Главное предсказание Стивена Хокинга относительно черных дыр 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 разных 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 окончен. Вы делаете это один раз, и это начало».

Хокинг впервые предложил свою теорему еще в 1971 году. В ней было предсказано, что площадь поверхности горизонта событий черной дыры никогда не должна уменьшаться, а только увеличиваться.

Горизонт событий пропорционален массе черной дыры; поскольку черные дыры могут только набирать массу, согласно общей теории относительности горизонт событий должен только увеличиваться.

Эта модель также похожа на второй закон термодинамики. В ней говорится, 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.

Волна 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, вычислив массу и вращение 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 объединенной черной дыры должен быть меньше, чем у двух черных дыр, которые ее создали. Согласно расчетам, две меньшие черные дыры имели общую площадь горизонта событий 235 000 квадратных километров. Объединенная черная дыра имела площадь 367 000 квадратных километров.

«Данные показывают, что после слияния площадь горизонта увеличилась, и что закон площади выполняется с очень высокой вероятностью», — сказал Иси.

«Наш результат действительно соответствует парадигме, и действительно подтверждает наше понимание 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.

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.