Det finns vissa regler som även de mest extrema föremålen i universum måste följa. En central lag för svarta hål förutspår att området för deras evenemangshorisonter - gränsen över vilken ingenting någonsin kan komma undan - aldrig får krympa. Denna lag är Hawkings områdesats, uppkallad efter fysikern Stephen Hawking, som härledde satsen 1971.

Femtio år senare, fysiker vid MIT och på andra håll har nu bekräftat Hawkings områdesats för första gången, med hjälp av observationer av gravitationella vågor. Deras resultat visas idag Fysiska granskningsbrev .

I studien, forskarna tittar närmare på GW150914, den första gravitationsvågssignalen som detekteras av Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), 2015. Signalen var en produkt av två inspirerande svarta hål som genererade ett nytt svart hål, tillsammans med en enorm mängd energi som krusade över rymdtiden som gravitationella vågor.

Om Hawkings områdesats håller, då bör horisontområdet för det nya svarta hålet inte vara mindre än det totala horisontområdet för dess svarta hål. I den nya studien, fysikerna analyserade om signalen från GW150914 före och efter den kosmiska kollisionen och fann att den totala händelsehorisonten minskade inte efter sammanslagningen - ett resultat som de rapporterar med 95 procent förtroende.

Deras resultat markerar den första direkta observationsbekräftelsen av Hawkings områdesats, som har bevisats matematiskt men aldrig observerats i naturen förrän nu. Teamet planerar att testa framtida gravitationsvågssignaler för att se om de ytterligare kan bekräfta Hawkings sats eller vara ett tecken på nya, lagböjande fysik.

"Det är möjligt att det finns en zoo med olika kompakta föremål, och medan några av dem är de svarta hålen som följer Einstein och Hawkings lagar, andra kan vara lite olika djur, "säger huvudförfattaren Maximiliano Isi, en NASA Einstein postdoktor vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Så, det är inte så att du gör det här testet en gång och det är över. Du gör det här en gång, och det är början. "

Isis medförfattare till tidningen är Will Farr från Stony Brook University och Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics, Matthew Giesler från Cornell University, Mark Scheel från Caltech, och Saul Teukolsky från Cornell University och Caltech.

En tid med insikter

År 1971, Stephen Hawking föreslog områdesatsen, som satte igång en rad grundläggande insikter om mekanik i svarta hål. Satsen förutsäger att den totala ytan av ett svart håls händelsehorisont - och alla svarta hål i universum, för den delen - bör aldrig minska. Uttalandet var en märklig parallell till termodynamikens andra lag, som säger att entropin, eller grad av oordning inom ett objekt, ska heller aldrig minska.

Likheten mellan de två teorierna föreslog att svarta hål kunde bete sig som termiska, värmeavgivande föremål-ett förvirrande förslag, eftersom svarta hål i sin natur trodde att de aldrig skulle släppa ut energi, eller utstråla. Hawking kvadrerade så småningom de två idéerna 1974, visar att svarta hål kan ha entropi och avge strålning över mycket långa tidsskalor om deras kvanteffekter beaktades. Detta fenomen kallades "Hawking -strålning" och är fortfarande en av de mest grundläggande avslöjandena om svarta hål.

"Allt började med Hawkings insikt att det totala horisontområdet i svarta hål aldrig kan gå ner, "Isi säger." Områdelagen inkapslar en guldålder på 70 -talet där alla dessa insikter producerades. "

Hawking och andra har sedan visat att områdesatsen fungerar matematiskt, men det hade inte funnits något sätt att kontrollera det mot naturen förrän LIGO:s första upptäckt av gravitationella vågor.

Hawking, efter att ha hört resultatet kontaktade snabbt LIGO-grundaren Kip Thorne, Feynman -professorn i teoretisk fysik vid Caltech. Hans fråga:Kan upptäckten bekräfta områdesatsen?

Just då, forskare hade inte förmågan att plocka ut nödvändig information inom signalen, före och efter sammanslagningen, för att avgöra om det slutliga horisontområdet inte minskade, som Hawkings sats skulle anta. Det var inte förrän flera år senare, och utvecklingen av en teknik av Isi och hans kollegor, när testning av områdelagen blev genomförbar.

Före och efter

År 2019, Isi och hans kollegor utvecklade en teknik för att extrahera efterklangen direkt efter GW150914:s topp - det ögonblick då de två förälderns svarta hål kolliderade för att bilda ett nytt svart hål. Teamet använde tekniken för att välja specifika frekvenser, eller toner av det annars bullriga efterspelet, som de kan använda för att beräkna det slutliga svarta hålets massa och snurr.

Ett svart håls massa och snurr är direkt relaterade till området för dess evenemangshorisont, och Thorne, minns Hawkings fråga, närmade sig dem med en uppföljning:Kan de använda samma teknik för att jämföra signalen före och efter sammanslagningen, och bekräfta områdesatsen?

Forskarna antog utmaningen, och delade igen GW150914 -signalen vid sin topp. De utvecklade en modell för att analysera signalen före toppen, motsvarande de två inspirerande svarta hålen, och för att identifiera massan och snurrningen av båda svarta hålen innan de slogs samman. Av dessa uppskattningar, de beräknade sina totala horisontområden - en uppskattning ungefär lika med cirka 235, 000 kvadratkilometer, eller ungefär nio gånger området i Massachusetts.

De använde sedan sin tidigare teknik för att extrahera "ringdown, "eller efterklang i det nybildade svarta hålet, varifrån de beräknade dess massa och snurr, och slutligen dess horisontområde, som de fann motsvarade 367, 000 kvadratkilometer (cirka 13 gånger Bay State -området).

"Data visar med överväldigande förtroende att horisontområdet ökade efter sammanslagningen, och att områdelagen är nöjd med mycket stor sannolikhet, "Isi säger." Det var en lättnad att vårt resultat stämmer överens med det paradigm som vi förväntar oss, och bekräftar vår förståelse av dessa komplicerade sammanslagningar av svarta hål. "

Teamet planerar att ytterligare testa Hawkings områdesats, och andra mångåriga teorier om svarthålsmekanik, med hjälp av data från LIGO och Virgo, dess motsvarighet i Italien.

"Det är uppmuntrande att vi kan tänka nytt, kreativa sätt om gravitationsvågdata, och nå frågor som vi trodde att vi inte kunde förut, "Isi säger." Vi kan fortsätta reta ut information som talar direkt till pelarna i det vi tror att vi förstår. En dag, denna data kan avslöja något vi inte förväntade oss. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.