De zwarte-gattheorie van Hawking wordt voor het eerst bevestigd door observatie

De studie levert bewijs, gebaseerd op zwaartekrachtsgolven, om aan te tonen dat de totale oppervlakte van de waarnemingshorizon van een zwart gat nooit kan afnemen.

Er zijn enkele regels die zelfs de meest extreme dingen in het universum moeten volgen. De centrale wet van zwarte gaten voorspelt dat hun waarnemingshorizongebied – de grens waar niets kan ontsnappen – nooit mag krimpen. Deze wet is de Hawking-gebiedstheorie, genoemd naar de natuurkundige Stephen Hawking, die deze theorie in 1971 afleidde.

Vijftig jaar later bevestigden natuurkundigen van het MIT en elders voor het eerst de theorie van de Hawking-zone, met behulp van waarnemingen van zwaartekrachtsgolven. Hun resultaten verschijnen vandaag (1 juli 2021) in fysieke beoordelingsberichten.

In het onderzoek hebben onderzoekers GW150914 nader bekeken, het eerste zwaartekrachtgolfsignaal dat in 2015 werd gedetecteerd door de Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO). Het signaal was het product van twee inspirerende zwarte gaten die samen een nieuw zwart gat hebben voortgebracht. met een enorme hoeveelheid energie die door de ruimtetijd wordt gepropageerd in de vorm van zwaartekrachtsgolven.

Als de theorie van de Hawking-regio klopt, dan mag het horizongebied van het nieuwe zwarte gat niet kleiner zijn dan het totale horizongebied van de originele zwarte gaten. In de nieuwe studie analyseerden natuurkundigen het signaal van GW150914 voor en na de kosmische botsing opnieuw en ontdekten dat het totale gebied van de gebeurtenishorizon niet afnam na de fusie – een resultaat dat ze met een betrouwbaarheid van 95% rapporteren.

Natuurkundigen aan het MIT en elders hebben zwaartekrachtgolven gebruikt om de theorie van het zwarte gatgebied van Hawking voor het eerst te bevestigen door middel van observatie. Deze computersimulatie toont de botsing van twee zwarte gaten die het zwaartekrachtsgolfsignaal GW150914 produceerden. Krediet: Extreem ruimtesimulatieproject (SXS). Krediet: met dank aan LIGO

Hun bevindingen vertegenwoordigen de eerste directe waarnemingsbevestiging van Hawking’s zonetheorie, die wiskundig is bewezen maar nog niet in de natuur is waargenomen. Het team is van plan toekomstige zwaartekrachtsgolfsignalen te testen om te zien of ze de theorie van Hawking verder zullen bevestigen of een teken zijn van nieuwe natuurkunde die de wetten verdraait.

“Het is mogelijk dat er een dierentuin zal zijn met verschillende compacte objecten, en hoewel sommige zwarte gaten zijn die de wetten van Einstein en Hawking volgen, kunnen andere dat zijn”, zegt hoofdauteur Maximiliano Essie, een postdoctoraal onderzoeker van NASA aan het MIT, Maximiliano Essie. verschillende monsters.” Kavli Instituut voor Astrofysica en Ruimteonderzoek. “Dus het is niet alsof je deze test één keer hebt gedaan en het is voorbij. Je doet dit één keer, en dat is het begin.”

Isi’s co-auteurs op het papier zijn Will Farr van Stony Brook University en het Flatiron Center for Computational Astrophysics, Matthew Geisler van Cornell University, Mark Schell van Caltech en Saul Tiukolsky van Cornell University en Caltech.

tijdperk van visioenen

In 1971 stelde Stephen Hawking de gebiedstheorie voor, die een reeks fundamentele ideeën over de mechanica van zwarte gaten lanceerde. De theorie voorspelt dat het totale oppervlak van de waarnemingshorizon van een zwart gat – en alle zwarte gaten in het universum trouwens – nooit zou mogen afnemen. De verklaring was een vreemde parallel met de tweede wet van de thermodynamica, die stelt dat entropie, of de mate van wanorde binnen een object, nooit mag afnemen.

De overeenkomst tussen de twee theorieën suggereert dat zwarte gaten zich kunnen gedragen als thermische objecten die warmte afgeven – een verwarrende stelling, omdat men geloofde dat zwarte gaten van nature nooit ontsnappen of straling toestaan. Uiteindelijk heeft Hawking de twee ideeën in 1974 rechtgezet en aangetoond dat zwarte gaten entropie kunnen hebben en gedurende zeer lange tijd straling kunnen uitzenden als rekening wordt gehouden met hun kwantumeffecten. Dit fenomeen wordt “Hawking-straling” genoemd en blijft een van de meest fundamentele ontdekkingen over zwarte gaten.

“Het begon allemaal met het besef van Hawking dat het totale horizongebied van zwarte gaten nooit zou kunnen afnemen”, zegt Issy. “De District Code is een voorbeeld van een gouden eeuw in de jaren zeventig waarin al deze ideeën werden geproduceerd.”

Hawking en anderen hebben sindsdien aangetoond dat gebiedstheorie wiskundig werkt, maar er was geen manier om het te vergelijken met de natuur tot LIGO’s eerste detectie van zwaartekrachtsgolven.

Bij het horen van het resultaat nam Hawking snel contact op met LIGO-medeoprichter Kip Thorne, de Feynman-hoogleraar theoretische fysica aan Caltech. Zijn vraag: Kan de ontdekking de gebiedstheorie bevestigen?

Destijds hadden onderzoekers niet de mogelijkheid om de nodige informatie uit het signaal te halen, voor en na het samenvoegen, om te bepalen of het uiteindelijke horizongebied niet was afgenomen, zoals de theorie van Hawking veronderstelt. Het was pas enkele jaren later dat de ontwikkeling van een techniek door Isi en zijn collega’s, bij het testen van het recht van de regio, mogelijk werd.

voor en na

In 2019 ontwikkelden Isi en collega’s een echo-extractietechniek direct na de piek van GW150914 – het moment waarop de twee originele zwarte gaten met elkaar in botsing kwamen om een ​​nieuw zwart gat te vormen. Het team gebruikte deze techniek om specifieke frequenties, of tonen voor luide effecten, te selecteren die ze kunnen gebruiken om de uiteindelijke massa en rotatie van het zwarte gat te berekenen.

De massa en rotatie van een zwart gat zijn direct gerelateerd aan het gebied van zijn waarnemingshorizon, en Thorne benaderde hen, herinnerend aan de vraag van Hawking, met een vervolg: kunnen ze dezelfde techniek gebruiken om het signaal voor en na de fusie te vergelijken, wat de regiotheorie bevestigt ?

De onderzoekers gingen de uitdaging aan en splitsten opnieuw het GW150914-signaal naar zijn hoogtepunt. Ze ontwikkelden een model om het signaal voor de piek te analyseren, wat overeenkomt met inspirerende zwarte gaten, en om de massa en rotatie van beide zwarte gaten te bepalen voordat ze samensmelten. Op basis van deze schattingen berekenden ze het totale horizongebied – een schatting die ongeveer gelijk is aan ongeveer 235.000 vierkante kilometer, of ongeveer negen keer de grootte van Massachusetts.

Vervolgens gebruikten ze hun eerdere techniek om de “ring” of bounces van het nieuw gevormde zwarte gat te extraheren, waarvan ze de massa, rotatie en uiteindelijk het gebied van de horizon berekenden, waarvan ze vonden dat het het equivalent was van 367.000 vierkante kilometer (ongeveer 13 keer het gebied van de Bay State).

“De gegevens laten met overweldigend vertrouwen zien dat het horizongebied is toegenomen na de fusie en dat de wet van het gebied met een zeer hoge waarschijnlijkheid tevreden is”, zegt Issy. “Het was een opluchting dat ons resultaat overeenkwam met het model dat we verwachten, en bevestigt ons begrip van deze complexe samensmeltingen van zwarte gaten.”

Het team is van plan verdere tests uit te voeren van de regiotheorie van Hawking en andere langlopende theorieën over de mechanica van zwarte gaten, met behulp van gegevens van LIGO en Virgo, zijn tegenhanger in Italië.

“Het is bemoedigend dat we op nieuwe en innovatieve manieren kunnen denken over zwaartekrachtsgolfgegevens en met vragen kunnen komen waarvan we dachten dat we ze eerder niet konden”, zegt Issy. “We kunnen doorgaan met het extraheren van stukjes informatie die rechtstreeks spreken met de substraten van wat we denken te begrijpen. Op een dag kunnen deze gegevens iets onthullen dat we niet hadden verwacht.”

Referentie: “Black Hole Region Law Test using GW150914” door Maximiliano Essi, Will M. Farr, Matthew Geisler, Mark A. Shell en Saul A. Teukolsky, 1 juli 2021, hier beschikbaar. fysieke beoordelingsberichten.
DOI: 10.1103/ PhysRevLett.127.011103

Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door NASA, de Simmons Foundation en de National Science Foundation.