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霍金黑洞理论首次被观测证实

艺术家对两个即将碰撞合并的黑洞的印象。

该研究提供了基于引力波的证据,表明黑洞事件视界的总面积永远不会减少。

有一些规则,即使是宇宙中最极端的事物也必须遵循。 黑洞的中心定律预测它们的事件视界区域——任何东西都无法逃脱的边界——永远不会缩小。 这个定律就是霍金区域理论,以物理学家斯蒂芬霍金的名字命名,他在 1971 年推导出了这个理论。

五十年后,麻省理工学院和其他地方的物理学家通过对引力波的观察,首次证实了霍金区理论。 他们的结果今天(2021 年 7 月 1 日)出现在 身体检查消息.

在这项研究中,研究人员仔细观察了 GW150914,这是 2015 年激光干涉引力波天文台 (LIGO) 探测到的第一个引力波信号。 该信号是两个令人振奋的黑洞的产物,孕育了一个新黑洞. 以及以引力波的形式在时空中传播的大量能量。

如果霍金域理论是正确的,那么新黑洞的视界面积应该不小于原黑洞的视界总面积。 在这项新研究中,物理学家重新分析了宇宙碰撞前后来自 GW150914 的信号,发现合并后总事件视界面积并没有减少——他们以 95% 的置信度报告了这一结果。

两个黑洞的碰撞 GW150914

麻省理工学院和其他地方的物理学家首次利用引力波通过观测证实了霍金的黑洞区域理论。 该计算机模拟显示了产生引力波信号 GW150914 的两个黑洞的碰撞。 图片来源:极限空间模拟项目 (SXS)。 图片来源:LIGO 提供

他们的发现代表了霍金区域理论的首次直接观察证实,该理论已在数学上得到证实,但尚未在自然界中观察到。 该团队计划测试未来的引力波信号,看看它们是否会进一步证实霍金的理论,或者成为新的扭曲物理的标志。

“可能会有一个由不同致密物体组成的动物园,虽然有些是遵循爱因斯坦和霍金定律的黑洞,但其他人可能是,”主要作者、麻省理工学院美国宇航局博士后研究员马克西米利亚诺埃西说。不同的野兽,”卡夫利​​天体物理和空间研究所。 “所以,这不像你参加了一次考试就结束了。你做一次,这就是开始。”

Izzy 论文的合著者是石溪大学和 Flatiron 计算天体物理学中心的 Will Farr、康奈尔大学的 Matthew Geisler、加州理工学院的 Mark Schell 以及康奈尔大学和加州理工学院的 Saul Tukolsky。

视觉时代

1971年,史蒂芬霍金提出面积理论,推出了一系列关于黑洞力学的基本思想。 该理论预测,黑洞事件视界的总面积——以及宇宙中所有黑洞,就此而言——永远不会减少。 该陈述与热力学第二定律奇怪地平行,后者指出熵或物体内部的无序程度永远不应该减少。

这两种理论之间的相似性表明,黑洞可以表现为散发热量的热物体——这是一个令人困惑的命题,因为人们认为,就其本质而言,黑洞从不允许逃逸或辐射。 最终,霍金在 1974 年将这两个想法平方,表明如果考虑到量子效应,黑洞可以具有熵并在很长一段时间内发射辐射。 这种现象被称为“霍金辐射”,并且仍然是关于黑洞的最基本的发现之一。

“这一切都始于霍金意识到黑洞的总视界面积永远不会减少,”伊西说。 “地区法典体现了 1970 年代所有这些想法产生的黄金时代。”

霍金和其他人此后证明了面积理论在数学上是有效的,但在 LIGO 首次探测到引力波之前,没有办法将其与自然进行对比。

得知结果后,霍金迅速联系了 LIGO 联合创始人、加州理工学院理论物理学费曼教授基普索恩。 他的问题是:这一发现能否证实面积理论?

当时,研究人员没有能力在合并之前和之后从信号中挑选出必要的信息,以确定最终的视界区域是否没有像霍金的理论所假设的那样减少。 直到几年后,Isi 和他的同事在测试该地区的规律时才开发出一种技术。

之前和之后

2019 年,Isi 及其同事在 GW150914 峰值之后——即两个原始黑洞碰撞形成新黑洞的那一刻——开发了一种回波提取技术。 该团队使用这种技术来挑选出特定频率或音调以产生响亮的效果,他们可以用它们来计算黑洞的最终质量和旋转。

黑洞的质量和自转与其事件视界的区域直接相关,索恩走近了他们,想起了霍金的疑问,接着说:他们是否可以使用相同的技术来比较合并前后的信号,强调区域理论?

研究人员接受了挑战,并再次将 GW150914 信号拆分到峰值。 他们开发了一个模型来分析峰值之前的信号,该信号对应于令人振奋的黑洞,并在两个黑洞合并之前确定它们的质量和旋转。 根据这些估计,他们计算了总地平线面积——估计大约等于 235,000 平方公里,大约是马萨诸塞州面积的九倍。

然后他们使用他们之前的方法提取新形成的黑洞的“环”或反弹,他们计算了它的质量、旋转,最终计算了它的视界面积,他们发现它是 367,000 平方公里(约 13倍海湾州的面积)。

“数据显示,合并后地平线面积增加了,并且以非常高的概率满足了该面积定律,”伊西说。 “令人欣慰的是,我们的结果与我们预期的模型一致,并证实了我们对这些复杂的黑洞合并的理解。”

该团队计划使用来自意大利的 LIGO 和 Virgo 的数据,对霍金的区域理论和其他长期运行的黑洞力学理论进行进一步测试。

“令人鼓舞的是,我们可以用新的和创新的方式思考引力波数据,并提出我们以前认为无法解决的问题,”伊西说。 “我们可以继续提取一些信息,这些信息直接与我们认为我们理解的内容有关。总有一天,这些数据可能会揭示一些我们没有预料到的东西。”

参考:“使用 GW150914 的黑洞区域定律测试”作者:Maximiliano Essi、Will M. Farr、Matthew Geisler、Mark A. Shell 和 Saul A. Tukolsky,2021 年 7 月 1 日可在此处获得 身体检查消息.
DOI:10.1103/ PhysRevLett.127.011103

这项研究得到了美国宇航局、西蒙斯基金会和国家科学基金会的部分支持。

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