Los físicos confirman mediante la observación por primera vez la teoría de Hawking de un agujero negro | Noticias del MIT

Los físicos confirman mediante la observación por primera vez la teoría de Hawking de un agujero negro |  Noticias del MIT

Hay algunas reglas que deben seguir incluso las cosas más extremas del universo. La ley central de los agujeros negros predice que la región de su horizonte de eventos, el límite donde nada puede escapar, nunca debería encogerse. Esta ley es la teoría del área de Hawking, que lleva el nombre del físico Stephen Hawking, quien derivó esta teoría en 1971.

Cincuenta años después, los físicos del MIT y otros lugares confirmaron la teoría de la zona de Hawking por primera vez, utilizando observaciones de ondas gravitacionales. Sus resultados aparecen hoy en mensajes de revisión física.

En este estudio, los investigadores observaron más de cerca GW150914, la primera señal de onda gravitacional detectada por el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO), en 2015. La señal fue el producto de dos inspiradores agujeros negros que dieron origen a un nuevo agujero negro. . , junto con una enorme cantidad de energía que se propaga a través del espacio-tiempo en forma de ondas gravitacionales.

Si la teoría de la región de Hawking es correcta, entonces el área del horizonte del nuevo agujero negro no debería ser menor que el área total del horizonte de los agujeros negros originales. En el nuevo estudio, los físicos volvieron a analizar la señal de GW150914 antes y después de la colisión cósmica y encontraron que el área total del horizonte de eventos no disminuyó después de la fusión, un resultado que informan con un 95% de confianza.

Sus hallazgos representan la primera confirmación observacional directa de la teoría de zonas de Hawking, que ha sido probada matemáticamente pero aún no se ha observado en la naturaleza. El equipo planea probar futuras señales de ondas gravitacionales para ver si confirman aún más la teoría de Hawking o si son un signo de una nueva física que tuerce las leyes.

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“Es posible que haya un zoológico de diferentes objetos compactos, y aunque algunos son agujeros negros que siguen las leyes de Einstein y Hawking, otros pueden serlo”, dice el autor principal Maximiliano Essie, becario postdoctoral de la NASA en el MIT, Maximiliano Essie. Bestias diferentes, Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial. “Entonces, no es como si hicieras esta prueba una vez y se acabó. Haz esto una vez, y ese es el comienzo”.

Los coautores de Izzy en el artículo son Will Farr de la Universidad de Stony Brook y el Centro Flatiron de Astrofísica Computacional, Matthew Geisler de la Universidad de Cornell, Mark Schell de Caltech y Saul Tukolsky de la Universidad de Cornell y Caltech.

era de visiones

En 1971, Stephen Hawking propuso la teoría del área, que lanzó una serie de ideas fundamentales sobre la mecánica de los agujeros negros. La teoría predice que el área total del horizonte de sucesos de un agujero negro, y todos los agujeros negros del universo, en este caso, nunca deberían disminuir. La afirmación era un extraño paralelismo con la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía, o el grado de desorden dentro de un objeto, nunca debería disminuir.

La similitud entre las dos teorías sugiere que los agujeros negros pueden comportarse como objetos térmicos que emiten calor, una proposición confusa, ya que se creía que los agujeros negros por su propia naturaleza nunca permiten el escape o la radiación. En última instancia, Hawking cuadró las dos ideas en 1974, mostrando que los agujeros negros pueden tener entropía y emitir radiación durante períodos de tiempo muy largos si se tienen en cuenta los efectos cuánticos. Este fenómeno ha sido denominado “radiación de Hawking” y sigue siendo uno de los descubrimientos más fundamentales sobre los agujeros negros.

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“Todo comenzó cuando Hawking se dio cuenta de que el área total del horizonte de los agujeros negros nunca podría disminuir”, dice Issy. “El Código de Distrito ejemplifica una edad de oro en la década de 1970 en la que se produjeron todas estas ideas”.

Hawking y otros han demostrado desde entonces que la teoría del área funciona matemáticamente, pero no había forma de compararla con la naturaleza hasta que LIGO La primera detección de ondas gravitacionales..

Al enterarse del resultado, Hawking se puso rápidamente en contacto con el cofundador de LIGO, Kip Thorne, profesor de Física Teórica Feynman en Caltech. Su pregunta: ¿Puede el descubrimiento confirmar la teoría del área?

En ese momento, los investigadores no tenían la capacidad de seleccionar la información necesaria dentro de la señal, antes y después de la fusión, para determinar si la región del horizonte final no había disminuido, como postula la teoría de Hawking. No fue hasta varios años después que el desarrollo de una técnica por Isi y sus colegas, al probar la ley de la región, se hizo posible.

antes y después de

En 2019, Isi y sus colegas desarrollaron una tecnología para extracción de eco Inmediatamente después del pico de GW150914, el momento en que los dos agujeros negros originales chocaron para formar un nuevo agujero negro. El equipo utilizó esta técnica para seleccionar frecuencias específicas, o tonos para efectos fuertes, que pueden usar para calcular la masa y rotación final del agujero negro.

La masa y la rotación de un agujero negro están directamente relacionadas con la región de su horizonte de eventos, y Thorne se acercó a ellos, recordando la pregunta de Hawking, con un seguimiento: ¿Podrían usar la misma técnica para comparar la señal antes y después de la fusión, enfatizando la teoría de la región ?

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Los investigadores aceptaron el desafío y nuevamente dividieron la señal GW150914 a su punto máximo. Desarrollaron un modelo para analizar la señal antes del pico, que corresponde a los agujeros negros inspiradores, y para determinar la masa y la rotación de ambos agujeros negros antes de que se fusionen. A partir de estas estimaciones, calcularon las áreas totales del horizonte, una estimación aproximadamente igual a unos 235.000 kilómetros cuadrados, o aproximadamente nueve veces el área de Massachusetts.

Luego utilizaron su método anterior para extraer el “anillo” o los rebotes del agujero negro recién formado, y calcularon su masa, rotación y, en última instancia, el área de su horizonte, que encontraron en 367.000 kilómetros cuadrados (unos 13 veces el área del Estado de la Bahía).

“Los datos muestran con abrumadora confianza que el área del horizonte ha aumentado después de la fusión y que la ley del área se cumple con una probabilidad muy alta”, dice Issy. “Fue un alivio que nuestro resultado coincidiera con el modelo que esperábamos y confirma nuestra comprensión de estas complejas fusiones de agujeros negros”.

El equipo planea realizar más pruebas de la teoría de la región de Hawking y otras teorías de larga data sobre la mecánica de los agujeros negros, utilizando datos de LIGO y Virgo, su contraparte en Italia.

“Es alentador que podamos pensar de formas nuevas e innovadoras sobre los datos de ondas gravitacionales y plantearnos preguntas que antes pensábamos que no podíamos”, dice Issy. “Podemos continuar extrayendo bits de información que se dirigen directamente a los sustratos de lo que creemos que entendemos. Un día, estos datos pueden revelar algo que no esperábamos”.

Esta investigación fue apoyada en parte por la NASA, la Fundación Simmons y la Fundación Nacional de Ciencias.

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