Fale grawitacyjne potwierdzają prawo czarnej dziury przewidziane przez Stephena Hawkinga

Mimo swojej tajemniczej natury uważa się, że czarne dziury podlegają pewnym prostym zasadom. Teraz jedno z najsłynniejszych praw dotyczących czarnych dziur, przewidziane przez fizyka Stephena Hawkinga, zostało potwierdzone przez fale grawitacyjne.

Zgodnie z twierdzeniem o powierzchni czarnych dziur, opracowanym przez Hawkinga na początku lat 70, czarne dziury nie mogą z czasem zmniejszać się powierzchni. Twierdzenie dotyczące obszarów fascynuje fizyków, ponieważ odzwierciedla dobrze znaną zasadę fizyki, zgodnie z którą nieporządek lub entropia nie może zmniejszać się z czasem. Zamiast tego entropia stale rośnie.

To „ekscytująca wskazówka, że ​​obszary czarnych dziur są czymś fundamentalnym i ważnym” – mówi astrofizyk Will Farr ze Stony Brook University w Nowym Jorku i Flatiron Institute w Nowym Jorku.

Powierzchnia samotnej czarnej dziury się nie zmieni — w końcu nic nie może uciec z jej wnętrza. Jeśli jednak wrzucisz coś do czarnej dziury, zyska ona większą masę, zwiększając swoją powierzchnię. Jednak zbliżający się obiekt może również spowodować wirowanie czarnej dziury, co zmniejsza jej powierzchnię. Prawo powierzchni mówi, że wzrost pola powierzchni ze względu na dodatkową masę zawsze przeważy nad zmniejszeniem pola powierzchni ze względu na dodatkowy obrót.

Aby przetestować tę zasadę obszaru, astrofizyk z MIT Maximiliano Isi, Farr i inni wykorzystali fale w czasoprzestrzeni wywołane przez dwie czarne dziury, które skręciły do ​​wewnątrz i połączyły się w jedną większą czarną dziurę. Powierzchnia czarnej dziury jest określona przez horyzont zdarzeń — granicę, z której nie można uciec. Zgodnie z twierdzeniem o powierzchni, powierzchnia horyzontu zdarzeń nowo utworzonej czarnej dziury powinna być co najmniej tak duża, jak powierzchnia horyzontów zdarzeń dwóch pierwotnych czarnych dziur łącznie.

Zespół przeanalizował dane z pierwszych zaobserwowanych fal grawitacyjnych, które zostały wykryte przez LIGO w 2015 r. Naukowcy podzielili dane dotyczące fal grawitacyjnych na dwa segmenty czasowe, przed i po połączeniu, i obliczyli pola powierzchni czarnych dziur w każdym okresie. Powierzchnia nowo powstałej czarnej dziury była większa niż powierzchnia dwóch początkowych czarnych dziur razem wziętych, utrzymując prawo powierzchniowe z 95-procentowym poziomem ufności, donosi zespół.

„Po raz pierwszy możemy to wyrazić w liczbach” – mówi Isi.

Twierdzenie o obszarze jest wynikiem ogólnej teorii względności, która opisuje fizykę czarnych dziur i fal grawitacyjnych. Wcześniejsze analizy fal grawitacyjnych zgadzały się z przewidywaniami ogólnej teorii względności, a zatem już wskazywały, że prawo obszaru nie może być szaleńczo odrzucane. Ale nowe badanie „jest bardziej wyraźnym potwierdzeniem” prawa obszaru, mówi fizyk Cecilia Chirenti z University of Maryland w College Park, która nie była zaangażowana w badania.

Jak dotąd ogólna teoria względności dobrze opisuje czarne dziury. Ale naukowcy nie do końca rozumieją, co się dzieje, gdy ogólna teoria względności – która zwykle dotyczy dużych obiektów, takich jak czarne dziury – spotyka mechanikę kwantową, która opisuje małe rzeczy, takie jak atomy i cząstki subatomowe. W tej kwantowej sferze dzieją się dziwne rzeczy.

Na przykład czarne dziury mogą wydzielać słabą mgiełkę cząstek zwaną promieniowaniem Hawkinga, kolejnym pomysłem opracowanym przez Hawkinga w latach 70. XX wieku. Ten efekt może pozwolić na kurczenie się czarnych dziur, naruszając prawo obszarowe, ale tylko przez bardzo długie okresy czasu, więc nie wpłynęłoby to na stosunkowo szybkie połączenie czarnych dziur, które zaobserwowało LIGO.

Fizycy poszukują ulepszonej teorii, która połączy te dwie dyscypliny w jedną nową, ulepszoną teorię grawitacji kwantowej. Wszelkie niepowodzenie czarnych dziur w przestrzeganiu zasad ogólnej teorii względności może wskazać fizykom właściwy kierunek, aby znaleźć tę nową teorię.

Share