Fisikawan mengkonfirmasi teorema Hawking tentang lubang hitam untuk pertama kalinya | berita MIT

Ada aturan tertentu yang bahkan harus dipatuhi oleh objek paling ekstrem di alam semesta. Sebuah hukum pusat untuk lubang hitam memprediksi bahwa rentang cakrawala peristiwa mereka – batas di mana tidak ada yang bisa lolos – tidak akan pernah menyusut. Hukum ini adalah teorema area Hawking, dinamai sesuai nama fisikawan Stephen Hawking, yang menghasilkan teorema pada tahun 1971.

Lima puluh tahun kemudian, fisikawan di MIT dan di tempat lain sekarang untuk pertama kalinya mengkonfirmasi teorema permukaan Hawking dengan mengamati gelombang gravitasi. Hasil Anda muncul hari ini Surat ulasan fisik.

Dalam studi tersebut, para peneliti melihat lebih dekat pada GW150914, sinyal gelombang gravitasi pertama yang ditemukan oleh Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) pada tahun 2015. Sinyal adalah produk dari dua lubang hitam inspirasional yang menciptakan lubang hitam baru, bersama dengan sejumlah besar energi yang mengalir melalui ruang-waktu sebagai gelombang gravitasi.

Jika teorema area Hawking berlaku, maka luas cakrawala lubang hitam baru tidak boleh kurang dari luas cakrawala total lubang hitam induknya. Dalam studi baru, fisikawan menganalisis kembali sinyal dari GW150914 sebelum dan sesudah tumbukan kosmik dan menemukan bahwa seluruh area cakrawala peristiwa sebenarnya tidak berkurang setelah penggabungan – hasil yang mereka laporkan dengan keyakinan 95 persen.

Hasil mereka menandai konfirmasi pengamatan langsung pertama dari teorema area Hawking, yang telah terbukti secara matematis tetapi belum pernah diamati di alam sebelumnya. Tim berencana untuk menguji sinyal gelombang gravitasi masa depan untuk melihat apakah mereka lebih lanjut mengkonfirmasi teorema Hawking atau merupakan tanda fisika baru yang ilegal.

“Ada kemungkinan bahwa ada kebun binatang dengan objek kompak yang berbeda dan sementara beberapa di antaranya adalah lubang hitam yang mematuhi hukum Einstein dan Hawking, yang lain bisa menjadi hewan yang sedikit berbeda,” kata penulis utama Maximiliano Isi, rekan pascadoktoral NASA Einstein di Institut MIT Kavli untuk Astrofisika dan Penelitian Luar Angkasa. “Yah, itu tidak seperti kamu mengambil tes ini sekali dan selesai. Anda melakukannya sekali dan itu adalah permulaan.”

Rekan penulis Isis dalam karya tersebut adalah Will Farr dari Stony Brook University dan Center for Computational Astrophysics di Flatiron Institute, Matthew Giesler dari Cornell University, Mark Scheel dari Caltech, dan Saul Teukolsky dari Cornell University and Caltech.

Sebuah usia wawasan

Pada tahun 1971 Stephen Hawking mengusulkan teorema area, yang memunculkan sejumlah wawasan mendasar tentang mekanisme lubang hitam. Teorema tersebut memprediksi bahwa luas total cakrawala peristiwa lubang hitam – dan kebetulan semua lubang hitam di alam semesta – tidak akan pernah berkurang. Pernyataan itu paralel aneh dengan hukum kedua termodinamika, yang mengatakan bahwa entropi atau tingkat ketidakteraturan dalam suatu objek tidak boleh berkurang.

Kesamaan antara kedua teori tersebut menunjukkan bahwa lubang hitam mungkin berperilaku seperti objek termal dan eksotermik – proposisi yang membingungkan karena lubang hitam, pada dasarnya, tidak pernah membiarkan energi keluar atau memancar. Hawking akhirnya mengkuadratkan kedua gagasan tersebut pada tahun 1974, menunjukkan bahwa lubang hitam memiliki entropi dan dapat memancarkan radiasi untuk jangka waktu yang sangat lama jika efek kuantumnya diperhitungkan. Fenomena ini disebut “Radiasi Hawking” dan tetap menjadi salah satu pengungkapan paling mendasar tentang lubang hitam.

“Semuanya dimulai dengan kesadaran Hawking bahwa seluruh area cakrawala tidak akan pernah tenggelam dalam lubang hitam,” kata Isi. “The Territory Act meringkas zaman keemasan di tahun 1970-an ketika semua pengetahuan ini diperoleh.”

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

Setelah mendengar hasilnya, Hawking segera menghubungi salah satu pendiri LIGO, Kip Thorne, profesor fisika teoretis Feynman di Caltech. Pertanyaannya: dapatkah deteksi mengkonfirmasi teorema area?

Pada saat itu, para peneliti tidak dapat menyaring informasi yang diperlukan dalam sinyal sebelum dan sesudah penggabungan untuk menentukan apakah area cakrawala akhir tidak berkurang, seperti yang disarankan oleh teorema Hawking. Hanya beberapa tahun kemudian, dan pengembangan teknik oleh Isi dan rekan-rekannya, pemeriksaan hukum teritorial menjadi mungkin.

Sebelum dan sesudah

Pada 2019, Isi dan rekan-rekannya mengembangkan teknik untuk ekstrak gemanya segera setelah puncak GW150914 – momen ketika dua lubang hitam induk bertabrakan untuk membentuk lubang hitam baru. Tim menggunakan teknik untuk memilih frekuensi atau nada tertentu dari urutan bising yang dapat mereka gunakan untuk menghitung massa akhir dan putaran lubang hitam.

Massa dan putaran lubang hitam berhubungan langsung dengan luas cakrawala peristiwanya, dan Thorne mengingat dan mendekati pertanyaan Hawking dengan tindak lanjut: dapatkah mereka menggunakan teknik yang sama untuk mendapatkan sinyal sebelum dan sesudah penggabungan ke membandingkan dan mengkonfirmasi? ditetapkan daerah?

Para peneliti menerima tantangan dan membagikan sinyal GW150914 lagi pada puncaknya. Mereka mengembangkan model untuk menganalisis sinyal sebelum puncak yang sesuai dengan dua lubang hitam inspirasional dan untuk mengidentifikasi massa dan putaran dua lubang hitam sebelum mereka bergabung. Dari perkiraan ini, mereka menghitung total luas cakrawala mereka – perkiraan sekitar 235.000 kilometer persegi, atau sekitar sembilan kali luas Massachusetts.

Kemudian mereka menggunakan teknik mereka sebelumnya untuk mengekstrak “ringdown”, atau gema, dari lubang hitam yang baru terbentuk, dari mana mereka menghitung massa dan putarannya, dan akhirnya area cakrawalanya, yaitu 367.000 kilometer persegi (sekitar 13 kali) luasnya. Negara Teluk).

“Data menunjukkan dengan keyakinan yang luar biasa bahwa area cakrawala telah meningkat setelah penggabungan dan bahwa hukum luas telah dipenuhi dengan tingkat probabilitas yang sangat tinggi,” kata Isi. “Sungguh melegakan bahwa hasil kami cocok dengan paradigma yang kami harapkan dan mengkonfirmasi pemahaman kami tentang penggabungan lubang hitam yang rumit ini.”

Tim berencana untuk menguji lebih lanjut teorema areal Hawking dan teori lama lainnya tentang mekanika lubang hitam dengan data dari LIGO dan Virgo, mitranya di Italia.

“Sangat menggembirakan bahwa kami dapat memikirkan data gelombang gravitasi dengan cara baru yang kreatif dan mengajukan pertanyaan yang sebelumnya kami pikir tidak dapat kami lakukan,” kata Isi. “Kami selalu dapat mengeluarkan informasi yang berbicara langsung dengan pilar dari apa yang kami pikir kami pahami. Suatu hari data ini bisa mengungkapkan sesuatu yang tidak kami duga.”

Penelitian ini didukung sebagian oleh NASA, Yayasan Simons, dan Yayasan Sains Nasional.