Є деякі правила, яких повинні дотримуватися навіть найекстремальніші речі у Всесвіті. Центральний закон чорних дір передбачає, що область їх горизонту подій – межа, з якої ніщо не може втекти – ніколи не повинна стискатися. Цей закон – теорія області Хокінга, названа на честь фізика Стівена Хокінга, який вивів цю теорію в 1971 році.
П’ятдесят років потому фізики з Массачусетського технологічного інституту та інших країн вперше підтвердили теорію зони Хокінга, використовуючи спостереження гравітаційних хвиль. Їх результати з’являються сьогодні в повідомлення фізичного огляду.
У дослідженні дослідники детальніше розглянули GW150914, перший сигнал гравітаційної хвилі, виявлений обсерваторією гравітаційної хвилі лазерного інтерферометра (LIGO), в 2015 році. Цей сигнал був продуктом двох надихаючих чорних дір, які породили нову чорну діру з величезною кількістю енергії, що поширюється через простір-час у вигляді гравітаційних хвиль.
Якщо теорія регіону Хокінга правильна, тоді площа горизонту нової чорної діри не повинна бути меншою за загальну площу горизонту вихідних чорних дір. У новому дослідженні фізики повторно проаналізували сигнал від GW150914 до і після космічного зіткнення і виявили, що загальна площа горизонту подій не зменшилася після злиття – результат вони повідомляють з 95% впевненістю.
Їхні знахідки представляють перше пряме спостережне підтвердження теорії зон Хокінга, яке було математично доведено, але ще не спостерігалося в природі. Команда планує протестувати майбутні сигнали гравітаційних хвиль, щоб перевірити, чи будуть вони ще більше підтверджувати теорію Хокінга або будуть ознакою нової фізики, що звиває закони.
“Цілком можливо, що тут буде зоопарк з різними компактними об’єктами, і хоча деякі з них є чорними дірами, які слідують законам Ейнштейна та Хокінга, інші можуть бути такими”, – говорить провідний автор Максиміліано Ессі, докторант NASA з Массачусетського технологічного інституту, Максиміліано Ессі. різні монстри “. Інститут астрофізики та космічних досліджень Кавлі. “Отже, це не те, що ти пройшов цей тест один раз і все закінчено. Ти робиш це один раз, і це початок”.
Співавторами Ісі в роботі є Уілл Фарр з Університету Стоуні-Брук та Центру обчислювальної астрофізики Флатірон, Метью Гейслер з Університету Корнелл, Марк Шелл з Калтех, і Саул Тюкольський з Корнельського університету та Кальтеху.
епоха видінь
У 1971 році Стівен Хокінг запропонував теорію області, яка розпочала низку фундаментальних ідей про механіку чорних дір. Теорія передбачає, що загальна площа горизонту подій чорної діри – і всіх чорних дір у Всесвіті – при цьому ніколи не повинна зменшуватися. Це твердження було дивною паралеллю другому закону термодинаміки, який стверджує, що ентропія або ступінь розладу всередині об’єкта ніколи не повинні зменшуватися.
Подібність між двома теоріями свідчить про те, що чорні діри можуть поводитися як теплові об’єкти, що випромінюють тепло, – заплутане твердження, оскільки вважалося, що чорні діри за своєю природою ніколи не дозволяють втекти або випромінювати. Врешті-решт, Хокінг привів дві ідеї в квадрат у 1974 році, показавши, що чорні діри можуть мати ентропію та випромінювати випромінювання протягом дуже тривалих періодів часу, якщо враховувати квантові ефекти. Це явище отримало назву “випромінювання Хокінга” і залишається одним з найбільш фундаментальних відкриттів про чорні діри.
“Все почалося з усвідомлення Хокінгом того, що загальна площа горизонту чорних дір ніколи не може зменшитися”, – говорить Іссі. “Кодекс району відображає золотий вік 1970-х років, коли всі ці ідеї були створені”.
Хокінг та інші з тих пір показали, що теорія області працює математично, але не було можливості порівняти її з природою, поки LIGO Перше виявлення гравітаційних хвиль.
Почувши результат, Хокінг швидко зв’язався із співзасновником LIGO Кіпом Торном, професором теоретичної фізики Калтеха Фейнманом. Його запитання: Чи може відкриття підтвердити теорію області?
На той час дослідники не мали можливості виділити необхідну інформацію в межах сигналу до та після злиття, щоб визначити, чи не зменшилася область остаточного горизонту, як постулює теорія Хокінга. Лише через кілька років стала можливою розробка методики Ісі та його колегами при випробуванні закону регіону.
до і після
У 2019 році Ісі та його колеги розробили технологію для ехо-екстракція استخراج Відразу після піку GW150914 – моменту, коли дві оригінальні чорні діри зіткнулися, утворивши нову чорну діру. Команда використовувала цю техніку, щоб виділити певні частоти або тони для гучних ефектів, які вони можуть використовувати для розрахунку граничної маси та обертання чорної діри.
Маса і обертання чорної діри безпосередньо пов’язані з областю її горизонту подій, і Торн підійшов до них, згадуючи запит Гокінга, з подальшим повідомленням: Чи могли вони використовувати ту саму техніку для порівняння сигналу до та після злиття, підтверджуючи теорію регіону ?
Дослідники прийняли виклик і знову розділили сигнал GW150914 на пік. Вони розробили модель для аналізу сигналу до піку, який відповідає надихаючим чорним дірам, і для визначення маси та обертання обох чорних дір до їх злиття. За цими оцінками вони розрахували загальну площу горизонту – оцінка приблизно дорівнює приблизно 235000 квадратним кілометрам, або приблизно в дев’ять разів більше, ніж Массачусетс.
Потім вони використали свій попередній метод для вилучення “кільця” або відскоків новоутвореної чорної діри, які вони розрахували її масу, обертання і, врешті-решт, площу її горизонту, яка, як вони виявили, становила 367000 квадратних кілометрів разів у районі штату Бей).
“Дані з переважною впевненістю показують, що площа обрію збільшилася після об’єднання і що закон області задовольняється з дуже високою ймовірністю”, – говорить Іссі. “Це було полегшенням, що наш результат узгодився з моделлю, яку ми очікуємо, і підтверджує наше розуміння цих складних злиттів чорних дір”.
Команда планує провести подальші тести теорії регіону Хокінга та інших тривалих теорій механіки чорних дір, використовуючи дані LIGO та Virgo, аналога з Італії.
“Обнадіює те, що ми можемо по-новому і інноваційно мислити про дані гравітаційних хвиль і придумувати запитання, про які ми думали, що не могли раніше, – каже Іссі. – Ми можемо продовжувати витягувати шматочки інформації, які безпосередньо говорять про основи що ми думаємо, що розуміємо. Одного разу ці дані можуть виявити те, чого ми не очікували “.
Це дослідження було частково підтримане NASA, Фондом Сіммонса та Національним науковим фондом.
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
