Observationele natuurkundigen bevestigen voor het eerst de theorie van Hawking over een zwart gat

Er zijn enkele regels die zelfs de meest extreme dingen in het universum moeten volgen. Een centrale wet voor zwarte gaten voorspelt dat hun waarnemingshorizongebied – de grens waar niets kan ontsnappen – nooit mag verkleinen. 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 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 bits zwarte gaten Dat produceerde een nieuw zwart gat, samen met een enorme hoeveelheid energie die als zwaartekrachtgolven door de ruimtetijd golfde.

Als de Hawking-gebiedstheorie correct is, dan horizon De oppervlakte van een nieuw zwart gat mag niet kleiner zijn dan de totale horizon 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.

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 ik deze test één keer heb gedaan en het is voorbij. Ik heb dit één keer gedaan, 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 in het kwadraat gebracht, wat aantoont dat zwarte gaten entropie kunnen hebben en gedurende zeer lange tijd straling kunnen uitzenden als rekening wordt gehouden met 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. “Zone Code vat een gouden eeuw samen 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 totdat LIGO De 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 postuleert. 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 technologie voor: echo extractie 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 hun totale skyline – 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 een nieuw gevormd zwart gat te extraheren, waarvan ze de massa, rotatie en uiteindelijk het gebied van de horizon berekenden, waarvan ze 367.000 vierkante kilometer (ongeveer 13 keer het Bay State-gebied).

“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 consistent is met het model dat we verwachten, en bevestigt ons begrip van deze complexe samensmeltingen van zwarte gaten.”

Het team is van plan om aanvullende tests uit te voeren voor het Hawking-gebied theorie, en andere oude theorieën over de mechanica van zwarte gaten, gebruikmakend 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.”

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met toestemming van MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over onderzoek, innovatie en onderwijs aan het MIT.