Undele gravitaționale confirmă o lege a găurii negre prezisă de Stephen Hawking

În ciuda naturii lor misterioase, se crede că găurile negre urmează anumite reguli simple. Acum, una dintre cele mai faimoase legi ale găurii negre, prezisă de fizicianul Stephen Hawking, a fost confirmată cu unde gravitaționale.

Conform teoremei suprafeței găurii negre, dezvoltată de Hawking la începutul anilor 1970, găurile negre nu pot scădea în suprafață în timp. Teorema ariei îi fascinează pe fizicieni, deoarece oglindește o regulă bine-cunoscută a fizicii care dezordinea, sau entropia, nu poate scădea în timp. În schimb, entropia crește constant (SN: 7/10/15).

Acesta este „un indiciu interesant că găurile negre sunt ceva fundamental și important”, spune astrofizicianul Will Farr de la Universitatea Stony Brook din New York și de la Institutul Flatiron din New York.

Suprafața unei găuri negre singuratice nu se va schimba – la urma urmei, nimic nu poate scăpa din interior. Cu toate acestea, dacă aruncați ceva într-o gaură neagră, acesta va câștiga mai multă masă, mărindu-și suprafața. Dar obiectul care intră ar putea face și gaura neagră să se rotească, ceea ce scade suprafața. Legea suprafeței spune că creșterea suprafeței datorită masei suplimentare va depăși întotdeauna scăderea suprafeței datorită spinului adăugat.

Pentru a testa această regulă a zonei, astrofizicianul MIT Maximiliano Isi, Farr și alții au folosit ondulații în spațiu-timp provocate de două găuri negre care s-au întors în spirală spre interior și s-au contopit într-o gaură neagră mai mare. Suprafața unei găuri negre este definită de orizontul său de evenimente – granița din interiorul căreia este imposibil să scapi. Conform teoremei ariei, aria orizontului de evenimente al găurii negre nou formate ar trebui să fie cel puțin la fel de mare ca și ariile orizontului de evenimente ale celor două găuri negre originale combinate.

Echipa a analizat datele de la primele unde gravitaționale observate vreodată, care au fost detectate de Observatorul de unde gravitaționale cu interferometru laser avansat, LIGO, în 2015 (SN: 2/11/16). Cercetătorii au împărțit datele undelor gravitaționale în două segmente de timp, înainte și după fuziune, și au calculat suprafețele găurilor negre în fiecare perioadă. Suprafața găurii negre nou formate a fost mai mare decât cea a celor două găuri negre inițiale combinate, susținând legea zonei cu un nivel de încredere de 95 la sută, relatează echipa într-o lucrare care apare în Scrisori de revizuire fizică.

„Este prima dată când putem pune un număr pentru asta”, spune Isi.

Teorema ariei este un rezultat al teoriei generale a relativității, care descrie fizica găurilor negre și a undelor gravitaționale. Analizele anterioare ale undelor gravitaționale au fost de acord cu predicțiile relativității generale și, prin urmare, au sugerat deja că legea zonei nu poate fi în mod sălbatic. Dar noul studiu „este o confirmare mai explicită” a legii zonei, spune fizicianul Cecilia Chirenti de la Universitatea din Maryland din College Park, care nu a fost implicat în cercetare.

Până acum, relativitatea generală descrie bine găurile negre. Dar oamenii de știință nu înțeleg pe deplin ce se întâmplă atunci când relativitatea generală – care se aplică de obicei obiectelor mari precum găurile negre – întâlnește mecanica cuantică, care descrie lucruri mici precum atomii și particulele subatomice. În acel tărâm cuantic, se pot întâmpla lucruri ciudate.

De exemplu, găurile negre pot elibera o ceață slabă de particule numită radiație Hawking, o altă idee dezvoltată de Hawking în anii 1970. Acest efect ar putea permite găurile negre să se micșoreze, încălcând legea zonei, dar numai pe perioade de timp extrem de lungi, astfel încât să nu fi afectat fuziunea relativ rapidă a găurilor negre pe care a văzut-o LIGO.

Fizicienii caută o teorie îmbunătățită care să combine cele două discipline într-o singură teorie nouă, îmbunătățită a gravitației cuantice. Orice eșec al găurilor negre de a respecta regulile relativității generale i-ar putea îndruma pe fizicieni în direcția corectă pentru a găsi acea nouă teorie.

Deci, fizicienii tind să fie morocănos în legătură cu succesul de durată al relativității generale, spune Farr. „Suntem de genul „oh, a fost din nou corect”.