Главное предсказание Стивена Хокинга по черным дырам наконец-то сбылось
Астрономия с гравитационными волнами только что подарила нам еще один удивительный подарок: первое наблюдательное подтверждение одного из предсказаний Стивена Хокинга о черных дырах.
Анализ самой первой гравитационной волны, обнаруженной еще в 2015 году, GW150914 , подтвердил теорему Хокинга о площади. В нем говорится, что в соответствии с классической физикой область горизонта событий черной дыры может только увеличиваться - и никогда не уменьшаться.
Эта работа дает нам новый инструмент для исследования этих загадочных объектов и проверки границ нашего понимания Вселенной. "Возможно, существует целый зоопарк, состоящий из различных компактных объектов, и, хотя некоторые из них являются черными дырами, которые подчиняются законам Эйнштейна и Хокинга, другие могут быть немного другими животными", - сказал астрофизик Максимилиано Иси из Института астрофизики и космических исследований Массачусетского технологического института.
"Итак, это не значит, что вы делаете этот тест один раз, а он закончен. Вы делаете это один раз, и это начало".
Хокинг впервые предложил свою теорему еще в 1971 году. Она предсказала, что площадь поверхности горизонта событий черной дыры никогда не должна уменьшаться, а только увеличиваться. Горизонт событий - это не сама черная дыра, а радиус, при котором даже скорость света в вакууме недостаточна для достижения скорости убегания из гравитационного поля, создаваемого сингулярностью черной дыры.
Он пропорционален массе черной дыры; поскольку черные дыры могут только набирать массу, согласно общей теории относительности горизонт событий должен только увеличиваться.
(Эта модель, предусматривающая только увеличение, также любопытно похожа на другую теорию, второй закон термодинамики. Она утверждает, что энтропия - прогрессия от порядка к беспорядку во Вселенной - может только увеличиваться. Черным дырам также приписывается энтропия, и это прямо пропорциональна их площади поверхности горизонта событий).
Математически теорема площади подтверждается, но ее трудно подтвердить с помощью наблюдений - в основном потому, что черные дыры чрезвычайно трудно наблюдать напрямую, поскольку они не излучают обнаруживаемого излучения. Но затем мы обнаружили гравитационную рябь, распространяющуюся в пространстве-времени при столкновении двух из этих загадочных объектов.
Это был GW150914, и короткая вспышка столкновения, зарегистрированная интерферометром LIGO, все изменила. Это было первое прямое обнаружение не одной черной дыры, а двух. Они объединились и образовали одну большую черную дыру. Затем эта черная дыра слабо звенела, как колокол.
В 2019 году Иси и его коллеги разработали, как обнаружить сигнал этого звонка. Теперь они его расшифровали, разбив, чтобы вычислить массу и вращение последней черной дыры. Они также провели новый анализ сигнала слияния, чтобы вычислить массу и спин двух черных дыр до слияния. Поскольку масса и вращение связаны с площадью горизонта событий, это позволило им вычислить горизонты событий всех трех объектов.
Если горизонт событий может уменьшиться в размерах, то горизонт событий последней объединенной черной дыры должен быть меньше, чем горизонт событий двух черных дыр, которые ее создали. Согласно их расчетам, две меньшие черные дыры имели общую площадь горизонта событий 235 000 квадратных километров. Последняя черная дыра имела площадь 367 000 квадратных километров.
"Данные показывают с огромной уверенностью, что после слияния площадь горизонта увеличилась, и что закон площади выполняется с очень высокой вероятностью", - сказал Иси.
"Было облегчением, что наш результат действительно соответствует парадигме, которую мы ожидаем, и действительно подтверждает наше понимание этих сложных слияний черных дыр". По крайней мере, в краткосрочной перспективе.
В рамках квантовой механики, которая не очень хорошо сочетается с классической физикой, Хокинг позже предсказал, что в течение очень долгого времени черные дыры должны терять массу в виде излучения черного тела, которое мы теперь называем излучением Хокинга.
Так что все еще возможно, что горизонт событий черной дыры со временем может уменьшиться в площади. Очевидно, что в будущем это потребует более тщательного изучения. Тем временем работа Иси и его команды дала нам новый набор инструментов для исследования других наблюдений гравитационных волн в надежде получить еще больше информации о черных дырах и физике Вселенной.
"Отрадно, что мы можем по-новому взглянуть на данные о гравитационных волнах и найти ответы на вопросы, которые раньше казались нам недоступными", - сказал Иси.
"Мы можем продолжать извлекать фрагменты информации, которые напрямую говорят о том, что, как нам кажется, мы понимаем. Однажды эти данные могут раскрыть то, чего мы не ожидали".
