Hawking’in kara delik teorisi ilk kez gözlemle doğrulandı

Bir sanatçının çarpışmak ve birleşmek üzere olan iki kara delik izlenimi.

Çalışma, bir kara deliğin olay ufkunun toplam alanının asla azalmayacağını göstermek için yerçekimi dalgalarına dayanan kanıtlar sunuyor.

Evrendeki en uç şeylerin bile uyması gereken bazı kurallar vardır. Kara deliklerin merkezi yasası, olay ufku bölgesinin -hiçbir şeyin kaçamayacağı sınır- asla küçülmemesi gerektiğini öngörür. Bu yasa, adını 1971’de bu teoriyi türeten fizikçi Stephen Hawking’den alan Hawking alan teorisidir.

Elli yıl sonra, MIT ve başka yerlerdeki fizikçiler, yerçekimi dalgalarının gözlemlerini kullanarak Hawking bölgesi teorisini ilk kez doğruladılar. Sonuçları bugün (1 Temmuz 2021) fiziksel inceleme mesajları.

Bu çalışmada araştırmacılar, 2015 yılında Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO) tarafından tespit edilen ilk yerçekimi dalgası sinyali olan GW150914’e daha yakından baktılar. Sinyal, yeni bir kara deliği doğuran iki ilham verici kara deliğin ürünüydü. . uzay-zaman boyunca yerçekimi dalgaları şeklinde yayılan büyük miktarda enerji ile birlikte.

Hawking bölge teorisi doğruysa, yeni kara deliğin ufuk alanı, orijinal kara deliklerin toplam ufuk alanından daha küçük olmamalıdır. Yeni çalışmada fizikçiler, kozmik çarpışmadan önce ve sonra GW150914’ten gelen sinyali yeniden analiz ettiler ve birleşmeden sonra toplam olay ufk alanının azalmadığını buldular – bu sonucu %95 güvenle bildirdiler.

MIT ve başka yerlerdeki fizikçiler, Hawking’in kara delik bölgesi teorisini ilk kez gözlem yoluyla doğrulamak için yerçekimi dalgalarını kullandılar. Bu bilgisayar simülasyonu, yerçekimi dalga sinyali GW150914’ü üreten iki kara deliğin çarpışmasını göstermektedir. Kredi: Aşırı Uzay Simülasyon Projesi (SXS). Kredi: LIGO’nun izniyle

Bulguları, matematiksel olarak kanıtlanmış ancak henüz doğada gözlemlenmemiş olan Hawking’in bölge teorisinin ilk doğrudan gözlemsel doğrulamasını temsil ediyor. Ekip, Hawking’in teorisini daha da doğrulayıp doğrulamayacaklarını veya yeni kanunları büken fiziğin bir işareti olup olmayacağını görmek için gelecekteki yerçekimi dalgası sinyallerini test etmeyi planlıyor.

MIT, Maximiliano Essie’de NASA doktora sonrası araştırmacısı olan baş yazar Maximiliano Essie, “Farklı kompakt nesnelerden oluşan bir hayvanat bahçesi olması mümkündür ve bazıları Einstein ve Hawking yasalarını izleyen kara delikler iken, diğerleri olabilir” diyor. Farklı Canavarlar,” Kavli Astrofizik ve Uzay Araştırmaları Enstitüsü. “Yani, bu sınava bir kez girip bitmiş gibi değil. Bunu bir kez yaparsın ve bu başlangıçtır.”

Izzy’nin makaledeki ortak yazarları, Stony Brook Üniversitesi ve Flatiron Hesaplamalı Astrofizik Merkezi’nden Will Farr, Cornell Üniversitesi’nden Matthew Geisler, Caltech’ten Mark Schell ve Cornell Üniversitesi ve Caltech’ten Saul Tukolsky’dir.

vizyon çağı

1971’de Stephen Hawking, kara delik mekaniği hakkında bir dizi temel fikir başlatan alan teorisini önerdi. Teori, bir kara deliğin ve bu konuda evrendeki tüm kara deliklerin olay ufkunun toplam alanının asla azalmaması gerektiğini öngörür. Bu ifade, entropinin veya bir nesne içindeki düzensizlik derecesinin asla azalmaması gerektiğini belirten termodinamiğin ikinci yasasına tuhaf bir paralellik gösteriyordu.

İki teori arasındaki benzerlik, kara deliklerin ısı yayan termal nesneler gibi davranabileceğini öne sürüyor – kara deliklerin doğaları gereği asla kaçış veya radyasyona izin vermediğine inanıldığı için kafa karıştırıcı bir önerme. Sonuç olarak, Hawking 1974’te iki fikrin karesini alarak, kuantum etkileri hesaba katılırsa karadeliklerin entropiye sahip olabileceğini ve çok uzun süreler boyunca radyasyon yayabileceğini gösterdi. Bu fenomen “Hawking radyasyonu” olarak adlandırıldı ve kara deliklerle ilgili en temel keşiflerden biri olmaya devam ediyor.

Issy, “Her şey Hawking’in kara deliklerin toplam ufuk alanının asla azalmayacağını fark etmesiyle başladı” diyor. “Bölge Yasası, 1970’lerde tüm bu fikirlerin üretildiği bir altın çağı örneklemektedir.”

Hawking ve diğerleri o zamandan beri alan teorisinin matematiksel olarak çalıştığını gösterdi, ancak LIGO’nun yerçekimi dalgalarını ilk tespitine kadar onu doğaya karşı kontrol etmenin bir yolu yoktu.

Sonucu duyduktan sonra Hawking, Caltech’te Feynman Teorik Fizik Profesörü olan LIGO kurucu ortağı Kip Thorne ile hemen temasa geçti. Sorusu: Bu keşif alan teorisini doğrulayabilir mi?

O zamanlar, araştırmacılar, Hawking’in teorisinin öne sürdüğü gibi, son ufuk bölgesinin azalmadığını belirlemek için birleşmeden önce ve sonra sinyal içindeki gerekli bilgileri seçme yeteneğine sahip değildi. Isi ve meslektaşları tarafından bölgenin yasasını test ederken bir tekniğin geliştirilmesi ancak birkaç yıl sonra mümkün oldu.

önce ve sonra

2019’da Isi ve meslektaşları, GW150914’ün zirvesinden hemen sonra – iki orijinal kara deliğin yeni bir kara delik oluşturmak için çarpıştığı andan sonra bir yankı çıkarma tekniği geliştirdiler. Ekip bu tekniği, kara deliğin nihai kütlesini ve dönüşünü hesaplamak için kullanabilecekleri belirli frekansları veya yüksek ses efektleri için tonları seçmek için kullandı.

Bir kara deliğin kütlesi ve dönüşü, olay ufkunun bölgesi ile doğrudan ilişkilidir ve Thorne, Hawking’in sorgusunu hatırlatarak, bir takip ile onlara yaklaştı: Bölge teorisini vurgulayarak, birleşme öncesi ve sonrası sinyali karşılaştırmak için aynı tekniği kullanabilirler mi? ?

Araştırmacılar bu zorluğu kabul ettiler ve GW150914 sinyalini tekrar zirveye böldüler. İlham veren kara deliklere karşılık gelen zirve öncesi sinyali analiz etmek ve her iki kara deliğin birleşmeden önce kütlesini ve dönüşünü belirlemek için bir model geliştirdiler. Bu tahminlerden, toplam ufuk alanlarını hesapladılar – kabaca yaklaşık 235.000 kilometrekareye veya Massachusetts alanının kabaca dokuz katına eşit bir tahmin.

Daha sonra, kütlesini, dönüşünü ve nihayetinde 367.000 kilometrekare olduğunu buldukları ufuk alanını hesapladıkları yeni oluşan kara deliğin “halkasını” veya sıçramalarını çıkarmak için önceki yöntemlerini kullandılar. Bay Eyaletinin alanı).

Issy, “Veriler, birleşmeden sonra ufuk alanının arttığını ve alan yasasının çok yüksek bir olasılıkla karşılandığını ezici bir güvenle gösteriyor” diyor. “Sonucumuzun beklediğimiz modelle aynı fikirde olması bir rahatlama oldu ve bu karmaşık kara delik birleşmelerine dair anlayışımızı doğruladı.”

Ekip, LIGO ve İtalya’daki muadili Virgo’dan gelen verileri kullanarak Hawking’in bölge teorisi ve diğer uzun süredir devam eden kara delik mekaniği teorileri üzerinde daha fazla test yapmayı planlıyor.

Issy, “Yerçekimi dalgası verileri hakkında yeni ve yenilikçi şekillerde düşünebilmemiz ve daha önce yapamayacağımızı düşündüğümüz soruları bulabilmemiz cesaret verici” diyor. “Anladığımızı düşündüğümüz şeyin alt katmanlarına doğrudan hitap eden bilgi parçalarını çıkarmaya devam edebiliriz. Bir gün, bu veriler beklemediğimiz bir şeyi ortaya çıkarabilir.”

Referans: “GW150914 Kullanılarak Kara Delik Bölgesi Hukuk Testi” Maximiliano Essi, Will M. Farr, Matthew Geisler, Mark A. Shell ve Saul A. Tukolsky, 1 Temmuz 2021 Buradan ulaşabilirsiniz fiziksel inceleme mesajları.
DOI: 10.1103/ PhysRevLett.127.011103

Bu araştırma kısmen NASA, Simmons Vakfı ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenmiştir.