Er zijn bepaalde regels waaraan zelfs de meest extreme objecten in het universum zich moeten houden. Een centrale wet voor zwarte gaten voorspelt dat het gebied van hun waarnemingshorizon - de grens waarboven niets ooit kan ontsnappen - nooit mag krimpen. Deze wet is de oppervlaktestelling van Hawking, vernoemd naar natuurkundige Stephen Hawking, die de stelling in 1971 afleidde.

Vijftig jaar later, natuurkundigen van het MIT en elders hebben nu voor het eerst de oppervlaktestelling van Hawking bevestigd, met behulp van waarnemingen van zwaartekrachtsgolven. Hun resultaten verschijnen vandaag in Fysieke beoordelingsbrieven .

In de studie, de onderzoekers nemen GW150914 onder de loep, het eerste zwaartekrachtgolfsignaal gedetecteerd door de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), in 2015. Het signaal was een product van twee inspirerende zwarte gaten die een nieuw zwart gat genereerden, samen met een enorme hoeveelheid energie die als zwaartekrachtgolven door de ruimte-tijd golfde.

Als de oppervlaktestelling van Hawking geldt, dan mag het horizongebied van het nieuwe zwarte gat niet kleiner zijn dan het totale horizongebied van zijn moederzwarte gaten. In de nieuwe studie de natuurkundigen heranalyseerden het signaal van GW150914 voor en na de kosmische botsing en ontdekten dat inderdaad, het totale gebied van de gebeurtenishorizon nam niet af na de fusie - een resultaat dat ze met 95 procent zekerheid rapporteren.

Hun bevindingen markeren de eerste directe waarnemingsbevestiging van de oppervlaktestelling van Hawking, wat wiskundig is bewezen maar tot nu toe nooit in de natuur is waargenomen. Het team is van plan toekomstige zwaartekrachtgolfsignalen te testen om te zien of ze de stelling van Hawking verder kunnen bevestigen of een teken zijn van nieuwe, wet buigende fysica.

"Het is mogelijk dat er een dierentuin is met verschillende compacte objecten, en hoewel sommige van hen de zwarte gaten zijn die de wetten van Einstein en Hawking volgen, anderen kunnen iets andere beesten zijn, " zegt hoofdauteur Maximiliano Isi, een NASA Einstein Postdoctoral Fellow in het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT. "Dus, het is niet alsof je deze test één keer doet en het is voorbij. Dit doe je een keer en het is het begin."

Isi's co-auteurs op het papier zijn Will Farr van Stony Brook University en het Centre for Computational Astrophysics van het Flatiron Institute, Matthew Giesler van de Cornell University, Mark Scheel van Caltech, en Saul Teukolsky van Cornell University en Caltech.

Een tijdperk van inzichten

1971, Stephen Hawking stelde de gebiedsstelling voor, die een reeks fundamentele inzichten over de mechanica van zwarte gaten op gang brachten. De stelling voorspelt dat de totale oppervlakte van de waarnemingshorizon van een zwart gat - en alle zwarte gaten in het universum, wat dat betreft - mag nooit afnemen. De verklaring was een merkwaardige parallel met de tweede wet van de thermodynamica, waarin staat dat de entropie, of mate van wanorde binnen een object, mag ook nooit afnemen.

De overeenkomst tussen de twee theorieën suggereerde dat zwarte gaten zich als thermisch zouden kunnen gedragen, warmte-emitterende objecten - een verwarrende propositie, omdat men dacht dat zwarte gaten van nature nooit energie zouden laten ontsnappen, of uitstralen. Hawking bracht de twee ideeën uiteindelijk in 1974 samen, wat aantoont dat zwarte gaten entropie kunnen hebben en straling kunnen uitzenden over zeer lange tijdschalen als rekening wordt gehouden met hun kwantumeffecten. Dit fenomeen werd "Hawking-straling" genoemd en blijft een van de meest fundamentele onthullingen over zwarte gaten.

"Het begon allemaal met het besef van Hawking dat het totale horizongebied in zwarte gaten nooit kan afnemen, Isi zegt. "De gebiedswet vat een gouden eeuw samen in de jaren '70 waarin al deze inzichten werden geproduceerd."

Hawking en anderen hebben sindsdien aangetoond dat de oppervlaktestelling wiskundig werkt, maar er was geen manier om het te vergelijken met de natuur tot LIGO's eerste detectie van zwaartekrachtsgolven.

Hawking, bij het horen van het resultaat, nam snel contact op met LIGO mede-oprichter Kip Thorne, de Feynman hoogleraar theoretische fysica aan Caltech. Zijn vraag:Kan de detectie de oppervlaktestelling bevestigen?

Destijds, onderzoekers hadden niet de mogelijkheid om de benodigde informatie uit het signaal te halen, voor en na de fusie, om te bepalen of het uiteindelijke horizongebied niet is afgenomen, zoals de stelling van Hawking zou aannemen. Pas enkele jaren later, en de ontwikkeling van een techniek door Isi en zijn collega's, toen het testen van de gebiedswet haalbaar werd.

Voor en na

in 2019, Isi en zijn collega's ontwikkelden een techniek om de galm onmiddellijk na de piek van GW150914 te extraheren - het moment waarop de twee oorspronkelijke zwarte gaten met elkaar in botsing kwamen om een ​​nieuw zwart gat te vormen. Het team gebruikte de techniek om specifieke frequenties uit te zoeken, of tonen van de anders luidruchtige nasleep, die ze konden gebruiken om de massa en spin van het uiteindelijke zwarte gat te berekenen.

De massa en spin van een zwart gat zijn direct gerelateerd aan het gebied van zijn waarnemingshorizon, en Thorne, herinnerend aan de vraag van Hawking, benaderde hen met een follow-up:zouden ze dezelfde techniek kunnen gebruiken om het signaal voor en na de fusie te vergelijken, en de oppervlaktestelling bevestigen?

De onderzoekers gingen de uitdaging aan, en splitste opnieuw het GW150914-signaal op zijn hoogtepunt. Ze ontwikkelden een model om het signaal voor de piek te analyseren, overeenkomend met de twee inspirerende zwarte gaten, en om de massa en spin van beide zwarte gaten te identificeren voordat ze samensmolten. Uit deze schattingen ze berekenden hun totale horizongebieden - een schatting die ongeveer gelijk was aan ongeveer 235, 000 vierkante kilometer, of ongeveer negen keer de oppervlakte van Massachusetts.

Vervolgens gebruikten ze hun vorige techniek om de "ringdown, " of weerkaatsingen van het nieuw gevormde zwarte gat, waaruit ze zijn massa en spin berekenden, en uiteindelijk zijn horizongebied, die ze vonden was gelijk aan 367, 000 vierkante kilometer (ongeveer 13 keer het gebied van de Bay State).

"De gegevens laten met overweldigend vertrouwen zien dat het horizongebied na de fusie toenam, en dat de gebiedswet met zeer hoge waarschijnlijkheid tevreden is, ', zegt Isi. 'Het was een opluchting dat ons resultaat overeenkwam met het paradigma dat we verwachten, en bevestigt ons begrip van deze gecompliceerde fusies van zwarte gaten."

Het team is van plan om de oppervlaktestelling van Hawking verder te testen, en andere al lang bestaande theorieën over de mechanica van zwarte gaten, met behulp van gegevens van LIGO en Maagd, zijn tegenhanger in Italië.

"Het is bemoedigend dat we kunnen denken in nieuwe, creatieve manieren over gravitatiegolfgegevens, en om vragen te stellen waarvan we dachten dat we ze eerder niet konden, "zegt Isi. "We kunnen stukjes informatie blijven plagen die rechtstreeks de pijlers aanspreken van wat we denken te begrijpen. Op een dag, deze gegevens kunnen iets onthullen dat we niet hadden verwacht."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.