艺术家对两个即将碰撞和合并的黑洞的印象。
研究提供了基于引力波的证据，表明黑洞视界的总面积永远不会减少。
即使是宇宙中最极端的物体也必须遵守某些规则。 黑洞的一条中心定律预测，它们的视界区域——任何东西都无法逃脱的边界——永远不会缩小。 这个定律就是霍金的面积定理，以物理学家斯蒂芬霍金命名，他在 1971 年推导出了这个定理。
五十年后，麻省理工学院和其他地方的物理学家现在通过对引力波的观测首次证实了霍金的面积定理。 他们的结果于今天（1 年 2021 月 XNUMX 日）在 “物理评论快报”.
在这项研究中，研究人员仔细研究了 GW150914，这是 2015 年激光干涉引力波天文台 (LIGO) 探测到的第一个引力波信号。该信号是两个激发黑洞产生的新黑洞的产物。 ，以及以引力波的形式在时空中荡漾的大量能量。
如果霍金面积定理成立，那么新黑洞的视界面积不应小于其母黑洞的总视界面积。 在这项新研究中，物理学家重新分析了宇宙碰撞前后来自 GW150914 的信号，发现确实，在合并后，事件视界的总面积并没有减少——他们报告的结果有 95% 的置信度。
麻省理工学院和其他地方的物理学家首次利用引力波观测证实了霍金的黑洞面积定理。 该计算机模拟显示了产生引力波信号 GW150914 的两个黑洞的碰撞。 学分：模拟极限时空 (SXS) 项目。 信用：由 LIGO 提供
他们的发现标志着霍金面积定理的首次直接观测证实，该定理已在数学上得到证明，但直到现在才在自然界中观察到。 该团队计划测试未来的引力波信号，看看它们是否可以进一步证实霍金定理或成为新的、违反规律的物理学的标志。
“有可能存在一个由不同紧凑物体组成的动物园，其中一些是遵循爱因斯坦和霍金定律的黑洞，而另一些可能是稍微不同的野兽，”主要作者、麻省理工学院的美国宇航局爱因斯坦博士后研究员马克西米利亚诺伊西说Kavli 天体物理和空间研究所。 “所以，也不是说你做一次这个测试就结束了。 你这样做一次，这就是开始。”
Isi 的论文合著者是石溪大学和熨斗研究所计算天体物理中心的 Will Farr、康奈尔大学的 Matthew Giesler、加州理工学院的 Mark Scheel 以及康奈尔大学和加州理工学院的 Saul Teukolsky。
洞察力的时代
1971年，斯蒂芬霍金提出面积定理，引发了一系列关于黑洞力学的基本见解。 该定理预测，黑洞视界的总面积——以及宇宙中的所有黑洞，就此而言——永远不会减少。 该声明与热力学第二定律奇怪地平行，该定律指出物体内的熵或无序程度也不应该减少。
这两种理论之间的相似性表明，黑洞可以表现为热的、发热的物体——这是一个令人困惑的命题，因为黑洞就其本质而言被认为永远不会让能量逸出或辐射。 霍金最终在 1974 年证明了这两个想法，表明如果考虑到它们的量子效应，黑洞可能具有熵并在很长的时间尺度上发射辐射。 这种现象被称为“霍金辐射”，并且仍然是关于黑洞最基本的发现之一。
“这一切都始于霍金意识到黑洞的总视界面积永远不会下降，”伊西说。 “面积法概括了 70 年代的黄金时代，所有这些见解都在此产生。”
霍金和其他人后来证明面积定理在数学上是有效的，但直到 LIGO 首次探测到引力波.
霍金得知结果后，迅速联系了 LIGO 的联合创始人、加州理工学院费曼理论物理学教授基普·索恩。 他的问题是：检测能否证实面积定理？
当时，研究人员没有能力在合并前后的信号中挑选出必要的信息，以确定最终的视界区域是否没有像霍金定理所假设的那样减少。 直到几年后，Isi 和他的同事开发了一项技术，测试面积定律才变得可行。
之前和之后
2019 年，Isi 和他的同事开发了一种技术，可以在 GW150914 的峰值之后立即提取混响——两个母黑洞碰撞形成一个新黑洞的时刻。 该团队使用该技术挑选出特定的频率，或者其他嘈杂的后果的音调，他们可以用来计算最终黑洞的质量和自旋。
黑洞的质量和自旋与其事件视界的面积直接相关，索恩回忆起霍金的疑问，随后向他们提出了一个后续问题：他们是否可以使用相同的技术来比较合并前后的信号，并确认面积定理？
研究人员接受了挑战，再次将 GW150914 信号拆分为峰值。 他们开发了一个模型来分析峰值之前的信号，对应于两个鼓舞人心的黑洞，并确定两个黑洞在合并之前的质量和自旋。 根据这些估计，他们计算了它们的总地平线——估计大约等于 235,000 平方公里，大约是马萨诸塞州面积的九倍。
然后，他们使用以前的技术提取了新形成的黑洞的“震荡”或回响，从中计算了它的质量和自旋，并最终计算出它的视界面积，他们发现相当于 367,000 平方公里（约 13 倍）湾州地区）。
“数据以压倒性的信心表明，合并后地平线面积增加了，并且面积定律满足的概率非常高，”Isi 说。 “我们的结果确实与我们预期的范式一致，并且确实证实了我们对这些复杂的黑洞合并的理解，这让我们松了一口气。”
该团队计划使用来自意大利的 LIGO 和 Virgo 的数据，进一步测试霍金的面积定理和其他长期存在的黑洞力学理论。
“令人鼓舞的是，我们能够以新的、创造性的方式思考引力波数据，并解决我们以前认为无法解决的问题，”Isi 说。 “我们可以不断梳理出直接与我们认为我们理解的支柱相关的信息。 有朝一日，这些数据可能会揭示一些我们没有预料到的事情。”
参考：Maximiliano Isi、Will M. Farr、Matthew Giesler、Mark A. Scheel 和 Saul A. Teukolsky 撰写的“使用 GW150914 测试黑洞面积定律”，1 年 2021 月 XNUMX 日， “物理评论快报”.
DOI：10.1103/PhysRevLett.127.011103
这项研究得到了美国宇航局、西蒙斯基金会和国家科学基金会的部分支持。
