Есть определенные правила, которым должны подчиняться даже самые странные объекты во Вселенной. Главный закон для черных дыр предсказывал, что область их горизонтов событий — границы, за которую ничто не может выйти, никогда не должна сокращаться. Этот закон является теоремой Хокинга о площадях, названной в честь физика Стивена Хокинга, который вывел ее в 1971 году.
Пятьдесят лет спустя физики из Массачусетского технологического института, совместно со специалистами из других организаций, впервые подтвердили теорему Хокинга о площади, используя наблюдения гравитационных волн. Результат их работы опубликован в Physical Review Letters.
В ходе исследования внимательному изучению подвергся GW150914 — первый сигнал гравитационной волны, обнаруженный обсерваторией гравитационных волн лазерного интерферометра (LIGO) в 2015 году. Этот сигнал был продуктом двух черных дыр, которые образовали новую черную дыру, высвободив огромное количество энергии, которая колебалась в пространстве-времени в виде гравитационных волн.
Если теорема Хокинга о площади верна, то площадь горизонта новой черной дыры не должна быть меньше общей площади горизонта ее родительских черных дыр. В новом исследовании физики повторно проанализировали сигнал от GW150914 до и после космического столкновения и обнаружили, что действительно, общая площадь горизонта событий не уменьшилась после слияния — результат, о котором они сообщают с достоверностью 95 процентов.
Их результаты стали первым прямым наблюдательным подтверждением теоремы Хокинга о площадях, которая была доказана математически, но до сих пор не наблюдалась в природе. Команда планирует проверить будущие сигналы гравитационных волн, чтобы увидеть, могут ли они в дальнейшем подтвердить теорему Хокинга или стать свидетелями появления сигнала, изменяющего законы физики.
В 1971 году Стивен Хокинг предложил теорему о площади, которая положила начало ряду фундаментальных открытий относительно механики черной дыры. Теорема предсказывает, что общая площадь горизонта событий черной дыры — и всех черных дыр во Вселенной, если на то пошло — никогда не должна уменьшаться.
С тех пор Хокинг, и другие ученые показали, что теорема площади работает математически, но не было возможности проверить ее на примере природы до первого обнаружения гравитационных волн LIGO.
Хокинг, узнав о результате, быстро связался с соучредителем LIGO Кипом Торном, профессором теоретической физики Фейнмана в Калифорнийском технологическом институте. Его вопрос был прост: может ли обнаружение подтвердить теорему о площади? К сожалению, существовавшие на тот момент методы анализа не могли дать ответа.
В 2019 году ученые разработали метод извлечения реверберации сразу после пика GW150914 — момента, когда две родительские черные дыры столкнулись, чтобы сформировать новую черную дыру. Команда использовала эту технику, чтобы выделить определенные частоты или тона в противном случае зашумленные последствия, которые они могли использовать для расчета окончательной массы и вращения черной дыры. В новом исследвоании, был представлен метод расчета размера горизонта событий, на основе ряда ключевых показателей.
Команда планирует продолжить проверку теоремы Хокинга о площадях и других давних теорий механики черной дыры, используя данные LIGO и Virgo, аналога из Италии.
