Главная Новости Физики впервые подтвердили теорему Хокинга о черных дырах

Физики впервые подтвердили теорему Хокинга о черных дырах

Существуют определенные правила, которым должны подчиняться даже самые экстремальные объекты во Вселенной. Главный закон для черных дыр предсказывает, что площадь горизонта событий - границы, за которую ничто не может выйти - никогда не должна уменьшаться. Этот закон Хокинга , который вывел эту теорему в 1971 году.

Теорема Хокинга о черных дырах

Пятьдесят лет спустя физики из Массачусетского технологического института и других университетов впервые подтвердили теорему Хокинга, используя наблюдения за гравитационными волнами. Их результаты опубликованы сегодня в журнале Physical Review Letters.

В работе исследователи подробно рассматривают объект GW150914, первый сигнал гравитационных волн, обнаруженный Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) в 2015 году. Сигнал был продуктом двух инспирирующих черных дыр, которые породили новую черную дыру, вместе с огромным количеством энергии, распространенной в пространстве-времени в виде гравитационных волн.

Если теорема о площади Хокинга справедлива, то площадь горизонта новой черной дыры не должна быть меньше, чем общая площадь горизонта ее родительских черных дыр. В новом исследовании физики повторно проанализировали сигнал от GW150914 до и после космического столкновения и обнаружили, что действительно, общая площадь горизонта событий не уменьшилась после слияния - результат, точный с 95-процентной вероятностью.

Полученные ими результаты являются первым прямым наблюдательным подтверждением теоремы Хокинга, которая была доказана математически, но до сих пор не наблюдалась в природе. Команда планирует проверить будущие сигналы гравитационных волн, чтобы увидеть, могут ли они еще больше подтвердить теорему Хокинга или мы имеем дело с неизвестным физике явлением.

Слияние двух черных дыр

Читайте Альтернативная Наука в Google News

"Возможно, существует целый зоопарк различных компактных объектов, и если некоторые из них являются черными дырами, которые следуют законам Эйнштейна и Хокинга, то другие могут быть немного другими зверями", - говорит ведущий автор исследования Максимилиано Иси, постдокторант НАСА в Институте астрофизики и космических исследований имени Кавли Массачусетского технологического института.

Соавторами работы Иси являются Уилл Фарр из Университета Стоуни-Брук и Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон, Мэтью Гислер из Корнельского университета, Марк Шеель из Калтеха и Сол Теукольский из Корнельского университета.

Теорема Хокинга предсказывает, что общая площадь горизонта событий черной дыры - и всех черных дыр во Вселенной, если на то пошло, - никогда не должна уменьшаться. Это утверждение вытекало из второго закона термодинамики, который гласит, что энтропия внутри объекта также никогда не должна уменьшаться.

Сходство между двумя теориями предполагало, что черные дыры ведут себя как излучающие тепло объекты, что ставило в тупик ученых, поскольку считалось, что черные дыры по своей природе никогда не позволяют энергии выходить или излучать. В конце концов, в 1974 году Хокинг уравнял эти две идеи, показав, что черные дыры могут обладать энтропией и излучать радиацию в течение очень долгого времени, если принять во внимание квантовые эффекты. Это явление получило название "излучение Хокинга" и остается одним из самых фундаментальных открытий о черных дырах.

"Все началось с того, что Хокинг понял, что общая площадь горизонта в черных дырах никогда не может уменьшиться", - говорит Иси. - Закон площади символизирует золотой век 70-х годов, когда были получены все эти открытия".

С тех пор Хокинг и другие ученые доказывали, что теорема о работает математически, но до первого обнаружения гравитационных волн LIGO не было возможности проверить ее «на практике».

В 2015 году у исследователей не было возможности отобрать необходимую информацию, чтобы определить, не уменьшилась ли площадь конечного горизонта, как предполагала теорема Хокинга. Лишь спустя несколько лет, после разработки методики Иси и его коллегами, проверка закона площади стала возможной.

До и после

В 2019 году Иси и его коллеги разработали методику извлечения ревербераций сразу после пика GW150914 - момента, когда две родительские черные дыры столкнулись и образовали новую черную дыру. Команда использовала этот метод для выделения определенных частот, или тонов, в шумном послезвучии, которые они могли использовать для расчета массы и спина последней черной дыры.

Масса и вращение этого объекта — теоретически - напрямую связаны с площадью горизонта событий, поэтому и были проанализированы сигналы до и после слияния.

Сигнал GW150914 разделили на его пике. Они разработали модель для анализа сигнала до пика, соответствующего двум инспирирующим черным дырам, и для определения массы и спина обеих черных дыр до их слияния. На основе этих оценок они рассчитали общую площадь их горизонтов - примерно равную 235 000 квадратных километров.

Затем они использовали предыдущую методику для извлечения "рингдауна", или реверберации вновь образованной черной дыры, на основе которой рассчитали ее массу и спин, и, в конечном итоге, площадь ее горизонта, которая, как они обнаружили, была эквивалентна 367 000 квадратных километров.

"Полученные данные с подавляющей уверенностью показывают, что площадь горизонта увеличилась после слияния, и что закон площади выполняется с очень высокой вероятностью", - говорит Иси. - Было очень приятно, что наш результат действительно согласуется с ожидаемой парадигмой и подтверждает наше понимание этих сложных слияний черных дыр".

Команда планирует продолжить проверку теоремы Хокинга и других теорий механики черных дыр, используя данные LIGO и Virgo, его аналога в Италии.

"Обнадеживает то, что мы можем по-новому, творчески подходить к данным гравитационных волн и доходить до вопросов, на которые раньше мы не могли ответить", - говорит Иси. - Мы можем продолжать вычленять фрагменты информации, которые напрямую говорят об основах того, что, как нам кажется, мы понимаем. Однажды эти данные могут открыть то, чего мы не ожидали".

Дата: 2021-07-04

Автор: Всеволод Гордиенко

Поделиться с друзьями: