A teoria do buraco negro de Hawking é confirmada pela observação pela primeira vez

O estudo fornece evidências, com base em ondas gravitacionais, para mostrar que a área total do horizonte de eventos de um buraco negro nunca pode diminuir.

Existem algumas regras que até as coisas mais extremas do universo devem seguir. A lei central dos buracos negros prevê que sua região do horizonte de eventos – a fronteira onde nada pode escapar – nunca deve encolher. Essa lei é a teoria da área de Hawking, em homenagem ao físico Stephen Hawking, que derivou essa teoria em 1971.

Cinquenta anos depois, físicos do MIT e de outros lugares confirmaram a teoria da zona de Hawking pela primeira vez, usando observações de ondas gravitacionais. Seus resultados aparecem hoje (1º de julho de 2021) em mensagens de revisão física.

No estudo, os pesquisadores analisaram mais de perto o GW150914, o primeiro sinal de onda gravitacional detectado pelo Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), em 2015. O sinal era o produto de dois buracos negros inspiradores que geraram um novo buraco negro, ao longo com uma grande quantidade de energia propagada através do espaço-tempo na forma de ondas gravitacionais.

Se a teoria da região de Hawking estiver correta, a área do horizonte do novo buraco negro não deve ser menor do que a área total do horizonte dos buracos negros originais. No novo estudo, os físicos reanalisaram o sinal do GW150914 antes e depois da colisão cósmica e descobriram que a área total do horizonte de eventos não diminuiu após a fusão – um resultado que relataram com 95% de confiança.

Suas descobertas representam a primeira confirmação de observação direta da teoria da zona de Hawking, que foi matematicamente comprovada, mas ainda não observada na natureza. A equipe planeja testar futuros sinais de ondas gravitacionais para ver se eles confirmarão a teoria de Hawking ou se serão um sinal de uma nova física que distorce as leis.

“É possível que haja um zoológico de diferentes objetos compactos e, embora alguns sejam buracos negros que seguem as leis de Einstein e Hawking, outros podem ser”, diz o autor principal Maximiliano Essie, um pós-doutorado da NASA no MIT, Maximiliano Essie. monstros diferentes. ” Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial. “Então, não é como se você fizesse este teste uma vez e acabou. Você faz isso uma vez, e isso é o começo.”

Os co-autores de Isi no artigo são Will Farr da Stony Brook University e o Flatiron Center for Computational Astrophysics, Matthew Geisler da Cornell University, Mark Schell da Caltech e Saul Tiukolsky da Cornell University and Caltech.

era de visões

Em 1971, Stephen Hawking propôs a teoria da área, que lançou uma série de idéias fundamentais sobre a mecânica dos buracos negros. A teoria prevê que a área total do horizonte de eventos de um buraco negro – e de todos os buracos negros do universo, neste caso – nunca deve diminuir. A declaração era um estranho paralelo à segunda lei da termodinâmica, que afirma que a entropia, ou o grau de desordem dentro de um objeto, nunca deve diminuir.

A semelhança entre as duas teorias sugere que os buracos negros podem se comportar como objetos térmicos que emitem calor – uma proposição confusa, pois se acreditava que os buracos negros, por sua própria natureza, nunca permitem o escape ou a radiação. Por fim, Hawking ajustou as duas idéias em 1974, mostrando que os buracos negros podem ter entropia e emitir radiação por longos períodos de tempo se seus efeitos quânticos forem levados em consideração. Este fenômeno foi apelidado de “radiação Hawking” e continua sendo uma das descobertas mais fundamentais sobre os buracos negros.

“Tudo começou com a percepção de Hawking de que a área total dos buracos negros no horizonte nunca poderia diminuir”, diz Issy. “O Código Distrital exemplifica uma época de ouro na década de 1970, em que todas essas ideias foram produzidas.”

Hawking e outros desde então mostraram que a teoria da área funciona matematicamente, mas não havia maneira de compará-la com a natureza até a primeira detecção de ondas gravitacionais do LIGO.

Ao saber do resultado, Hawking rapidamente contatou o co-fundador do LIGO, Kip Thorne, o professor Feynman de Física Teórica da Caltech. Sua pergunta: a descoberta pode confirmar a teoria da área?

Na época, os pesquisadores não tinham a capacidade de captar as informações necessárias dentro do sinal, antes e depois da fusão, para determinar se a região final do horizonte não havia diminuído, como supõe a teoria de Hawking. Só vários anos depois é que o desenvolvimento de uma técnica por Isi e seus colegas, ao testar a lei da região, se tornou possível.

antes e depois

Em 2019, Isi e colegas desenvolveram uma técnica de extração de eco logo após o pico de GW150914 – o momento em que os dois buracos negros originais colidiram para formar um novo buraco negro. A equipe usou essa técnica para escolher frequências específicas, ou tons para efeitos altos, que eles podem usar para calcular a massa e rotação finais do buraco negro.

A massa e a rotação de um buraco negro estão diretamente relacionadas à região de seu horizonte de eventos, e Thorne se aproximou deles, lembrando a consulta de Hawking, com um follow-up: Eles poderiam usar a mesma técnica para comparar o sinal antes e depois da fusão, confirmando a teoria da região ?

Os pesquisadores aceitaram o desafio e novamente dividiram o sinal GW150914 em seu pico. Eles desenvolveram um modelo para analisar o sinal antes do pico, que corresponde aos buracos negros inspiradores, e para determinar a massa e a rotação de ambos os buracos negros antes de se fundirem. A partir dessas estimativas, eles calcularam as áreas totais do horizonte – uma estimativa aproximadamente igual a cerca de 235.000 quilômetros quadrados, ou cerca de nove vezes o tamanho de Massachusetts.

Eles então usaram sua técnica anterior para extrair o “anel” ou saltos do buraco negro recém-formado, que calcularam sua massa, rotação e, finalmente, a área de seu horizonte, que descobriram ser o equivalente a 367.000 quilômetros quadrados (cerca de 13 vezes a área do Estado da Baía).

“Os dados mostram com absoluta confiança que a área do horizonte aumentou após a fusão e que a legislação da área está satisfeita com uma probabilidade muito alta”, diz Issy. “Foi um alívio que nosso resultado concordou com o modelo que esperamos e confirmou nosso entendimento dessas complexas fusões de buracos negros.”

A equipe planeja realizar mais testes da teoria da região de Hawking e outras teorias de longa duração da mecânica dos buracos negros, usando dados do LIGO e de Virgo, sua contraparte na Itália.

“É encorajador podermos pensar de maneiras novas e inovadoras sobre os dados das ondas gravitacionais e fazer perguntas que pensávamos que não poderíamos antes”, diz Issy. “Podemos continuar a extrair bits de informação que falam diretamente aos substratos do que pensamos que entendemos. Um dia, esses dados podem revelar algo que não esperávamos.”

Referência: “Teste da lei da região do buraco negro usando GW150914” por Maximiliano Essi, Will M. Farr, Matthew Geisler, Mark A. Shell e Saul A. Teukolsky, 1 de julho de 2021, disponível aqui. mensagens de revisão física.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.011103

Esta pesquisa foi apoiada em parte pela NASA, a Simmons Foundation e a National Science Foundation.