El teorema del «agujero HV» de Hawking fue confirmado por primera vez por observación

La impresión del artista de dos agujeros negros que están a punto de colisionar y fusionarse.

El estudio ofrece evidencia basada en ondas gravitacionales para mostrar que el área total del horizonte de eventos del agujero negro nunca se puede reducir.

Hay ciertas reglas que deben obedecer incluso los objetos más extremos del universo. La ley central de los agujeros de propiedad intelectual estipula que el área de sus horizontes de eventos, el límite más allá del cual nada puede evitarse, nunca debe reducirse. Esta ley es el teorema del área de Hawking, que lleva el nombre del físico Stephen Hawking, quien recibió el teorema en 1971.

Cincuenta años después, el MIT և y otros físicos confirmaron por primera vez el teorema de Hawking utilizando observaciones de ondas gravitacionales. Sus resultados aparecen hoy (1 de julio de 2021) en: Letras de escritura física,

Durante el estudio, los investigadores observaron más de cerca GW150914, la primera señal de onda gravitacional detectada por el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) en 2015. La señal fue el resultado de dos inspiradores agujeros negros que formaron un nuevo agujero negro. junto con una enorme cantidad de energía que se esparce por el espacio-tiempo en forma de ondas gravitacionales.

Si se cumple el teorema del área de Hawking, el área del nuevo horizonte de agujero negro no debería ser menor que el área total de su horizonte de agujero negro principal. En un nuevo estudio, los físicos revisaron la señal de GW150914 antes de la colisión espacial y encontraron que, de hecho, el área total del horizonte de eventos no disminuyó después de la fusión, lo que informaron con un 95% de confianza.

En otros lugares, los físicos del MIT han utilizado ondas gravitacionales para demostrar el teorema del área del agujero negro de Hawking por primera vez. Esta simulación por computadora muestra dos agujeros negros que chocan para producir una señal de onda gravitacional, GW150914. Préstamo Modelado de proyectos EXtreme Spacetimes (SXS). Préstamo Gracias a LIGO

Sus hallazgos marcan la primera confirmación observacional directa del teorema de Hawking, que ha sido probado matemáticamente pero nunca se ha observado en la naturaleza. El equipo planea probar futuras señales de ondas gravitacionales para ver si pueden respaldar aún más el teorema de Hawking o ser un signo de una nueva física sin ley.

«Es posible que haya un zoológico de varios objetos compactos, aunque algunos de ellos son agujeros de pecado que siguen las leyes de Einstein օրենք Hawking, otros pueden ser bestias ligeramente diferentes», dijo Maximiliano Issi, autor principal del MIT. Especialista de posgrado en Einstein Einstein . Instituto Cavli de Astrofísica և Investigación espacial. «Entonces, no es como si hicieras esta prueba una vez, se acabó. Lo haces una vez: ese es el comienzo «.

Sobre el papel, Issy fue coautor de Will Farr de la Universidad de Brook, el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron, Matthew Gisler de la Universidad de Cornell, Mark Schill de Caltech y Saul Teukolski de la Universidad de Cornell de Caltech.

La era de la perspicacia

En 1971, Stephen Hawking propuso el teorema del espacio, que introdujo una serie de ideas básicas sobre la mecánica de los agujeros negros. El teorema predice que el área total del horizonte de sucesos del agujero negro, բոլոր en este caso, todos los agujeros negros del universo, nunca debería disminuir. La declaración fue un paralelo interesante a la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía o el grado de desorden de un objeto tampoco debe reducirse nunca.

La similitud entre las dos teorías sugirió que los agujeros negros podrían tratarse como objetos emisores de calor, una proposición confusa porque creían que los agujeros negros por su naturaleza nunca permitían que la energía se escape o irradiara. En 1974, Hawking finalmente cuadró las dos ideas, mostrando que las cavidades pueden tener entropía e irradiar durante períodos de tiempo muy largos si se tienen en cuenta sus efectos cuánticos. Este fenómeno, denominado «radiación de Hawking», sigue siendo uno de los descubrimientos más fundamentales sobre los agujeros negros.

«Todo comenzó cuando Hawking se dio cuenta de que el horizonte total de los agujeros negros nunca podría bajar», dijo Issy. «La ley territorial contiene la edad de oro de los años 70, donde se crearon todas estas ideas».

Hawking y otros demostraron que el teorema del espacio funciona matemáticamente, pero hasta el primer descubrimiento de las ondas gravitacionales LIGO, no se pudo contrastar con la naturaleza.

Al escuchar el resultado, Hawking se puso en contacto rápidamente con KIP Thorne, cofundador de LIGO, y Kip Thorne, profesor de Feynman de física teórica de Caltech. Su pregunta. ¿Puede el descubrimiento confirmar el teorema del área?

En ese momento, los investigadores no pudieron seleccionar la información necesaria dentro de la señal antes de la fusión para determinar si el área del horizonte final se había reducido, como sugería el teorema de Hawking. Unos años más tarde, mientras se probaba la ley del área, el desarrollo de equipos por parte de Isi y sus socios se volvió factible.

Antes և Después de eso

En 2019, Isi և y sus colegas desarrollaron una técnica para generar retroalimentación inmediata en el pico de GW150914, el momento en que dos grandes agujeros negros chocaron para formar un nuevo agujero negro. El equipo usó la técnica para seleccionar frecuencias específicas o toneladas de otras inversiones ruidosas que podrían usar para calcular la masa del último agujero negro en girar.

La masa de la cavidad և la rotación está directamente relacionada con el área de su horizonte de eventos և El nieto, recordando la pregunta de Hawking, se acercó a ellos con la siguiente acción: ¿Pueden usar la misma técnica para comparar la señal antes և después de la fusión և para confirmar el teorema del área?

Los investigadores aceptaron el desafío y dividieron la señal GW150914 hasta su punto máximo. Desarrollaron un modelo que debía analizar la señal antes del pico, haciendo coincidir los dos agujeros negros inspiradores, para detectar la masa y la rotación de los dos agujeros negros antes de que se fusionaran. A partir de estas estimaciones calcularon las áreas totales de su horizonte. Aproximada: aproximadamente 235.000 km2, o aproximadamente nueve veces el área de Massachusetts.

Luego utilizaron su técnica anterior para obtener un nuevo «anillo» o eco de agujero negro récord a partir del cual calcularon su masa և rotación և, finalmente el área de su horizonte, que encontraron que era equivalente a 367,000 kilómetros cuadrados (aproximadamente 13 veces). territorio del estado).

«Los datos muestran con abrumadora confianza que el área del horizonte ha aumentado desde la fusión, y es muy probable que se cumpla la ley en el área», dijo Issy. «Fue un alivio que nuestro resultado estuviera realmente de acuerdo con el paradigma que esperábamos, lo que confirma nuestra comprensión de la fusión de estos complejos agujeros».

El equipo planea probar aún más el teorema del área de Hawking, otras teorías largas de la mecánica de los agujeros negros, utilizando datos de su socio italiano LIGO, Virgo.

«Es alentador que podamos pensar en términos de datos de ondas gravitacionales con formas nuevas y creativas de llegar a preguntas que pensamos que no podíamos en el pasado», dijo Issy. «Podemos seguir ridiculizando piezas de información que hablan directamente de lo que creemos que entendemos. «Es posible que algún día estos datos revelen algo que no esperábamos».

Referencia. «Prueba de la Ley del Área del Área de la Cavidad por GW150914» por Maximiliano Easy, Will M. Farr, Matthew Gisler, Mark A. Letras de escritura física,
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.011103:

Esta investigación fue apoyada parcialmente por la NASA, la Fundación Simmons y la Fundación Nacional de Ciencias.