Враження художника про дві чорні діри, які збираються зіткнутися та злитися.
Дослідження пропонує докази, засновані на гравітаційних хвилях, які показують, що загальна площа горизонту подій чорної діри ніколи не може зменшитися.
Існують певні правила, яким повинні підкорятися навіть найекстремальніші об’єкти у Всесвіті. Центральний закон для чорних дір передбачає, що площа їхнього горизонту подій — межі, за яку ніщо не може вийти — ніколи не повинна зменшуватися. Цей закон є теоремою площі Хокінга, названою на честь фізика Стівена Хокінга, який вивів цю теорему в 1971 році.
П’ятдесят років потому фізики з Массачусетського технологічного інституту та інших країн вперше підтвердили теорему площі Хокінга, використовуючи спостереження гравітаційних хвиль. Їхні результати з’являються сьогодні (1 липня 2021 р.) у Physical Review Letters,.
У дослідженні дослідники придивляються ближче до GW150914, першого сигналу гравітаційної хвилі, виявленого Лазерною інтерферометричною гравітаційно-хвильовою обсерваторією (LIGO) у 2015 році. Сигнал був продуктом двох надихаючих чорних дір, які породили нову чорну діру. поряд з величезною кількістю енергії, яка брижі через простір-час у вигляді гравітаційних хвиль.
Якщо теорема про площу Хокінга справедлива, то площа горизонту нової чорної діри не повинна бути меншою за загальну площу горизонту її батьківських чорних дір. У новому дослідженні фізики повторно проаналізували сигнал від GW150914 до та після космічного зіткнення та виявили, що справді загальна площа горизонту подій не зменшилася після злиття — результат, який вони повідомляють із 95-відсотковою впевненістю.
Фізики з Массачусетського технологічного інституту та інших країн уперше використали гравітаційні хвилі, щоб спостережливо підтвердити теорему Гокінга про площу чорної діри. Ця комп’ютерна симуляція показує зіткнення двох чорних дір, які породили сигнал гравітаційної хвилі GW150914. Авторство: проект Simulating eXtreme Spacetimes (SXS). Авторство: надано LIGO
Їхні висновки є першим прямим підтвердженням теореми Хокінга про площу, яка була доведена математично, але ніколи не спостерігалася в природі досі. Команда планує перевірити майбутні сигнали гравітаційних хвиль, щоб побачити, чи можуть вони додатково підтвердити теорему Хокінга чи бути ознакою нової законодавчої фізики.
«Цілком можливо, що існує зоопарк різних компактних об’єктів, і хоча деякі з них є чорними дірами, які відповідають законам Ейнштейна та Гокінга, інші можуть бути дещо іншими звірами», — говорить провідний автор Максиміліано Ісі, науковий співробітник NASA Ейнштейна в Массачусетському технологічному інституті. Інститут астрофізики та космічних досліджень імені Кавлі. «Отже, це не те, що ви зробили цей тест один раз і він закінчився. Ви робите це один раз, і це початок».
Співавторами статті Ісі є Вілл Фарр з Університету Стоуні Брук і Центру обчислювальної астрофізики Інституту Флетайрона, Метью Гіслер з Корнельського університету, Марк Шіл з Каліфорнійського технологічного інституту та Сол Теукольскі з Корнельського університету та Каліфорнійського технологічного інституту.
Вік інсайтів
У 1971 році Стівен Гокінг запропонував теорему про площу, яка поклала початок серії фундаментальних ідей про механіку чорних дір. Теорема передбачає, що загальна площа горизонту подій чорної діри — і, якщо на те пішло, усіх чорних дір у Всесвіті — ніколи не повинна зменшуватися. Це твердження було цікавою паралеллю з другим законом термодинаміки, який стверджує, що ентропія, або ступінь безладу в об’єкті, також ніколи не повинна зменшуватися.
Подібність між цими двома теоріями припускає, що чорні діри можуть поводитися як теплові об’єкти, що випромінюють тепло — теза, яка вводить в оману, оскільки вважалося, що за своєю природою чорні діри ніколи не пропускають енергію або не випромінюють. Зрештою, у 1974 році Гокінг підвів ці дві ідеї у квадрат, показавши, що чорні діри можуть мати ентропію та випромінювати випромінювання протягом дуже довгих часових масштабів, якщо врахувати їхні квантові ефекти. Це явище було названо «випромінюванням Хокінга» і залишається одним із найбільш фундаментальних відкриттів про чорні діри.
«Все почалося з того, що Гокінг усвідомив, що загальна площа горизонту в чорних дірах ніколи не може зменшитися», — каже Ізі. «Закон про територію втілює в собі золотий вік 70-х років, коли були створені всі ці ідеї».
Хокінг та інші з тих пір показали, що теорема про площу працює математично, але не було жодного способу перевірити її проти природи до LIGO. перше виявлення гравітаційних хвиль.
Гокінг, почувши про результат, швидко зв’язався зі співзасновником LIGO Кіпом Торном, професором Фейнмана теоретичної фізики в Каліфорнійському технологічному інституті. Його запитання: чи може виявлення підтвердити теорему про площу?
У той час дослідники не мали можливості виділити необхідну інформацію в межах сигналу до і після злиття, щоб визначити, чи не зменшилася остаточна площа горизонту, як припускала б теорема Хокінга. Це відбулося лише через кілька років, коли Ісі та його колеги розробили методику, коли тестування закону про площу стало можливим.
До і після
У 2019 році Ісі та його колеги розробили техніку для виділення реверберації відразу після піку GW150914 — моменту, коли дві батьківські чорні діри зіткнулися, утворивши нову чорну діру. Команда використовувала цю техніку, щоб вибрати конкретні частоти або тони шумових наслідків, які вони могли використовувати для розрахунку остаточної маси та обертання чорної діри.
Маса та обертання чорної діри безпосередньо пов’язані з площею її горизонту подій, і Торн, згадавши запит Хокінга, звернувся до них із наступним запитанням: чи можуть вони використати ту саму техніку, щоб порівняти сигнал до та після злиття та підтвердити теорема площі?
Дослідники взялися за виклик і знову розділили сигнал GW150914 на його піку. Вони розробили модель для аналізу сигналу перед піком, що відповідає двом надихаючим чорним дірам, і для визначення маси та обертання обох чорних дір до їх злиття. На основі цих оцінок вони обчислили загальну площу горизонту — приблизно дорівнює приблизно 235,000 XNUMX квадратних кілометрів, або приблизно в дев’ять разів більше площі Массачусетсу.
Потім вони використали свою попередню техніку, щоб витягти «ringdown», або реверберацію новоутвореної чорної діри, за якою вони обчислили її масу та обертання, а в кінцевому підсумку її площу горизонту, яку вони виявили, еквівалентну 367,000 13 квадратним кілометрам (приблизно в XNUMX разів більше, ніж район штату Бей).
«Дані з великою впевненістю показують, що площа горизонту збільшилася після злиття, і що закон площі задовольняється з дуже високою ймовірністю», — каже Ісі. «Це було полегшенням, що наш результат узгоджується з парадигмою, яку ми очікуємо, і підтверджує наше розуміння цих складних злиттів чорних дір».
Команда планує продовжити перевірку теореми площі Хокінга та інших давніх теорій механіки чорних дір, використовуючи дані LIGO та Virgo, її аналога в Італії.
«Це обнадійливо, що ми можемо по-новому творчо думати про дані гравітаційних хвиль і досягати питань, які, як ми думали, раніше не могли», — каже Ісі. «Ми можемо продовжувати дражнити фрагменти інформації, які прямо говорять про основи того, що ми думаємо, що розуміємо. Одного разу ці дані можуть виявити те, чого ми не очікували».
Довідка: «Тестування закону площі чорної діри за допомогою GW150914» Максиміліано Ісі, Вілла М. Фарра, Метью Гіслера, Марка А. Шеля та Саула А. Теукольського, 1 липня 2021 р., Physical Review Letters,.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.011103
Це дослідження було частково підтримано НАСА, Фондом Саймонса та Національним науковим фондом.
