Физики впервые наблюдательно подтвердили теорему Хокинга о черных дырах

Исследование предлагает доказательства, основанные на гравитационных волнах, которые показывают, что общая площадь горизонта событий черной дыры никогда не может уменьшиться.

Об этом рассказывают в Массачусетском технологическом институте (MIT).

Существуют определенные правила, которым должны подчиняться даже самые экстремальные объекты во Вселенной. Главный закон о черных дырах предусматривает, что площадь их горизонтов событий — предел, за которой уже ничто не может выйти — никогда не должна уменьшаться. Этот закон — теорема Хокинга о площади, названа в честь физика Стивена Хокинга, который вывел эту теорему в 1971 году.

Пятьдесят лет спустя физики из MIT и других заведений впервые подтвердили теорему Хокинга о площади, используя наблюдения за гравитационными волнами. Их результаты опубликованы сегодня в журнале Physical Review Letters.

В своей работе исследователи подробнее рассматривают GW150914 — первый гравитационно-волновой сигнал, обнаруженный Лазерной интерферометрической обсерваторией гравитационных волн (LIGO) в 2015 году. Этот сигнал был продуктом двух черных дыр, которые породили новую черную дыру вместе с огромным количеством энергии, рябью распространившейся через пространство-время в виде гравитационных волн.

Если теорема Хокинга о площади справедлива, то площадь горизонта новой черной дыры не должна быть меньше общей площади 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 после слияния не уменьшилась — результат, о котором они сообщают с 95-процентной уверенностью.

Полученный ими результат представляет собой первое прямое наблюдательное подтверждение теоремы Хокинга о площади, которая была математически доказана, но до сих пор никогда не наблюдалась в природе. Команда планирует протестировать будущие сигналы гравитационных волн, чтобы проверить, могут ли они еще больше подтвердить теорему Хокинга или быть признаком новой, нарушающей законы физики.

"Вполне возможно, что существует целый зоопарк различных компактных объектов, и хотя некоторые из них являются черными дырами, которые следуют законам Эйнштейна и Хокинга, другие могут быть несколько иными животными", - говорит ведущий автор работы Максимилиано Иси, постдокторант стипендии им. Эйнштейна от NASA в Институте астрофизики и космических исследований Кавли MIT. "Поэтому это не похоже на то, что вы делаете этот тест один раз и на этом все закончено. Вы делаете это один раз, но это начало".

Соавторами Иси по работе являются Уилл Фарр из Университета Стони-Брук и Центра вычислительной астрофизики Института Флатирона, Мэтью Гислер из Корнелльского университета, Марк Шеель из Калтеха и Саул Теукольски из Корнелльского университета и Калтеха.

Эпоха прозрений

В 1971 году Стивен Хокинг предложил теорему о площади, которая заложила начало серии фундаментальных прозрений относительно механики черных дыр. Теорема предполагает, что общая площадь горизонта событий черной дыры — и всех черных дыр во Вселенной, если на то пошло, — никогда не должна уменьшаться. Это утверждение было интересной параллелью второго закона термодинамики, который утверждает, что энтропия, или степень беспорядка внутри объекта, также никогда не должна уменьшаться.

Сходство между двумя теориями позволяет предположить, что черные дыры могут вести себя как тепловые, излучающие тепло объекты — утверждение, сбивающее с толку, поскольку, по своей природе, черные дыры никогда не выпускают энергию и не излучают ее. В конце концов Хокинг уравнял эти две идеи, показав, что черные дыры могут иметь энтропию и излучать в течение очень длительного времени, если учитывать их квантовые эффекты. Это явление получило название "излучение Хокинга" и остается одним из самых фундаментальных открытий о черных дырах.

"Все началось с осознания Хокингом того, что площадь горизонта в черных дырах никогда не может уменьшаться", - говорит Исе. "Закон о площади инкапсулирован в золотой век 70-х годов, когда были получены все эти прозрения".

Новости по подобной теме:

		В нашей галактике найдена самая массивная черная дыра звездной массы
		Астрономы обнаружили крошечную черную дыру, неоднократно пробивающую газовый диск более крупной черной дыры
		Сверхмассивные черные дыры ненадолго просыпаются из глубокого сна благодаря измельченным ими звездам

С тех пор Хокинг и другие показали, что теорема о площади работает математически, но до первого выявления LIGO гравитационных волн не было способа проверить ее на природе.

Хокинг, услышав результат, быстро связался со соучредителем LIGO Кипом Торном, профессором теоретической физики Калтеха. Его вопрос: может ли выявление подтвердить теорему о площади?

К тому времени исследователи не имели возможности выделить необходимую информацию в сигнале — до и после слияния — чтобы определить, не уменьшается ли площадь полученного в результате горизонта, как предполагала теорема Хокинга. Лишь через несколько лет, и после разработки Иси и его коллегами методики, проверка закона о площади стала возможной.

До и после

В 2019 году Иси и его коллеги разработали методику для извлечения ревербераций сразу после пика GW150914 — момента, когда две родительские черные дыры столкнулись и образовали новую черную дыру. Команда использовала этот метод для выделения конкретных частот, или тонов в случае шумных последствий, которые они могли бы использовать для вычисления массы и спина (вращения) результирующей черной дыры.

Масса и спин черной дыры непосредственно связаны с площадью ее горизонта событий, и Торн, вспоминая запрос Хокинга, подошел к ним с последующим вопросом: не могли бы они использовать ту же методику для сравнения сигнала до и после слияния и подтвердить теорему о площади ?

Исследователи приняли вызов и снова разделили сигнал GW150914 на его пике. Они разработали модель для анализа сигнала до пика, соответствующий двум черным дырам, и для идентификации массы и спина обоих черных дыр до их слияния. На основе этих оценок они рассчитали общую площадь горизонта — примерно 235 000 квадратных километров.

Затем они применили свою предыдущую методику для извлечения "сигнала обратной связи", или ревербераций новосозданной черной дыры, на основе которого они рассчитали ее массу и спин, и в общем итоге, площадь горизонта, которая, как они обнаружили, была эквивалентна 367 000 квадратных километров.

"Данные с преимущественной уверенностью показывают, что площадь горизонта увеличилось после слияния и закон о площади удовлетворяется с очень высокой вероятностью", - говорит Иси. "Было приятно, что наш результат действительно согласуется с парадигмой, которую мы ожидаем, и подтверждает наше понимание этих сложных слияний черных дыр".

Команда планирует дополнительно проверить теорему Хокинга о площади и другие древние теории механики черных дыр, используя данные LIGO и Virgo — его аналога из Италии.

"Обнадеживает то, что мы можем мыслить по новому, творчески подходить к гравитационно-волновым данным и достигать вопросов, которые, как мы раньше считали, не можем", - говорит Исе. "Мы можем продолжать вычленять фрагменты информации, которые непосредственно говорят об основах того, что, по нашему мнению, мы понимаем. Однажды эти данные могут обнаружить то, чего мы не ожидали".

Это исследование было частично поддержано NASA, Фондом Саймонса и Национальным научным фондом.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.

• Черные дыры
• гравитационная волна