Теорема Хокинга о черной дыре, впервые подтвержденная наблюдениями

Центральный закон для черных дыр гласит, что область их горизонтов событий – граница, за которой ничто не может выйти, никогда не должна сокращаться. Этот закон является теоремой Хокинга об площадях, названной в честь физика Стивена Хокинга, который вывел эту теорему в 1971 году.

Физики из Массачусетского технологического института и других организаций впервые использовали гравитационные волны, чтобы экспериментально подтвердить теорему Хокинга о площади черной дыры. Это компьютерное моделирование показывает столкновение двух черных дыр, которое произвело сигнал гравитационной волны GW150914. Предоставлено: проект моделирования экстремального пространства-времени (SXS). Предоставлено LIGO

Пятьдесят лет спустя физики из Массачусетского технологического института и других организаций впервые подтвердили теорему Хокинга о площади, используя наблюдения гравитационных волн.

В ходе исследования исследователи внимательно изучают GW150914, первый сигнал гравитационной волны, обнаруженный обсерваторией гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) в 2015 году. Этот сигнал был продуктом двух вдохновляющих черных дыр, которые породили новую черную дыру. вместе с огромным количеством энергии, которая колебалась в пространстве-времени в виде гравитационных волн.

Если теорема Хокинга о площади верна, 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 не уменьшилась после слияния – результат, о котором они сообщают с достоверностью 95%.

Их результаты являются первым прямым наблюдательным подтверждением теоремы Хокинга о площадях, которая была доказана математически, но никогда не наблюдалась в природе до сих пор. Команда планирует проверить будущие сигналы гравитационных волн, чтобы увидеть, могут ли они в дальнейшем подтвердить теорему Хокинга или стать признаком новой, изменяющей законы физики.

«Возможно, существует целый зоопарк, состоящий из разных компактных объектов, и хотя некоторые из них являются черными дырами, которые подчиняются законам Эйнштейна и Хокинга, другие могут быть немного другими животными», – говорит ведущий автор Максимилиано Иси, научный сотрудник НАСА Эйнштейна в Массачусетском технологическом институте. Кавли Институт астрофизики и космических исследований. «Итак, это не значит, что вы делаете этот тест один раз, и он закончен. Вы делаете это один раз, и это начало ».

Соавторами статьи являются Уилл Фарр из Университета Стоуни-Брук и Центр вычислительной астрофизики Института Флэтайрон, Мэтью Гислер из Корнельского университета, Марк Шил из Калифорнийского технологического института и Саул Теукольски из Корнельского университета и Калифорнийского технологического института.

В 1971 году Стивен Хокинг предложил теорему о площади, которая положила начало ряду фундаментальных открытий относительно механики черной дыры. Теорема предсказывает, что общая площадь горизонта событий черной дыры – и всех черных дыр во Вселенной, если на то пошло – никогда не должна уменьшаться. Это утверждение было любопытной аналогией второго закона термодинамики, который гласит, что энтропия или степень беспорядка внутри объекта также никогда не должна уменьшаться.

Сходство между этими двумя теориями предполагало, что черные дыры могут вести себя как тепловые, излучающие тепло объекты – утверждение, вводящее в заблуждение, поскольку считалось, что черные дыры по самой своей природе никогда не позволяют энергии ускользать или излучаться. В конце концов, в 1974 году Хокинг сопоставил эти две идеи, показав, что черные дыры могут обладать энтропией и излучать излучение в течение очень долгого времени, если принять во внимание их квантовые эффекты. Это явление было названо «излучением Хокинга» и остается одним из самых фундаментальных открытий о черных дырах.

«Все началось с того, что Хокинг осознал, что общая площадь горизонта в черных дырах никогда не может уменьшиться», – говорит Иси. «Закон о территориях олицетворяет золотой век 70-х годов, когда были получены все эти идеи».

Хокинг и другие с тех пор показали, что теорема площади работает математически, но не было возможности проверить ее на примере природы до первого обнаружения гравитационных волн LIGO.

Хокинг, узнав о результате, быстро связался с соучредителем LIGO Кипом Торном, профессором теоретической физики Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте. Его вопрос: может ли обнаружение подтвердить теорему о площади?

В то время у исследователей не было возможности выделить необходимую информацию в сигнале до и после слияния, чтобы определить, не уменьшилась ли площадь последнего горизонта, как предполагала теорема Хокинга. Лишь несколько лет спустя Иси и его коллеги разработали методику, когда стало возможным тестирование закона площади.

В 2019 году Иси и его коллеги разработали метод извлечения реверберации сразу после пика GW150914 – момента, когда две родительские черные дыры столкнулись, чтобы сформировать новую черную дыру. Команда использовала эту технику, чтобы выделить определенные частоты или тона в противном случае зашумленные последствия, которые они могли использовать для расчета окончательной массы и вращения черной дыры.

Масса и вращение черной дыры напрямую связаны с областью ее горизонта событий, и Торн, вспомнив вопрос Хокинга, подошел к ним с последующим вопросом: могут ли они использовать ту же технику для сравнения сигнала до и после слияния и подтвердить теорема площади?

Исследователи взяли на себя задачу и снова разделили сигнал GW150914 на его пике. Они разработали модель для анализа сигнала до пика, соответствующего двум движущимся по спирали черным дырам, и для определения массы и вращения обеих черных дыр до их слияния. По этим оценкам они рассчитали общую площадь горизонтов – примерно 235 000 квадратных километров, что примерно в девять раз больше площади Массачусетса.

Затем они использовали свою предыдущую технику для извлечения «кольцевой волны» или отражения вновь образованной черной дыры, на основании чего они рассчитали ее массу и вращение, а в конечном итоге и площадь ее горизонта, которая, как они обнаружили, была эквивалентна 367000 квадратных километров (примерно в 13 раз больше область залива Стейт).

«Данные показывают с огромной уверенностью, что после слияния площадь горизонта увеличилась, и что закон площади выполняется с очень высокой вероятностью», – говорит Иси. «Было облегчением, что наш результат действительно соответствует парадигме, которую мы ожидаем, и действительно подтверждает наше понимание этих сложных слияний черных дыр».

Команда планирует продолжить проверку теоремы Хокинга о площадях и других давних теорий механики черной дыры, используя данные LIGO и Virgo, аналога из Италии.

«Отрадно, что мы можем по-новому взглянуть на данные о гравитационных волнах и найти ответы на вопросы, которые раньше казались нам недоступными», – говорит Иси. «Мы можем продолжать извлекать информацию, которая напрямую связана с основами того, что, как нам кажется, мы понимаем. Однажды эти данные могут выявить то, чего мы не ожидали ».