Fizycy po raz pierwszy potwierdzają obserwacyjnie twierdzenie Hawkinga o czarnych dziurach

Badanie dostarcza dowodów opartych na falach grawitacyjnych, które pokazują, że całkowita powierzchnia horyzontu zdarzeń czarnej dziury nigdy nie może się zmniejszyć.

Symulacja komputerowa pokazująca zderzenie się dwóch czarnych dziur, które wytworzyły sygnał fal grawitacyjnych GW150914. Źródło: Projekt Simulating eXtreme Spacetimes (SXS). Dzięki uprzejmości LIGO.

Istnieją pewne zasady, których muszą przestrzegać nawet najbardziej ekstremalne obiekty we Wszechświecie. Główne prawo dotyczące czarnych dziur przewiduje, że obszar ich horyzontów zdarzeń – granica, spoza której nic nie może uciec – nigdy nie powinien się kurczyć. To prawo jest twierdzeniem Hawkinga o powierzchni, nazwanym na cześć fizyka Stephena Hawkinga, który wprowadził to twierdzenie w 1971 roku.

Pięćdziesiąt lat później fizycy z MIT i innych ośrodków po raz pierwszy potwierdzili to twierdzenie, wykorzystując obserwacje fal grawitacyjnych. Ich wyniki ukazały się 1 lipca 2021 r. w Physical Review Letters.

W pracy badacze przyglądają się bliżej GW150914, pierwszemu sygnałowi fal grawitacyjnych wykrytemu przez Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), w 2015 roku. Sygnał ten był produktem dwóch czarnych dziur okrążających się po spirali, które wytworzyły nową czarną dziurę, wraz z ogromną ilością energii zakrzywiającej czasoprzestrzeń w postaci fal grawitacyjnych.

Jeżeli twierdzenie Hawkinga o powierzchni jest prawdziwe, to powierzchnia horyzontu zdarzeń nowej czarnej dziury nie powinna być mniejsza niż całkowita powierzchnia horyzontu jej macierzystych czarnych dziur. W nowym badaniu fizycy ponownie przeanalizowali sygnał z GW150914 przed i po kosmicznej kolizji i stwierdzili, że rzeczywiście całkowity obszar horyzontu zdarzeń nie zmniejszył się po fuzji – wynik ten podają z 95% pewnością.

Ich odkrycia stanowią pierwsze bezpośrednie obserwacyjne potwierdzenie twierdzenia Hawkinga o powierzchni, które zostało udowodnione matematycznie, ale do tej pory nie zostało zaobserwowane w przyrodzie. Zespół planuje zbadać przyszłe sygnały fal grawitacyjnych, aby sprawdzić, czy mogą one jeszcze bardziej potwierdzić twierdzenie Hawkinga lub być oznaką nowej, naginającej prawa fizyki.

Wieki spostrzeżeń
W 1971 roku Stephen Hawking zaproponował teorię o powierzchni, która zapoczątkowała serię fundamentalnych spostrzeżeń na temat mechaniki czarnych dziur. Twierdzenie to przewiduje, że całkowita powierzchnia horyzontu zdarzeń czarnej dziury – i wszystkich czarnych dziur we Wszechświecie – nigdy nie powinna się zmniejszyć. Stwierdzenie to było dziwną paralelą do drugiej zasady termodynamiki, która mówi, że entropia, czyli stopień nieuporządkowania w obiekcie nigdy nie powinien się zmniejszać.

Podobieństwo między tymi dwiema teoriami sugeruje, że czarne dziury mogą zachowywać się jak obiekty termiczne, emitujące ciepło – co jest mylące, ponieważ uważano, że czarne dziury z samej swojej natury nigdy nie pozwalają energii uciec ani promieniować. Hawking ostatecznie połączył te dwie koncepcje w 1974 roku, pokazując, że czarne dziury mogą mieć entropię i emitować promieniowanie w bardzo długich skalach czasowych, jeżeli uwzględni się ich efekty kwantowe. Zjawisko to zostało nazwane „promieniowaniem Hawkinga” i pozostaje jednym z najbardziej fundamentalnych odkryć dotyczących czarnych dziur.

Hawking, dowiedziawszy się o wynikach, skontaktował się ze współzałożycielem LIGO Kipem Thorne’em, profesorem fizyki teoretycznej Feynmana w Caltech. Zapytał: czy detekcja mogłaby potwierdzić twierdzenie o powierzchni?

W tamtym czasie naukowcy nie mieli możliwości wydobycia niezbędnych informacji z sygnału przed i po fuzji, aby stwierdzić, czy powierzchnia ostatecznego horyzontu zdarzeń nie zmniejszyła się, jak zakłada to twierdzenie Hawkinga. Dopiero kilka lat później, po opracowaniu techniki przez Maximiliano Isi, głównego autora pracy, i jego kolegów, sprawdzenie prawa powierzchni stało się możliwe.

Przed i po
W 2019 roku Isi i jego koledzy opracowali technikę wyodrębniania pogłosów bezpośrednio po szczycie GW150914 – momencie, w którym dwie macierzyste czarne dziury zlały się, tworząc nową czarną dziurę. Zespół wykorzystał tę technikę do wyodrębnienia określonych częstotliwości lub tonów hałaśliwego następstwa, które mogli wykorzystać do obliczenia masy i spinu ostatecznej czarnej dziury.

Masa i spin są bezpośrednio związane z powierzchnią jej horyzontu zdarzeń i Thorne zwrócił się do nich z pytaniem: czy mogliby użyć tej samej techniki do porównania sygnału przed i po fuzji i potwierdzić twierdzenie?

Naukowcy podjęli wyzwanie i ponownie podzielili sygnał GW150914 w jego szczytowym punkcie. Opracowali model do analizy sygnału przed szczytem, odpowiadającego dwóm czarnym dziurom okrążającym się po spirali, oraz do określenia masy i spinu obu czarnych dziur przed ich połączeniem. Na podstawie tych szacunków obliczyli ich całkowite powierzchnie horyzontów zdarzeń – około 250 000 km kwadratowych.

Następnie wykorzystali swoją poprzednią technikę, aby wyodrębnić pogłosy nowo powstałej czarnej dziury, na podstawie których obliczyli jej masę i spin, a ostatecznie powierzchnię horyzontu zdarzeń, która okazała się być równa 367 000 km kwadratowym. Jak widać, jest większa a nie mniejsza.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Popularne posty z tego bloga

Dziwne fale radiowe wyłaniają się z kierunku centrum Galaktyki

Odkryto nową „skamieniałą galaktykę” zakopaną głęboko w Drodze Mlecznej

W pobliżu jednej z najstarszych gwiazd w naszej galaktyce odkryto „superziemię”