Potwierdzono teorię Hawkinga sprzed 50 lat

Analiza pierwszej detekcji fal grawitacyjnych dokonanej w 2015 roku - GW150914 - potwierdziła twierdzenie Hawkinga mówiące o tym, że obszar horyzontu zdarzeń czarnej dziury może się tylko powiększać - nigdy zmniejszać.

Praca ta daje nam nowe narzędzie do badania tych tajemniczych obiektów i testowania granic naszego rozumienia Wszechświata.

- Możliwe, że istnieje zoo różnych zwartych obiektów i podczas gdy niektóre z nich są czarnymi dziurami, które podążają za prawami Einsteina i Hawkinga, inne mogą być nieco innymi bestiami - powiedział Maximiliano Isi, astrofizyk z MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.

Hawking po raz pierwszy zaproponował swoje twierdzenie już w 1971 roku. Przewidywało ono, że powierzchnia horyzontu zdarzeń czarnej dziury nigdy nie powinna maleć, a jedynie rosnąć.

Horyzont zdarzeń nie jest samą czarną dziurą, ale promieniem, przy którym nawet prędkość światła w próżni jest niewystarczająca do osiągnięcia prędkości ucieczki z pola grawitacyjnego generowanego przez osobliwość czarnej dziury. Jest on proporcjonalny do masy czarnej dziury; ponieważ czarne dziury mogą tylko przybierać na masie, zgodnie z ogólną teorią względności horyzont zdarzeń powinien tylko rosnąć.

Z matematycznego punktu widzenia twierdzenie o powierzchni horyzontu zdarzeń sprawdza się, ale trudno było je potwierdzić empirycznie - głównie dlatego, że czarne dziury są niezwykle trudne do bezpośredniej obserwacji, gdyż nie emitują wykrywalnego promieniowania. Wtedy jednak wykryliśmy rozchodzące się w czasoprzestrzeni fale grawitacyjne powstałe w wyniku zderzenia dwóch enigmatycznych obiektów.

Mowa o zdarzeniu GW150914 - krótki rozbłysk zarejestrowany przez interferometr LIGO zmienił wszystko. Była to pierwsza bezpośrednia detekcja nie jednej czarnej dziury, ale dwóch. Zderzyły się one ze sobą i utworzyły jedną większą czarną dziurę. Nowa czarna dziura emitowała słaby sygnał - jak uderzony dzwon. W 2019 roku zespół Isiego opracował sposób na wykrycie sygnału tego dzwonienia. 

Naukowcy przeprowadzili nową analizę sygnału fuzji, aby obliczyć masę i spin dwóch czarnych dziur sprzed fuzji. Ponieważ masa i spin są związane z obszarem horyzontu zdarzeń, pozwoliło to na obliczenie horyzontów zdarzeń wszystkich trzech obiektów.

Jeśli horyzont zdarzeń może się kurczyć, to horyzont zdarzeń ostatecznej połączonej czarnej dziury powinien być mniejszy niż horyzont zdarzeń dwóch czarnych dziur, które ją stworzyły. Według ich obliczeń, dwie mniejsze czarne dziury miały całkowity obszar horyzontu zdarzeń 235 000 kilometrów kwadratowych. Ostatnia czarna dziura miała powierzchnię 367 000 kilometrów kwadratowych.

- Dane pokazują z przytłaczającą pewnością, że obszar horyzontu wzrósł po fuzji. To była ulga, że nasz wynik zgadza się z paradygmatem, którego oczekujemy i potwierdza nasze zrozumienie tych skomplikowanych fuzji czarnych dziur - powiedział Isi.

Przynajmniej w krótkim okresie czasu. Zgodnie z mechaniką kwantową, Hawking przewidział później, że w bardzo długich przedziałach czasowych czarne dziury powinny tracić masę w postaci rodzaju promieniowania ciała czarnego, które obecnie nazywamy promieniowaniem Hawkinga. Zatem nadal jest możliwe, że horyzont zdarzeń czarnej dziury może ostatecznie zmniejszyć swoją powierzchnię.

To oczywiście będzie musiało zostać dokładniej zbadane w przyszłości. W międzyczasie, praca Isiego dała nam nowy zestaw narzędzi do badania innych obserwacji fal grawitacyjnych, w nadziei na uzyskanie jeszcze lepszego wglądu w czarne dziury i fizykę Wszechświata.