Los físicos de observación confirman por primera vez la teoría de Hawking de un agujero negro

Hay algunas reglas que deben seguir incluso las cosas más extremas del universo. Una ley central para los agujeros negros predice que la región de su horizonte de eventos, el límite donde nada puede escapar, nunca debería encogerse. Esta ley es la teoría del área de Hawking, que lleva el nombre del físico Stephen Hawking, quien derivó esta teoría en 1971.

Cincuenta años después, los físicos del MIT y otros lugares confirmaron la teoría de la zona de Hawking por primera vez, utilizando observaciones de ondas gravitacionales. Sus resultados aparecen hoy en mensajes de revisión física.

En el estudio, los investigadores examinaron más de cerca GW150914, la primera señal de onda gravitacional detectada por el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO), en 2015. La señal fue el producto de dos bits inspiradores agujeros negros Eso produjo un nuevo agujero negro, junto con una enorme cantidad de energía que se extendió por el espacio-tiempo como ondas gravitacionales.

Si la teoría del área de Hawking es correcta, entonces horizonte El área de un nuevo agujero negro no debe ser menor que el área total del horizonte de los agujeros negros originales. En el nuevo estudio, los físicos volvieron a analizar la señal de GW150914 antes y después de la colisión cósmica y encontraron que el área total del horizonte de eventos no disminuyó después de la fusión, un resultado que informan con un 95% de confianza.

Sus hallazgos representan la primera confirmación observacional directa de la teoría de zonas de Hawking, que ha sido probada matemáticamente pero aún no se ha observado en la naturaleza. El equipo planea probar futuras señales de ondas gravitacionales para ver si confirman aún más la teoría de Hawking o si son un signo de una nueva física que tuerce las leyes.

«Es posible que haya zoológicos de diferentes objetos compactos, y aunque algunos son agujeros negros que siguen las leyes de Einstein y Hawking, otros pueden ser monstruos», dice el autor principal Maximiliano Essi, becario postdoctoral de la NASA en Einstein en el MIT. Ligeramente diferente «. Instituto Kavli de Astrofísica e Investigaciones Espaciales. «Entonces, no es como si hubiera tomado esta prueba una vez y se acabó. Hice esto una vez, y ese es el comienzo».

Los coautores de Izzy en el artículo son Will Farr de la Universidad de Stony Brook y el Centro Flatiron de Astrofísica Computacional, Matthew Geisler de la Universidad de Cornell, Mark Schell de Caltech y Saul Tukolsky de la Universidad de Cornell y Caltech.

era de visiones

En 1971, Stephen Hawking propuso la teoría del área, que lanzó una serie de ideas fundamentales sobre la mecánica de los agujeros negros. La teoría predice que el área total del horizonte de sucesos de un agujero negro, y todos los agujeros negros del universo, en este caso, nunca deberían disminuir. La afirmación era un extraño paralelismo con la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía, o el grado de desorden dentro de un objeto, nunca debería disminuir.

La similitud entre las dos teorías sugiere que los agujeros negros pueden comportarse como objetos térmicos que emiten calor, una proposición confusa, ya que se creía que los agujeros negros por naturaleza nunca permiten el escape o la radiación. En última instancia, Hawking cuadró las dos ideas en 1974, mostrando que los agujeros negros pueden tener entropía y emitir radiación durante períodos de tiempo muy largos si se tienen en cuenta los efectos cuánticos. Este fenómeno ha sido denominado «radiación de Hawking» y sigue siendo uno de los descubrimientos más fundamentales sobre los agujeros negros.

«Todo comenzó cuando Hawking se dio cuenta de que el área total del horizonte de los agujeros negros nunca podría disminuir», dice Issy. «Zone Code resume una edad de oro en la década de 1970 en la que se produjeron todas estas ideas».

Hawking y otros han demostrado desde entonces que la teoría del área funciona matemáticamente, pero no había forma de compararla con la naturaleza hasta que LIGO La primera detección de ondas gravitacionales..

Al enterarse del resultado, Hawking se puso rápidamente en contacto con el cofundador de LIGO, Kip Thorne, profesor de Física Teórica Feynman en Caltech. Su pregunta: ¿Puede el descubrimiento confirmar la teoría del área?

En ese momento, los investigadores no tenían la capacidad de seleccionar la información necesaria dentro de la señal, antes y después de la fusión, para determinar si la región del horizonte final no había disminuido, como postula la teoría de Hawking. No fue hasta varios años después que el desarrollo de una técnica por Isi y sus colegas, al probar la ley de la región, se hizo posible.

antes y después de

En 2019, Isi y sus colegas desarrollaron una tecnología para extracción de eco Inmediatamente después del pico de GW150914, el momento en que los dos agujeros negros originales chocaron para formar un nuevo agujero negro. El equipo utilizó esta técnica para seleccionar frecuencias específicas, o tonos para efectos fuertes, que pueden usar para calcular la masa y rotación final del agujero negro.

La masa y la rotación de un agujero negro están directamente relacionadas con la región de su horizonte de eventos, y Thorne se acercó a ellos, recordando la pregunta de Hawking, con un seguimiento: ¿Podrían usar la misma técnica para comparar la señal antes y después de la fusión, enfatizando la teoría de la región ?

Los investigadores aceptaron el desafío y nuevamente dividieron la señal GW150914 a su punto máximo. Desarrollaron un modelo para analizar la señal antes del pico, que corresponde a los agujeros negros inspiradores, y para determinar la masa y la rotación de ambos agujeros negros antes de que se fusionen. A partir de estas estimaciones, calcularon las áreas totales del horizonte, una estimación aproximadamente igual a unos 235.000 kilómetros cuadrados, o aproximadamente nueve veces el tamaño de Massachusetts.

Luego utilizaron su técnica anterior para extraer el «anillo» o los rebotes de un agujero negro recién formado, y calcularon su masa, rotación y, en última instancia, el área de su horizonte, que encontraron en 367.000 kilómetros cuadrados (unos 13 veces el área de Bay State).

“Los datos muestran con abrumadora confianza que el área del horizonte ha aumentado después de la fusión y que la ley del área se cumple con una probabilidad muy alta”, dice Issy. «Fue un alivio que nuestro resultado coincidiera con el modelo que esperábamos y confirma nuestra comprensión de las complejas fusiones de agujeros negros».

El equipo planea realizar pruebas adicionales para el área de Hawking. teoríay otras teorías antiguas de la mecánica de los agujeros negros, utilizando datos de LIGO y Virgo, su contraparte en Italia.

«Es alentador que podamos pensar de formas nuevas e innovadoras sobre los datos de ondas gravitacionales y plantearnos preguntas que antes pensábamos que no podíamos», dice Issy. «Podemos continuar extrayendo bits de información que se dirigen directamente a los sustratos de lo que creemos que entendemos. Un día, estos datos pueden revelar algo que no esperábamos».

Esta historia se vuelve a publicar con permiso de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias relacionadas con la investigación, la innovación y la docencia en el MIT.