Законът за площта на черните дупки на Стивън Хокинг е потвърден наблюдателно

Теоремата за площта на черните дупки на Хокинг, известна още като втори закон на механиката на черните дупки, гласи, че общата площ на хоризонта на събитията класическа черна дупка не може да намалее с времето. Tеоремата е кръстена на физика Стивън Хокинг, който я предлага през 1971 г.

Екип физици от Масачузетския технологичен институт и др. вече я потвърждава за първи път, използвайки наблюдения на първият сигнал на гравитационната вълна GW150914.

През 1971 г. Стивън Хокинг предлага теоремата за площта на черните дупки, която дава поредица от фундаментални прозрения за механиката на черните дупки.

Теоремата прогнозира, че общата площ на хоризонта на събитията на черна дупка - и всички черни дупки във Вселената, в този смисъл - никога не трябва да намалява. Теоремата има любопитен паралел с втория закон на термодинамиката, който гласи, че ентропията или нивото на хаотичност в даден обект също никога не намалява.

Сходството между двете теории предполага, че черните дупки могат да се държат като излъчващи топлина обекти - объркващо предложение, тъй като по своята същност черните дупки никога не позволяват на енергията да избяга от тях или да излъчват.

Хокинг приема идеята, че термодинамиката играе роля в черните дупки. Всичко, което има ентропия, разсъждава той, има и температура - и всичко, което има температура, може да излъчва.

В крайна сметка Хокинг преосмисля двете идеи през 1974 г., показвайки, че черните дупки могат да имат ентропия и да излъчват радиация в много дълги времеви мащаби, ако се вземат предвид техните квантови ефекти. Това явление е наречено лъчение на Хокинг и остава едно от най-фундаменталните открития за черните дупки.

„Всичко започна с осъзнаването на Хокинг, че общата площ на хоризонта на събитията на черните дупки никога не може да намалее“, коментира д-р Максимилиано Иси (Maximiliano Isi), физик от Института за астрофизика и космически изследвания на Масачузетския технологичен институт.

Оттогава Хокинг и други показват, че теоремата за площта работи математически, но не е имало начин да се провери в природата до първото откриване на гравитационни вълни от LIGO.

Хокинг, след като чува резултата, бързо се свързва със съоснователя на LIGO професор Кип Торн (Kip Thorne) като му задава въпроса: Може ли откритието да потвърди теоремата за площта?

По това време изследователите не са имали способността да разграничават необходимата информация в сигнала, преди и след сливането, за да определят дали крайната площ на хоризонта на събитията не намалява, както предполага теоремата на Хокинг.

^{Тази компютърна симулация показва сблъсъка на две черни дупки, които са произвели гравитационно-вълновия сигнал GW150914.  Кредит: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project. LIGO}

Преди и след

През 2019 г. Иси и колегите му разработват техника за извличане на реверберациите непосредствено след пика на GW150914 - момента, в който две черни дупки се сблъскват, за да образуват нова черна дупка. Екипът използва техниката, за да избере специфични честоти или тонове на иначе шумните последици, които те биха могли да използват за изчисляване на крайната маса на черната дупка и ротацията й.

Масата и въртенето на черната дупка са пряко свързани с площта на нейния хоризонт на събитията и Торн, припомняйки въпроса на Хокинг, подхожда към него с последващ въпрос: Може ли да се използва същата техника за сравнение на сигнала преди и след сливането и да се потвърди теоремата за площта?

_{Гравитационната вълна GW150914. Кредит: BP Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)}

В новото проучване д-р Иси и колегите му разглежда по-детайлно GW150914, първият сигнал на гравитационна вълна, открит от Лазерната интерферометърна гравитационно-вълновата обсерватория LIGO през 2015 г.

Сигналът е продукт на две черни дупки, които генерират нова черна дупка, заедно с огромно количество енергия, която разклаща пространство-времето във вид на гравитационни вълни.

Ако теоремата за площта на Хокинг е вярна, тогава площта на хоризонта на новата черна дупка не трябва да бъде по-малка от общата площ на хоризонта на събитията на двете изходни черни дупки.

Физиците повторно анализират сигнала от GW150914 преди и след космическия сблъсък и установяват, че наистина общата площ на хоризонта на събитията не е намаляла след сливането - резултат, който те отчитат с 95% сигурност.

Откритието им бележи първото пряко наблюдателно потвърждение на теоремата на Хокинг за площта, което е доказано математически, но досега никога не е било наблюдавано в природата.

Сега изследователите планират да тестват бъдещите сигнали на гравитационните вълни, за да видят дали те биха могли допълнително да потвърдят теоремата на Хокинг или да отворят път за нова, разчупваща законите физика.

„Възможно е да съществува цял зоопарк с различни компактни обекти и докато някои от тях са черните дупки, които следват законите на Айнщайн и Хокинг, други може да са малко по-различни зверове“, коментира д-р Иси.

„Така че, това не значи да направим този тест веднъж и всичко е приключило. Това е началото".

Справка: 

Testing the black-hole area law with GW150914, Physical Review Letters (2021). journals.aps.org/prl/accepted/ … 4336d883136eb53c122b

On Arxiv: arxiv.org/abs/2012.04486

Източник: Physicists observationally confirm Hawking's black hole theorem for the first time
Massachusetts Institute of Technology

Още по темата

02/06/2021

Космос

Втори каталог на гравитационните вълни. Какво е новото за сливането на черни дупки?

22/04/2021

Физика

"Екзотични компактни обекти" скоро могат да разширят физиката

01/03/2021

Физика

Гравитационните вълни GW190521 може да са дошли от сблъсък на екзотични бозонни звезди

11/02/2023

Новини

На тази дата бе обявено за първи път откриването на гравитационните вълни (видео)