Теория Стивена Хокинга о черных дырах получила подтверждение

Несмотря на загадочную природу, считается, что черные дыры следуют определенным простым правилам. Недавно один из самых известных законов черных дыр, предсказанный физиком Стивеном Хокингом, удалось подтвердить с помощью гравитационных волн. Согласно теореме о площади черных дыр, разработанной Хокингом в начале 1970-х годов, площадь поверхности черных дыр со временем не может уменьшаться. Это правило интересует физиков, так как тесно связано с другим правилом, которое, по-видимому, определяет течение времени в определенном направлении: вторым законом термодинамики, который гласит, что энтропия, или беспорядок, замкнутой системы всегда должна увеличиваться. Поскольку энтропия черной дыры пропорциональна площади ее поверхности, и то, и другое всегда должно увеличиваться. Результаты нового исследования являются намеком на то, что области черных дыр являются чем-то фундаментальным и важным. Прямо как и считал знаменитый британский ученый.

Космические монстры

Итак, площадь поверхности черной дыры определяется сферической границей, известной как горизонт событий — за этой точкой ничто, даже свет, не может избежать ее мощного гравитационного притяжения. Согласно интерпретации общей теории относительности Хокингом, поскольку площадь поверхности черной дыры увеличивается с увеличением ее массы, и поскольку ни один объект, брошенный внутрь, не может оттуда выбраться, площадь ее поверхности не может уменьшиться.

Но площадь поверхности черной дыры также уменьшается по мере ее вращения, поэтому исследователи задались вопросом о том, можно ли бросить объект внутрь достаточно сильно, чтобы заставить черную дыру вращаться с такой скоростью, что ее площадь уменьшиться.

Черные дыры – одни из самых загадочных объектов во Вселенной.

Эти объекты также подчиняются закону сохранения массы – уменьшить ее нельзя, так что это аналогично сохранению энергии», — сказал ведущий автор нового исследования Максимилиано Изи, астрофизик из Массачусетского технологического института, в интервью Live Science.

«Черные дыры обладают энтропией, и она пропорциональна их площади. Это не просто забавное совпадение, это глубокий факт о мире, который они раскрывают».

Как изменить черную дыру?

Говоря о черных дырах необходимо отметить, что вне зависимости от наших действий, масса и вращение сделают так, что у нее будет большую площадь. Чтобы проверить эту теорию, исследователи проанализировали гравитационные волны, или рябь в ткани пространства-времени, созданные 1,3 миллиарда лет назад двумя гигантскими черными дырами, когда те по спирали приближались друг к другу с высокой скоростью.

Это были первые из когда-либо обнаруженных гравитационных волн. Подробнее о том, как исследователям удалось совершить одно из важнейших открытий последних лет читайте в материале моего коллеги Артема Сутягина.

Столкновение двух сверхъмассивных черных дыр породило гравитционные волны, которые и засекли детекторы LIGO и VIRGO.

Разделив полученный детекторами LIGO и VIRGO сигнал на две половины — до и после слияния черных дыр — исследователи рассчитали массу и вращение как двух исходных черных дыр, так и новой объединенной. Эти цифры, в свою очередь, позволили им рассчитать площадь поверхности каждой черной дыры до и после столкновения.

«По мере того как черные дыры вращаются друг вокруг друга все быстрее и быстрее, гравитационные волны увеличиваются по амплитуде все больше и больше, пока в конце концов не погружаются друг в друга, создавая большой всплеск волн», — говорит Изи. «То, что у вас осталось, — это новая черная дыра, находящаяся в возбужденном состоянии».

Интересно, что площадь поверхности вновь созданной черной дыры была больше, чем у первых двух вместе взятых, что подтверждает «закон площади» Хокинга с более чем 95%-ной степенью достоверности. Как отмечают авторы нового исследования, их результаты в значительной степени соответствуют ожиданиям.

Однако настоящая загадка начинается, когда мы пытаемся интегрировать общую теорию относительности — правила больших объектов — с квантовой механикой — правилами очень малых объектов. Начинают происходить странные события, которые наносят ущерб всем нашим жестким и быстрым правилам и полностью нарушают местные законы.

Это происходит потому, что черные дыры не могут сжиматься в соответствии с общей теорией относительности, но они могут сжиматься в соответствии с квантовой механикой. Авторству Хокинга также принадлежит концепция под названием излучение Хокинга – когда туман частиц испускается по краям черных дыр благодаря странным квантовым эффектам.

Гаргантюа в представлении художника.

Это явление приводит к тому, что черные дыры сжимаются и, в конечном итоге, за период времени, в несколько раз превышающий возраст Вселенной, испаряются. Это испарение может происходить в течение достаточно длительного времени, но для физиков это слабое утешение.

Самые таинственные объекты в космосе

Согласно новому исследованию, подтверждение исследователями закона площади, по-видимому, подразумевает, что свойства черных дыр являются важными ключами к скрытым законам, которые управляют Вселенной. Как ни странно, закон площади, похоже, противоречит другой доказанной теореме знаменитого физика: черные дыры должны испаряться в течение чрезвычайно длительного времени, поэтому выяснение источника противоречия между двумя теориями может открыть новую физику.