Powierzchnia działania czarnych dziur nie zmniejsza się w czasie. Nowa analiza fal grawitacyjnych potwierdza odkrycie z 2015 roku.
Powierzchnia czynna czarnej dziury, do której zasysana jest materia i promieniowanie, nie może zmniejszać się w czasie. Jest to teoria Stephena Hawkinga, którą właśnie potwierdziły nowe badania MIT. Analizę przeprowadzono badając fale grawitacyjne wytworzone 1,3 miliarda lat temu przez dwie gigantyczne czarne dziury spiralnie krążące wokół siebie, a opublikowano ją w Physical Review D. Badanie opiera się na wynikach badań przeprowadzonych przez MIT. Jednak pozostałoby to paradoksem w porównaniu z inną teorią, która przewiduje, że w dłuższej perspektywie czarna dziura skurczy się do punktu wyparowania.
Teoria czarnych dziur Stephena Hawkinga
W 1971 r. Hawking wysnuł twierdzenie, że obszar czarnej dziury nie zmniejsza się w czasie z ogólnej teorii względności Einsteina. Zasada ta dla fizyków byłaby ściśle związana z drugim prawem termodynamiki, które mówi, że czas płynie w określonym kierunku, czyli że entropia, czyli nieuporządkowanie, układu zamkniętego musi zawsze wzrastać. Ponieważ entropia czarnej dziury jest proporcjonalna do jej powierzchni, obie muszą stale rosnąć.
Nowe badanie potwierdzające teorię Hawkinga
Według nowego badania, potwierdzenie przez naukowców prawa powierzchni wydaje się sugerować, że właściwości czarnych dziur są znaczącymi wskazówkami do ukrytych praw rządzących wszechświatem. Co dziwne, prawo powierzchni wydaje się zaprzeczać innemu twierdzeniu udowodnionemu przez słynnego fizyka: że czarne dziury powinny wyparowywać w niezwykle długiej skali czasowej. Następnym krokiem byłoby zatem zrozumienie źródła sprzeczności między tymi dwiema teoriami, co mogłoby ujawnić nową fizykę.
Powierzchnia czarnej dziury jest określona przez sferyczną granicę znaną jako horyzont zdarzeń: poza tym punktem nic, nawet światło, nie może uciec przed jej potężnym przyciąganiem grawitacyjnym. Zgodnie z Hawkingowską interpretacją ogólnej teorii względności, skoro powierzchnia czarnej dziury rośnie wraz z jej masą i skoro żaden obiekt wprowadzony do niej nie może uciec, to jej powierzchnia nie może się zmniejszać. Ale powierzchnia czarnej dziury kurczy się, gdy się ona obraca, więc badacze zastanawiali się, czy byłoby możliwe wystrzelenie w nią obiektu na tyle silnego, by spowodować obrót czarnej dziury, tak by jej powierzchnia się skurczyła.
Aby sprawdzić tę teorię, badacze przeanalizowali fale grawitacyjne, czyli falowanie czasoprzestrzeni, wytworzone 1,3 miliarda lat temu przez dwie duże czarne dziury, które spiralnie zbliżały się do siebie z dużą prędkością. Były to pierwsze fale kiedykolwiek wykryte w 2015 roku przez Zaawansowane Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO), wiązkę laserową podzieloną na dwie ścieżki o długości czterech kilometrów (4 mil) i zdolną do wykrywania najmniejszych zakłóceń w czasoprzestrzeni. Dzieląc sygnał na dwie połowy, przed i po połączeniu się czarnych dziur, badacze obliczyli masę i spin zarówno oryginalnej, jak i połączonych czarnych dziur. Te liczby z kolei pozwoliły im obliczyć pole powierzchni każdej czarnej dziury przed i po zderzeniu.
Powierzchnia nowo powstałej czarnej dziury była większa niż dwóch początkowych, co potwierdziło prawo powierzchni Hawkinga o 95 procent. Według badaczy, ich wyniki są całkiem zgodne z tym, co spodziewali się znaleźć. Prawdziwą zagadką pozostaje próba zintegrowania ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową. Dzieje się tak dlatego, że czarne dziury nie mogą się kurczyć zgodnie z ogólną teorią względności, ale mogą zgodnie z mechaniką kwantową. Za prawem powierzchni brytyjski fizyk rozwinął również koncepcję znaną jako promieniowanie Hawkinga, w której mgiełka cząstek jest emitowana na krawędziach czarnych dziur w wyniku dziwnych efektów kwantowych. Zjawisko to powoduje, że czarne dziury kurczą się i w końcu, w okresie wielokrotnie dłuższym niż wiek wszechświata, wyparowują. To parowanie może odbywać się w wystarczająco długim okresie czasu, że nie narusza krótkookresowego prawa powierzchni.
W międzyczasie japońskie badania przeanalizowały burzę czarnych dziur, która może być w stanie wyjaśnić coś na temat pochodzenia galaktyk.
Stefania Bernardini