Фізики вперше підтвердили теорему Гокінга про чорні діри

Існують певні закони, яких повинні дотримуватися всі об'єкти у Всесвіті, зокрема й найекстремальніші. Один із головних законів, який стосується чорних дір, стверджує, що площа горизонту подій (межі, за якою ніщо не може вийти) ніколи не повинна зменшуватися. Цю теорему Гокінґ вивів ще 1971 року.

Після п'ятдесяти років фізики з Массачусетського технологічного інституту та інших університетів уперше підтвердили теорему Гокінга, використовуючи спостереження за гравітаційними хвилями. Їхні результати були опубліковані в журналі Physical Review Letters.

Злиття чорних дір дуже схоже на злиття клітин ... а раптом ми всього лише мікроскопічні елементи у величезному вселенському організмі ...

 

У своїй роботі дослідники розглядали об'єкт GW150914 - перший сигнал гравітаційних хвиль, виявлений Лазерною інтерферометричною гравітаційно-хвильовою обсерваторією (LIGO) у 2015 році. Цей сигнал виник внаслідок зіткнення двох чорних дір, які утворили нову чорну діру, виділивши величезну кількість енергії у вигляді гравітаційних хвиль у просторі-часі.

Якщо теорема про площу Гокінга правильна, то площа горизонту подій нової чорної діри не повинна бути меншою, ніж загальна площа горизонту її батьківських чорних дір.

Під час нового дослідження фізики повторно проаналізували сигнал від GW150914 до і після зіткнення і виявили, що загальна площа горизонту подій не зменшилася - результат, досягнутий з точністю 95%.

Отримані результати стали першим прямим спостережним підтвердженням теореми Гокінга, яка була доведена математично, але досі не була підтверджена в природі. Команда планує подальші дослідження, щоб перевірити, чи можуть майбутні сигнали гравітаційних хвиль ще більше підтвердити теорему Гокінга або ми стикаємося з невідомим явищем у фізиці.

Чорні діри відомої маси

Фото: LIGO,NSF,Aurore Simonnet
БЧорні діри відомої маси

 

Дослідник Максиміліано Ісі, який працює в Інституті астрофізики і космічних досліджень імені Кавлі Массачусетського технологічного інституту в НАСА, говорить про можливість наявності різних компактних об'єктів у космосі, серед яких деякі можуть бути чорними дірами, що підкоряються законам Ейнштейна і Гокінга, а інші - іншими видами об'єктів.

Вілл Фарр з Університету Стоуні-Брук і Центру обчислювальної астрофізики Інституту Флетайрон, Метью Гіслер з Корнельського університету, Марк Шеель з Калтеха і Сол Теукольський з Корнельського університету є співавторами роботи Ісі.

Теорема Гокінга стверджує, що площа горизонту подій чорної діри - і всіх чорних дір у Всесвіті - ніколи не може зменшуватися, оскільки це суперечить другому закону термодинаміки, який стверджує, що ентропія всередині об'єкта не повинна зменшуватися. Однак, довгий час вважалося, що чорні діри не здатні випромінювати енергію, що приводило вчених у глухий кут.

Гокінг про чорні діриЛише 1974 року Гокінг показав, що чорні діри можуть володіти ентропією і випромінювати радіацію завдяки квантовим ефектам, що було названо "випромінюванням Гокінга" і стало одним з основних відкриттів про чорні діри.

Ісі каже, що закон площі чорних дір є символом золотого століття науки в 70-х роках, коли були зроблені всі ці відкриття. Хоча вчені математично довели теорему про площу чорних дір, перевірити її на практиці було неможливо до виявлення гравітаційних хвиль LIGO.

У 2015 році у дослідників не було можливості провести аналіз і визначити, чи зменшилася площа кінцевого горизонту, як передбачала теорема Гокінга, через відсутність необхідної інформації. Однак через кілька років, у 2019 році, Ісі та його колеги розробили методику вилучення реверберацій одразу після піку GW150914 - моменту, коли дві батьківські чорні діри зіштовхнулися й утворили нову чорну діру.

Команда використовувала цей метод для виділення певних частот, або тонів, у галасливому післязвуччі, які були використані для розрахунку маси і спіна останньої чорної діри. Маса і обертання цього об'єкта теоретично безпосередньо пов'язані з площею горизонту подій, тому було проаналізовано сигнали до і після злиття.

Сигнал GW150914 був розділений на його піку. Команда розробила модель для аналізу сигналу до піку, відповідного двом чорним дірам, які інспірують, і для визначення маси і спіна обох чорних дір до їхнього злиття. На основі цих оцінок було розраховано загальну площу їхніх горизонтів, яка становила приблизно 235 000 квадратних кілометрів.

Потім було використано розроблену раніше методику для вилучення "рингдауну", або реверберації новоутвореної чорної діри, на основі якої було розраховано її масу і спін, і в кінцевому підсумку - площу її горизонту. Результати показали, що площа горизонту становила близько 367 000 квадратних кілометрів.

Що нам відомо про GW150914

Фото: LIGO,NSF,Aurore Simonnet
Що нам відомо про GW150914

 

Ісі заявив з великою впевненістю, що отримані дані показують збільшення площі горизонту після злиття і підтверджують закон площі з високою ймовірністю. Він також зазначив, що це відповідає очікуваній парадигмі і допомагає краще розуміти складні процеси злиттів чорних дір.

Команда планує продовжити перевірку теорії Гокінга та інших теорій механіки чорних дір, використовуючи дані від LIGO та їхнього аналога в Італії - Virgo.

Ісі висловив оптимізм щодо можливості використовувати дані гравітаційних хвиль для пошуку відповідей на раніше невирішені питання. Він підкреслив, що їхня робота допоможе розкрити нові фрагменти інформації про основи того, що ми вважаємо своїм розумінням чорних дір. Можливо, ці дані допоможуть відкрити несподівані відкриття в майбутньому.

Написати коментар