La teoria del buco nero di Hawking è confermata dall’osservazione per la prima volta

Lo studio fornisce prove, basate sulle onde gravitazionali, per dimostrare che l’area totale dell’orizzonte degli eventi di un buco nero non può mai diminuire.

Ci sono alcune regole che anche le cose più estreme dell’universo devono seguire. La legge centrale dei buchi neri prevede che la loro regione dell’orizzonte degli eventi – il confine da cui nulla può sfuggire – non dovrebbe mai ridursi. Questa legge è la teoria dell’area di Hawking, dal nome del fisico Stephen Hawking, che ha derivato questa teoria nel 1971.

Cinquant’anni dopo, i fisici del MIT e altrove confermarono per la prima volta la teoria della zona di Hawking, utilizzando osservazioni di onde gravitazionali. I loro risultati appaiono oggi (1 luglio 2021) in messaggi di revisione fisica.

In questo studio, i ricercatori hanno esaminato più da vicino GW150914, il primo segnale di onde gravitazionali rilevato dal Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), nel 2015. Il segnale era il prodotto di due buchi neri stimolanti che hanno dato vita a un nuovo buco nero . , insieme a un’enorme quantità di energia che si è propagata nello spaziotempo sotto forma di onde gravitazionali.

Se la teoria della regione di Hawking è corretta, l’area dell’orizzonte del nuovo buco nero non dovrebbe essere più piccola dell’area totale dell’orizzonte dei buchi neri originali. Nel nuovo studio, i fisici hanno rianalizzato il segnale di GW150914 prima e dopo la collisione cosmica e hanno scoperto che l’area totale dell’orizzonte degli eventi non è diminuita dopo la fusione, un risultato che riportano con una confidenza del 95%.

I fisici del MIT e altrove hanno usato le onde gravitazionali per confermare la teoria della regione del buco nero di Hawking attraverso l’osservazione per la prima volta. Questa simulazione al computer mostra la collisione di due buchi neri che hanno prodotto il segnale dell’onda gravitazionale GW150914. Credito: Progetto di simulazione dello spazio estremo (SXS). Credito: per gentile concessione di LIGO

Le loro scoperte rappresentano la prima conferma osservativa diretta della teoria delle zone di Hawking, che è stata dimostrata matematicamente ma non ancora osservata in natura. Il team prevede di testare i futuri segnali di onde gravitazionali per vedere se confermeranno ulteriormente la teoria di Hawking o se saranno un segno di una nuova fisica contro la legge.

“È possibile che ci sarà uno zoo di diversi oggetti compatti, e mentre alcuni sono buchi neri che seguono le leggi di Einstein e Hawking, altri potrebbero esserlo”, afferma l’autore principale Maximiliano Essie, un borsista postdottorato della NASA al MIT, Maximiliano Essie. Animali diversi”, Istituto Kavli per l’astrofisica e la ricerca spaziale. “Quindi, non è che hai fatto questo test una volta ed è finito. Lo fai una volta e questo è l’inizio.”

I coautori di Izzy sull’articolo sono Will Farr della Stony Brook University e del Flatiron Center for Computational Astrophysics, Matthew Geisler della Cornell University, Mark Schell del Caltech e Saul Tukolsky della Cornell University e del Caltech.

era di visioni

Nel 1971, Stephen Hawking propose la teoria dell’area, che lanciò una serie di idee fondamentali sulla meccanica dei buchi neri. La teoria prevede che l’area totale dell’orizzonte degli eventi di un buco nero – e di tutti i buchi neri dell’universo, del resto – non dovrebbe mai diminuire. L’affermazione era uno strano parallelo con la seconda legge della termodinamica, che afferma che l’entropia, o il grado di disordine all’interno di un oggetto, non dovrebbe mai diminuire.

La somiglianza tra le due teorie suggerisce che i buchi neri possono comportarsi come oggetti termici che emettono calore – una proposta confusa, poiché si credeva che i buchi neri per loro stessa natura non consentissero mai la fuga o le radiazioni. Alla fine, Hawking ha messo al quadrato le due idee nel 1974, mostrando che i buchi neri possono avere entropia ed emettere radiazioni per periodi di tempo molto lunghi se si prendono in considerazione gli effetti quantistici. Questo fenomeno è stato soprannominato “radiazione di Hawking” e rimane una delle scoperte fondamentali sui buchi neri.

“Tutto è iniziato con la realizzazione di Hawking che l’area totale dell’orizzonte dei buchi neri non potrebbe mai diminuire”, afferma Issy. “Il codice distrettuale esemplifica un’età dell’oro negli anni ’70 in cui tutte queste idee sono state prodotte”.

Hawking e altri da allora hanno dimostrato che la teoria dell’area funziona matematicamente, ma non c’era modo di verificarla rispetto alla natura fino al primo rilevamento di onde gravitazionali da parte di LIGO.

Dopo aver appreso del risultato, Hawking ha contattato rapidamente il co-fondatore di LIGO Kip Thorne, il professore di fisica teorica di Feynman al Caltech. La sua domanda: la scoperta può confermare la teoria dell’area?

All’epoca, i ricercatori non erano in grado di individuare le informazioni necessarie all’interno del segnale, prima e dopo la fusione, per determinare se la regione dell’orizzonte finale non fosse diminuita, come postula la teoria di Hawking. Solo diversi anni dopo è diventato possibile lo sviluppo di una tecnica da parte di Isi e dei suoi colleghi, durante la verifica della legge della regione.

prima e dopo

Nel 2019, Isi e colleghi hanno sviluppato una tecnica di estrazione dell’eco subito dopo il picco di GW150914, il momento in cui i due buchi neri originali si sono scontrati per formare un nuovo buco nero. Il team ha utilizzato questa tecnica per individuare frequenze specifiche, o toni per effetti forti, che possono utilizzare per calcolare la massa e la rotazione finali del buco nero.

La massa e la rotazione di un buco nero sono direttamente correlate alla regione del suo orizzonte degli eventi e Thorne si avvicinò a loro, ricordando la domanda di Hawking, con un follow-up: potrebbero usare la stessa tecnica per confrontare il segnale prima e dopo la fusione, enfatizzando la teoria della regione ?

I ricercatori hanno accettato la sfida e hanno nuovamente diviso il segnale GW150914 al suo apice. Hanno sviluppato un modello per analizzare il segnale prima del picco, che corrisponde ai buchi neri ispiratori, e per determinare la massa e la rotazione di entrambi i buchi neri prima che si uniscano. Da queste stime, hanno calcolato le aree totali dell’orizzonte, una stima approssimativamente pari a circa 235.000 chilometri quadrati, o circa nove volte l’area del Massachusetts.

Quindi hanno usato il loro metodo precedente per estrarre l'”anello” o i rimbalzi del buco nero appena formato, di cui hanno calcolato la massa, la rotazione e infine l’area del suo orizzonte, che hanno scoperto essere 367.000 chilometri quadrati (circa 13 volte l’area del Bay State).

“I dati mostrano con una sicurezza schiacciante che l’area dell’orizzonte è aumentata dopo la fusione e che la legge dell’area è soddisfatta con un’altissima probabilità”, afferma Issy. “È stato un sollievo che il nostro risultato concordasse con il modello che ci aspettiamo e conferma la nostra comprensione di queste complesse fusioni di buchi neri”.

Il team prevede di condurre ulteriori test sulla teoria della regione di Hawking e altre teorie di lunga data sulla meccanica dei buchi neri, utilizzando i dati di LIGO e Virgo, la sua controparte in Italia.

“È incoraggiante poter pensare in modi nuovi e innovativi ai dati delle onde gravitazionali e porre domande che prima pensavamo di non poter fare”, afferma Issy. “Possiamo continuare a estrarre bit di informazioni che parlano direttamente ai substrati di ciò che pensiamo di capire. Un giorno, questi dati potrebbero rivelare qualcosa che non ci aspettavamo”.

Riferimento: “Test di legge sulla regione del buco nero utilizzando GW150914” di Maximiliano Essi, Will M. Farr, Matthew Geisler, Mark A. Shell e Saul A. Tukolsky, 1 luglio 2021 Disponibile qui messaggi di revisione fisica.
DOI: 10.1103/ PhysRevLett.127.011103

Questa ricerca è stata supportata in parte dalla NASA, dalla Simmons Foundation e dalla National Science Foundation.