Хокинг был прав! Гравитационные волны подтвердили одну из самых известных теорем о черных дырах

Считается, что черные дыры следуют определенным простым правилам, несмотря на их таинственную природу. Теперь же один из самых известных законов об этих объектах, предсказанный Стивеном Хокингом, подтвердили гравитационные волны.

Согласно теореме о площади черных дыр, разработанной Хокингом в начале 1970-х, площадь поверхности черной дыры не может уменьшаться со временем. Эта теорема очень любопытна, так как перекликается с известным правилом физики, гласящем о том, что беспорядок (или энтропия) не может уменьшаться со временем. Напротив, энтропия постоянно возрастает. И физики считают, что это своего рода намек на важность и некоторую фундаментальность площади черной дыры — по крайней мере, так считает астрофизик Уилл Фарр из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни Брук и Института Флэтайрон в Нью-Йорке.

Площадь одинокой черной дыры не изменится – в конце концов, ничего из нее не может «убежать». Однако, если что-то в нее бросить, то она приобретет большую массу и, следовательно, ее площадь увеличится. В то же время входящий объект может заставить черную дыру вращаться, что уменьшает ее площадь. Закон площади гласит, что увеличение площади поверхности вследствие дополнительной массы всегда будет преобладать над ее уменьшением вследствие добавленного вращения.

Чтобы проверить это правило, Фарр, астрофизик Максимилиано Иси из МТИ, и другие ученые использовали рябь в пространстве-времени, которую вызвало слияние двух черных дыр в одну. Площадь поверхности черной дыры определяется ее горизонтом событий – внутренней границей, из-за которой нет возврата. Согласно теореме о площади черной дыры, площадь горизонта событий новообразованной черной дыры должна по крайней мере соответствовать сумме горизонтов двух исходных черных дыр.

Команда проанализировала данные самой первой регистрации гравитационных волн, осуществленной лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией – LIGO – в 2015 году. Исследователи разделили данные о гравитационных волнах на два сегмента – до и после слияния, а затем вычислили площади поверхностей черных дыр на каждом этапе. Площадь поверхности новообразованной черной дыры превышала сумму площадей двух исходных объектов, подтвердив верность теоремы о площади черной дыры на 95%. Об этом физики написали в своей статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Теорема о площади черной дыры следует из общей теории относительности (ОТО), описывающей физику черных дыр и гравитационных волн. Предыдущие анализы гравитационных волн соответствовали предсказаниям ОТО, тем самым намекая на высокую вероятность верности закона о площади. Однако новое исследование предоставляет более четкое подтверждение.

На данный момент ОТО хорошо описывает черные дыры. Однако ученые пока не вполне понимают, что происходит там, где ОТО – по большей части применяемая к крупным объектам, вроде тех же черных дыр – сталкивается с квантовой механикой, описывающей экстремально малые объекты вроде атомов и субатомных частиц. В квантовом мире могут происходить крайне странные вещи.

Например, черные дыры могут испускать слабый поток частиц, известный как излучение Хокинга, которое также было предсказано ученым в 1970-х. Это свойство может позволить черным дырам уменьшаться, тем самым нарушая закон о площади, но происходить это может только в течение невероятно долгих периодов, так что никак не влияет на относительно быстрое слияние двух черных дыр, зарегистрированное LIGO.

Сегодня физики находятся в поисках улучшенной теории, которая бы совместила две дисциплины – теории квантовой гравитации. И в данном случае любое отклонение со стороны черных дыр в подчинении правилам ОТО может направить физиков в нужном направлении для обнаружения этой теории.