Teori lubang hitam Hawking dikonfirmasi oleh pengamatan untuk pertama kalinya

Kesan seniman tentang dua lubang hitam yang akan bertabrakan dan bergabung.

Studi ini memberikan bukti, berdasarkan gelombang gravitasi, untuk menunjukkan bahwa luas total horizon peristiwa lubang hitam tidak akan pernah bisa berkurang.

Ada beberapa aturan yang bahkan harus diikuti oleh hal-hal paling ekstrem di alam semesta. Hukum pusat lubang hitam memprediksi bahwa wilayah cakrawala peristiwa mereka – batas di mana tidak ada yang bisa lolos – tidak akan pernah menyusut. Hukum ini adalah teori area Hawking, dinamai menurut fisikawan Stephen Hawking, yang menurunkan teori ini pada tahun 1971.

Lima puluh tahun kemudian, fisikawan di MIT dan di tempat lain mengkonfirmasi teori zona Hawking untuk pertama kalinya, menggunakan pengamatan gelombang gravitasi. Hasil mereka muncul hari ini (1 Juli 2021) di pesan ulasan fisik.

Dalam studi ini, peneliti melihat lebih dekat pada GW150914, sinyal gelombang gravitasi pertama yang terdeteksi oleh Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), pada tahun 2015. Sinyal tersebut merupakan produk dari dua lubang hitam inspiratif yang melahirkan lubang hitam baru. . , bersama dengan sejumlah besar energi yang merambat melalui ruang-waktu dalam bentuk gelombang gravitasi.

Jika teori wilayah Hawking benar, maka luas cakrawala lubang hitam baru tidak boleh lebih kecil dari luas cakrawala total lubang hitam asli. Dalam studi baru, fisikawan menganalisis kembali sinyal dari GW150914 sebelum dan sesudah tabrakan kosmik dan menemukan bahwa total area cakrawala peristiwa tidak berkurang setelah penggabungan – hasil yang mereka laporkan dengan kepercayaan 95%.

Fisikawan di MIT dan di tempat lain telah menggunakan gelombang gravitasi untuk mengkonfirmasi teori wilayah lubang hitam Hawking melalui pengamatan untuk pertama kalinya. Simulasi komputer ini menunjukkan tumbukan dua lubang hitam yang menghasilkan sinyal gelombang gravitasi GW150914. Kredit: Proyek Simulasi Luar Angkasa Ekstrim (SXS). Kredit: Atas perkenan LIGO

Temuan mereka merupakan konfirmasi pengamatan langsung pertama dari teori zona Hawking, yang telah terbukti secara matematis tetapi belum diamati di alam. Tim berencana untuk menguji sinyal gelombang gravitasi masa depan untuk melihat apakah mereka akan mengkonfirmasi lebih lanjut teori Hawking atau menjadi tanda fisika pemutarbalikan hukum baru.

“Ada kemungkinan bahwa akan ada kebun binatang dengan objek kompak yang berbeda, dan sementara beberapa adalah lubang hitam yang mengikuti hukum Einstein dan Hawking, yang lain mungkin,” kata penulis utama Maximiliano Essie, seorang rekan postdoctoral NASA di MIT, Maximiliano Essie. Binatang yang berbeda,” Institut Kavli untuk Astrofisika dan Penelitian Luar Angkasa. “Jadi, tidak seperti Anda mengambil tes ini sekali dan selesai. Anda melakukan ini sekali, dan itulah awalnya.”

Rekan penulis Izzy di makalah ini adalah Will Farr dari Stony Brook University dan Flatiron Center for Computational Astrophysics, Matthew Geisler dari Cornell University, Mark Schell dari Caltech, dan Saul Tukolsky dari Cornell University and Caltech.

era penglihatan

Pada tahun 1971, Stephen Hawking mengusulkan teori area, yang meluncurkan serangkaian ide mendasar tentang mekanika lubang hitam. Teori tersebut memperkirakan bahwa luas total cakrawala peristiwa lubang hitam—dan semua lubang hitam di alam semesta, dalam hal ini—tidak akan pernah berkurang. Pernyataan itu merupakan paralel yang aneh dengan hukum kedua termodinamika, yang menyatakan bahwa entropi, atau tingkat ketidakteraturan dalam suatu objek, tidak boleh berkurang.

Kesamaan antara dua teori menunjukkan bahwa lubang hitam dapat berperilaku sebagai objek termal yang memancarkan panas – proposisi yang membingungkan, karena diyakini bahwa lubang hitam pada dasarnya tidak pernah memungkinkan untuk melarikan diri atau radiasi. Pada akhirnya, Hawking mengkuadratkan dua ide pada tahun 1974, menunjukkan bahwa lubang hitam dapat memiliki entropi dan memancarkan radiasi dalam jangka waktu yang sangat lama jika efek kuantum diperhitungkan. Fenomena ini telah dijuluki “Radiasi Hawking” dan tetap menjadi salah satu penemuan paling mendasar tentang lubang hitam.

“Semuanya dimulai dengan kesadaran Hawking bahwa total luas cakrawala lubang hitam tidak akan pernah berkurang,” kata Issy. “Kode Distrik mencontohkan zaman keemasan di tahun 1970-an di mana semua ide ini dihasilkan.”

Hawking dan yang lainnya sejak itu menunjukkan bahwa teori area bekerja secara matematis, tetapi tidak ada cara untuk membandingkannya dengan alam sampai deteksi gelombang gravitasi pertama LIGO.

Setelah mendengar hasilnya, Hawking segera menghubungi salah satu pendiri LIGO, Kip Thorne, Profesor Feynman untuk Fisika Teoretis di Caltech. Pertanyaannya: Bisakah penemuan itu mengkonfirmasi teori area?

Pada saat itu, para peneliti tidak memiliki kemampuan untuk memilih informasi yang diperlukan dalam sinyal, sebelum dan setelah penggabungan, untuk menentukan apakah wilayah cakrawala akhir tidak berkurang, seperti yang didalilkan teori Hawking. Tidak sampai beberapa tahun kemudian, pengembangan teknik oleh Isi dan rekan-rekannya, ketika menguji hukum wilayah, menjadi mungkin.

sebelum dan sesudah

Pada tahun 2019, Isi dan rekan mengembangkan teknik ekstraksi gema tepat setelah puncak GW150914 — saat dua lubang hitam asli bertabrakan untuk membentuk lubang hitam baru. Tim menggunakan teknik ini untuk memilih frekuensi tertentu, atau nada untuk efek keras, yang dapat mereka gunakan untuk menghitung massa dan rotasi utama lubang hitam.

Massa dan rotasi lubang hitam secara langsung berkaitan dengan wilayah cakrawala peristiwanya, dan Thorne mendekati mereka, mengingat pertanyaan Hawking, dengan tindak lanjut: Bisakah mereka menggunakan teknik yang sama untuk membandingkan sinyal sebelum dan sesudah penggabungan, menekankan teori wilayah ?

Para peneliti menerima tantangan tersebut, dan sekali lagi membagi sinyal GW150914 ke puncaknya. Mereka mengembangkan model untuk menganalisis sinyal sebelum puncak, yang sesuai dengan inspirasi lubang hitam, dan untuk menentukan massa dan rotasi kedua lubang hitam sebelum mereka bergabung. Dari perkiraan tersebut, mereka menghitung total luas cakrawala—perkiraan kira-kira sama dengan sekitar 235.000 kilometer persegi, atau kira-kira sembilan kali luas Massachusetts.

Kemudian mereka menggunakan metode mereka sebelumnya untuk mengekstrak “cincin” atau pantulan lubang hitam yang baru terbentuk, yang mereka hitung massanya, rotasinya, dan akhirnya luas cakrawalanya, yang mereka temukan adalah 367.000 kilometer persegi (sekitar 13 kali luas Negara Teluk).

“Data menunjukkan dengan keyakinan luar biasa bahwa area cakrawala telah meningkat setelah merger, dan bahwa hukum area dipenuhi dengan probabilitas yang sangat tinggi,” kata Issy. “Sangat melegakan bahwa hasil kami setuju dengan model yang kami harapkan, dan menegaskan pemahaman kami tentang penggabungan lubang hitam yang kompleks ini.”

Tim berencana untuk melakukan tes lebih lanjut dari teori wilayah Hawking, dan teori lama lainnya tentang mekanika lubang hitam, menggunakan data dari LIGO dan Virgo, mitranya di Italia.

“Sangat menggembirakan bahwa kami dapat berpikir dengan cara baru dan inovatif tentang data gelombang gravitasi, dan mengajukan pertanyaan yang sebelumnya kami pikir tidak dapat kami lakukan,” kata Issy. “Kami dapat terus mengekstrak sedikit informasi yang berbicara langsung ke substrat dari apa yang kami pikir kami pahami. Suatu hari, data ini mungkin mengungkapkan sesuatu yang tidak kami harapkan.”

Referensi: “Uji Hukum Wilayah Lubang Hitam Menggunakan GW150914” Oleh Maximiliano Essi, Will M. Farr, Matthew Geisler, Mark A. Shell dan Saul A. Tukolsky, 1 Juli 2021 Tersedia di sini pesan ulasan fisik.
DOI: 10.1103/ PhysRevLett.127.011103

Penelitian ini didukung sebagian oleh NASA, Simmons Foundation, dan National Science Foundation.