mondja Isi. „Folyamatosan ugrathatjuk ki azokat az információkat, amelyek közvetlenül a pilléreihez szólnak annak, amit úgy gondolunk, hogy megértünk. Egy napon ezek az adatok feltárhatnak valamit, amire nem számítottunk.”
Hivatkozás: Maximiliano Isi, Will M. Farr, Matthew Giesler, Mark A. Scheel és Saul A. Teukolsky „Testing the Black-Hole Area Law with GW150914”, 1. július 2021., Fizikai áttekintés betűk.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.011103
Ezt a kutatást részben a NASA, a Simons Foundation és a National Science Foundation támogatta.
