Fysikere bekræfter observationelt Hawkings sorte hul-sætning for første gang

Der er visse regler, som selv de mest ekstreme objekter i universet skal adlyde. En central lov for sorte huller forudsiger, at området for deres begivenhedshorisonter - grænsen, ud over hvilken intet nogensinde kan undslippe - aldrig må krympe. Denne lov er Hawkings områdesætning, opkaldt efter fysikeren Stephen Hawking, der udledte sætningen i 1971.

Halvtreds år senere, fysikere ved MIT og andre steder har nu bekræftet Hawkings områdesætning for første gang, ved hjælp af observationer af gravitationsbølger. Deres resultater vises i dag i Fysiske anmeldelsesbreve .

I undersøgelsen, forskerne kigger nærmere på GW150914, det første gravitationsbølgesignal detekteret af Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), i 2015. Signalet var et produkt af to inspirerende sorte huller, der genererede et nyt sort hul, sammen med en enorm mængde energi, der bølgede over rumtiden som gravitationsbølger.

Hvis Hawkings områdesætning holder, så bør horisontområdet for det nye sorte hul ikke være mindre end det samlede horisontareal af dets forældre sorte huller. I den nye undersøgelse, fysikerne genanalyserede signalet fra GW150914 før og efter den kosmiske kollision og fandt ud af, at det samlede begivenhedshorisontområde faldt ikke efter fusionen – et resultat, som de rapporterer med 95 procents sikkerhed.

Deres fund markerer den første direkte observationsbekræftelse af Hawkings områdesætning, som er blevet bevist matematisk, men aldrig observeret i naturen før nu. Holdet planlægger at teste fremtidige gravitationsbølgesignaler for at se, om de yderligere kan bekræfte Hawkings sætning eller være et tegn på nye, lovbøjende fysik.

"Det er muligt, at der er en zoologisk have med forskellige kompakte genstande, og mens nogle af dem er de sorte huller, der følger Einstein og Hawkings love, andre kan være lidt anderledes bæster, " siger hovedforfatter Maximiliano Isi, en NASA Einstein Postdoc-stipendiat ved MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Så, det er ikke sådan, at du laver denne test en gang, og det er slut. Du gør det en gang, og det er begyndelsen."

Isis medforfattere på papiret er Will Farr fra Stony Brook University og Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics, Matthew Giesler fra Cornell University, Mark Scheel fra Caltech, og Saul Teukolsky fra Cornell University og Caltech.

En tidsalder af indsigter

I 1971, Stephen Hawking foreslog arealsætningen, som satte gang i en række grundlæggende indsigter om sorte huls mekanik. Sætningen forudsiger, at det samlede areal af et sort huls begivenhedshorisont – og alle sorte huller i universet, for den sags skyld - bør aldrig falde. Udtalelsen var en underlig parallel til den anden termodynamiske lov, som siger, at entropien, eller graden af ​​uorden i et objekt, bør heller aldrig falde.

Ligheden mellem de to teorier antydede, at sorte huller kunne opføre sig som termiske, varmeafgivende genstande - et forvirrende forslag, da sorte huller i sagens natur blev anset for aldrig at lade energi slippe ud, eller udstråle. Hawking til sidst kvadrerede de to ideer i 1974, viser, at sorte huller kunne have entropi og udsende stråling over meget lange tidsskalaer, hvis deres kvanteeffekter blev taget i betragtning. Dette fænomen blev døbt "Hawking-stråling" og er fortsat en af ​​de mest fundamentale afsløringer om sorte huller.

"Det hele startede med Hawkings erkendelse af, at det totale horisontareal i sorte huller aldrig kan falde ned, "Siger Isi." Områdeloven indkapsler en guldalder i 70'erne, hvor alle disse indsigter blev frembragt. "

Hawking og andre har siden vist, at områdesætningen fungerer matematisk, men der havde ikke været nogen måde at kontrollere det mod naturen, indtil LIGO's første opdagelse af gravitationsbølger.

Hawking, ved at høre resultatet, kontaktede hurtigt LIGOs medstifter Kip Thorne, Feynman-professoren i teoretisk fysik ved Caltech. Hans spørgsmål:Kunne detektionen bekræfte arealsætningen?

På det tidspunkt, forskere havde ikke evnen til at udvælge den nødvendige information i signalet, før og efter fusionen, at afgøre, om det endelige horisontområde ikke faldt, som Hawkings sætning ville antage. Det var først flere år senere, og udviklingen af ​​en teknik af Isi og hans kolleger, da test af områdeloven blev mulig.

Før og efter

I 2019, Isi og hans kolleger udviklede en teknik til at udtrække efterklangene umiddelbart efter GW150914's højdepunkt - det øjeblik, hvor de to forældres sorte huller kolliderede for at danne et nyt sort hul. Holdet brugte teknikken til at udvælge specifikke frekvenser, eller toner af det ellers støjende efterspil, som de kunne bruge til at beregne det endelige sorte huls masse og spin.

Et sort huls masse og spin er direkte relateret til området for dets begivenhedshorisont, og Thorne, husker Hawkings forespørgsel, henvendte sig til dem med en opfølgning:Kunne de bruge den samme teknik til at sammenligne signalet før og efter fusionen? og bekræfte arealsætningen?

Forskerne tog udfordringen op, og igen splitte GW150914-signalet på sit højeste. De udviklede en model til at analysere signalet før toppen, svarende til de to inspirerende sorte huller, og at identificere massen og spin af begge sorte huller, før de smeltede sammen. Ud fra disse skøn, de beregnede deres samlede horisontområder - et skøn omtrent lig med omkring 235, 000 kvadratkilometer, eller omkring ni gange arealet af Massachusetts.

De brugte derefter deres tidligere teknik til at udtrække "ringdown, "eller genklang af det nydannede sorte hul, hvorfra de beregnede dens masse og spin, og i sidste ende dets horisontområde, som de fandt svarede til 367, 000 kvadratkilometer (ca. 13 gange Bay State's areal).

"Dataene viser med overvældende tillid, at horisontområdet steg efter fusionen, og at områdeloven er tilfreds med meget høj sandsynlighed, " siger Isi. "Det var en lettelse, at vores resultat stemmer overens med det paradigme, vi forventer, og bekræfter vores forståelse af disse komplicerede sorte hul-fusioner."

Holdet planlægger yderligere at teste Hawkings arealsætning, og andre mangeårige teorier om sorte huls mekanik, ved hjælp af data fra LIGO og Jomfru, sit modstykke i Italien.

"Det er opmuntrende, at vi kan tænke nyt, kreative måder om gravitationsbølgedata, og nå spørgsmål, vi troede, vi ikke kunne før, ”Siger Isi.” Vi kan blive ved med at drille oplysninger, der taler direkte til søjlerne i det, vi tror, ​​vi forstår. En dag, disse data kan afsløre noget, vi ikke havde forventet. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.