Подтверждена известная теория Стивена Хокинга о черных дырах

Одна из самых известных теорем Стивена Хокинга была доказана с использованием ряби в пространстве-времени, вызванной слиянием двух далеких черных дыр.

Теорема площади черной дыры, которую Хокинг вывел в 1971 году из общей теории относительности Эйнштейна, утверждает, что площадь поверхности черной дыры не может уменьшаться со временем. Это правило интересует физиков, потому что оно тесно связано с другим правилом, которое заставляет время течь в определенном направлении: вторым законом термодинамики, который гласит, что энтропия или беспорядок замкнутой системы всегда должна увеличиваться. Поскольку энтропия черной дыры пропорциональна площади ее поверхности, обе они всегда должны увеличиваться.

Подтверждение исследователями закона площадей подразумевает, что свойства черных дыр являются важным ключом к разгадке скрытых законов, управляющих Вселенной. Как ни странно, закон площади, кажется, противоречит другой доказанной теореме известного ученого: черные дыры должны испаряться в течение чрезвычайно длительного времени, поэтому выяснение источника противоречия между двумя теориями может открыть новую физику.

«Площадь поверхности черной дыры не может быть уменьшена, что похоже на второй закон термодинамики. У нее также есть закон сохранения массы, поскольку вы не можете уменьшить ее массу, что аналогично закону сохранения энергии», — говорит Максимилиано Иси, астрофизик из Массачусетского технологического института.

«Сначала люди говорили: «Вау, это крутая параллель», но вскоре мы поняли, что это фундаментально. У черных дыр есть энтропия, пропорциональная их площади. Это не просто забавное совпадение, это глубокий факт».

Площадь поверхности черной дыры ограничена сферической границей, известной как горизонт событий — за этой границей ничто, даже свет, не может избежать ее мощного гравитационного притяжения. Согласно интерпретации общей теории относительности Хокинга, поскольку площадь поверхности черной дыры увеличивается вместе с ее массой, и поскольку ни один объект, попавший внутрь, не может выйти, площадь ее поверхности не может уменьшаться. Но площадь поверхности черной дыры также сжимается, чем быстрее она вращается, поэтому исследователи задались вопросом, можно ли бросить внутрь объект с такой силой, чтобы черная дыра вращалась достаточно сильно, чтобы уменьшилась ее площадь.

«Вы заставите ее вращаться быстрее, но этого будет недостаточно, чтобы уравновесить только что добавленную массу», — сказал Максимилиано Иси. «Что бы вы ни делали, масса и вращение сделают так, что вы получите большую площадь».

Чтобы проверить эту теорию, исследователи проанализировали гравитационные волны или рябь в ткани пространства-времени, созданную 1,3 миллиарда лет назад двумя гигантскими черными дырами, когда они с большой скоростью летели навстречу друг другу. Это были первые волны, когда-либо обнаруженные в 2015 году обсерваторией гравитационных волн с усовершенствованным лазерным интерферометром (LIGO).

Разделив сигнал на две половины — до и после слияния черных дыр — исследователи вычислили массу и вращение как двух исходных черных дыр, так и новой объединенной. Эти числа, в свою очередь, позволили им вычислить площадь поверхности каждой черной дыры до и после столкновения.

«По мере того как они вращаются вокруг друг друга все быстрее и быстрее, гравитационные волны увеличиваются в амплитуде все больше и больше, пока в конечном итоге не погрузятся друг в друга, создавая большой всплеск волн», — сказал Максимилиано Иси.

«То, что у вас осталось, — это новая черная дыра, которая находится в этом возбужденном состоянии, которое вы затем можете изучить, проанализировав, как она вибрирует. Это как если вы звоните в колокольчик, конкретная высота и продолжительность звонка подскажут вам структуру того колокола, а также из того, из чего он сделан».

Площадь поверхности вновь созданной черной дыры была больше, чем у первых двух вместе взятых, что подтверждает закон площади Хокинга с уровнем достоверности более 95%. По словам исследователей, их результаты в значительной степени соответствуют тому, что они ожидали найти. Общая теория относительности, откуда появился закон площадей, очень эффективно описывает черные дыры и другие крупномасштабные объекты.

Однако настоящая загадка начинается, когда ученые пытаются интегрировать общую теорию относительности — правила больших объектов — с квантовой механикой — правилами очень малых объектов. Начинают происходить странные события, которые разрушают все правила.

Это потому, что черные дыры не могут сжиматься согласно общей теории относительности, но они могут сжиматься согласно квантовой механике. Знаменитый британский физик, стоящий за законом площади поверхности, также разработал концепцию, известную как излучение Хокинга, когда туман частиц испускается на краях черных дыр за счет странных квантовых эффектов. Это явление приводит к тому, что черные дыры сокращаются, и, в конечном итоге, через некоторое время (это время намного больше возраста Вселенной), испаряются.

Это испарение может происходить в течение достаточно длительного времени, чтобы не нарушать закон площадей в краткосрочной перспективе, но это небольшое утешение для физиков.

«По статистике, в течение длительного периода времени закон нарушается», — говорят ученые. «Это похоже на кипящую воду, когда из вашей кастрюли испаряется пар, но если вы ограничиваете себя только взглядом на исчезающую воду внутри нее, у вас может возникнуть соблазн сказать, что энтропия кастрюли уменьшается, но учитывая пар, ваша общая энтропия увеличилась. То же самое с черными дырами и излучением Хокинга».

После установления закона площадей для коротких и средних временных рамок следующими шагами исследователей будет анализ данных, полученных с помощью большего количества гравитационных волн, для более глубокого понимания, которое можно было бы почерпнуть из черных дыр.

Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Physical Review Letters.