Фізики вперше спостережливо підтвердили теорему Гокінга про чорні діри

Дослідження пропонує докази, що основані на гравітаційних хвилях, які показують, що загальна площа горизонту подій чорної діри ніколи не може зменшитися.

Про це розповідають у Массачусетському технологічному інституті (MIT).

Існують певні правила, яким повинні підкорятися навіть найекстремальніші об’єкти у Всесвіті. Головний закон про чорні діри передбачає, що площа їх горизонтів подій – межа, через яку вже ніщо не може вийти – ніколи не повинна зменшуватися. Цей закон – теорема Гокінга про площу, названа на честь фізика Стівена Гокінга, який вивів цю теорему у 1971 році.

П’ятдесят років потому фізики з MIT та інших закладів вперше підтвердили теорему Гокінга про площу, використовуючи спостереження за гравітаційними хвилями. Їх результати опубліковані сьогодні в журналі Physical Review Letters.

У своїй роботі дослідники детальніше розглядають GW150914 – перший гравітаційно-хвильовий сигнал, виявлений Лазерною інтерферометричною обсерваторією гравітаційних хвиль (LIGO) у 2015 році. Цей сигнал був продуктом двох чорних дір, які породили нову чорну діру разом з величезною кількістю енергії, яка брижами розповсюдилася крізь простір-час у вигляді гравітаційних хвиль.

Якщо теорема Гокінга про площу 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 і після космічного зіткнення і виявили, що справді загальна площа горизонту подій після злиття не зменшилася – результат, про який вони повідомляють із 95-відсотковою впевненістю.

Отриманий ними результат являє собою перше пряме спостережливе підтвердження теореми Гокінга про площу, яка була математично доведена, але дотепер ніколи не спостерігалася в природі. Команда планує протестувати майбутні сигнали гравітаційних хвиль, щоб перевірити, чи можуть вони ще більше підтвердити теорему Гокінга чи бути ознакою нової, такої, що порушує закони, фізики.

"Цілком можливо, що існує цілий зоопарк різноманітних компактних об'єктів, і хоча деякі з них є чорними дірами, які слідують законам Ейнштейна та Гокінга, інші можуть бути дещо іншими тваринами", - говорить провідний автор роботи Максиміліано Ісі, постдокторант стипендії ім. Ейнштейна від NASA в Інституті астрофізики та космічних досліджень Кавлі MIT. "Тож це не схоже на те, що ви робите цей тест один раз і на цьому все закінчено. Ви робите це один раз, але це початок".

Співавторами Ісі по роботі є Уілл Фарр з Університету Стоні-Брук та Центру обчислювальної астрофізики Інституту Флатірона, Метью Гіслер з Корнелльського університету, Марк Шеель з Калтеха і Саул Теукольскі з Корнелльського університету та Калтеха.

Епоха прозрінь

У 1971 році Стівен Хокінг запропонував теорему про площу, яка заклала початок серії фундаментальних прозрінь щодо механіки чорних дір. Теорема передбачає, що загальна площа горизонту подій чорної діри – і всіх чорних дір у Всесвіті, якщо на те пішло, – ніколи не повинна зменшуватися. Це твердження було цікавою паралеллю другого закону термодинаміки, який стверджує, що ентропія, або ступінь безладу всередині об’єкта, також ніколи не повинна зменшуватися.

Подібність між двома теоріями дозволяє припустити, що чорні діри можуть поводитися як теплові, ті, що випромінюють тепло, об'єкти – твердження, що збиває з пантелику, оскільки, за своєю природою, чорні діри ніколи не випускають енергію і не випромінюють її. Врешті-решт Гокінг урівняв ці дві ідеї, показавши, що чорні діри можуть мати ентропію та випромінювати протягом дуже тривалого часу, якщо враховувати їх квантові ефекти. Це явище отримало назву "випромінювання Гокінга" і залишається одним з найбільш фундаментальних відкриттів про чорні діри.

"Все почалося з усвідомлення Гокінгом того, що загальна площа горизонту в чорних дірах ніколи не може зменшуватися", - каже Ісі. "Закон про площу інкапсульований у золотий вік 70-х років, коли були отримані всі ці прозріння".

Відтоді Гокінг та інші показали, що теорема про площу працює математично, але до першого виявлення LIGO гравітаційних хвиль не було способу перевірити її на природі.

Гокінг, почувши результат, швидко зв’язався зі співзасновником LIGO Кіпом Торном, професором теоретичної фізики Калтеха. Його запитання: Чи може виявлення підтвердити теорему про площу?

На той час дослідники не мали можливості виділити необхідну інформацію у сигналі – до та після злиття – щоб визначити, чи не зменшується площа остаточного горизонту, як передбачала теорема Гокінга. Лише через кілька років, і після розробки Ісі та його колегами методики, перевірка закону про площу стала можливою.

До та після

У 2019 році Ісі та його колеги розробили методику для вилучення реверберацій відразу після піку GW150914 – моменту, коли дві батьківські чорні діри зіткнулися і утворили нову чорну діру. Команда використовувала цей метод для виділення конкретних частот, або тонів у випадку шумних наслідків, які вони могли б використати для обчислення маси та спіну (обертання) остаточної чорної діри.

Маса та спін чорної діри безпосередньо пов'язані з площею її горизонту подій, і Торн, згадуючи запит Гокінга, підійшов до них із подальшим запитанням: чи не могли б вони використати ту ж методику для порівняння сигналу до та після злиття та підтвердити теорему про площу?

Дослідники прийняли виклик і знову розділили сигнал GW150914 на його піку. Вони розробили модель для аналізу сигналу до піка, що відповідає двом чорним дірам, та для ідентифікації маси та спіну обох чорних дір до їх злиття. На основі цих оцінок вони розрахували загальну площу горизонту – приблизно 235 000 квадратних кілометрів.

Потім вони застосували свою попередню методику для вилучення "сигналу зворотного зв'язку", або реверберацій новоутвореної чорної діри, на основі якого вони розрахували її масу та спін, і у загальному підсумку, площу горизонту, яка, як вони виявили, була еквівалентна 367 000 квадратних кілометрів.

"Дані з переважною впевненістю показують, що площа горизонту збільшилася після злиття і що закон про площу задовольняється з дуже високою ймовірністю", - каже Ісі. "Було приємно, що наш результат дійсно узгоджується з парадигмою, яку ми очікуємо, і підтверджує наше розуміння цих складних злиттів чорних дір".

Команда планує додатково перевірити теорему Гокінга про площу та інші давні теорії механіки чорних дір, використовуючи дані LIGO та Virgo – його аналога з Італії.

"Подає надію те, що ми можемо мислити по новому, творчо підходити до гравітаційно-хвильових даних і досягати питань, яких, як ми раніше вважали, не можемо", - каже Ісі. "Ми можемо продовжувати вичленувати фрагменти інформації, які безпосередньо говорять про основи того, що, на нашу думку, ми розуміємо. Одного разу ці дані можуть виявити те, чого ми не очікували".

Це дослідження було частково підтримане NASA, Фондом Саймонса та Національним науковим фондом.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.