Stephen Hawking and his theory about black holes

Կան որոշակի կանոններ, որոնց պետք է ենթարկվեն նույնիսկ տիեզերքի ամենածայրահեղ օբյեկտները: Սև խոռոչների համար կենտրոնական օրենքը կանխատեսում է, որ նրանց իրադարձությունների հորիզոնների տարածքը, այն սահմանը, որից այն կողմ ոչինչ երբեք չի կարող փախչել, երբեք չպետք է փոքրանա: Այս օրենքը Հոքինգի տարածքի թեորեմն է, որն անվանվել է ֆիզիկոս Սթիվեն Հոքինգի պատվին, ով այդ թեորեմը ստացել է 1971 թվականին։

Հիսուն տարի անց MIT-ի և այլուր ֆիզիկոսներն առաջին անգամ հաստատել են Հոքինգի տարածքի թեորեմը՝ օգտագործելով գրավիտացիոն ալիքների դիտարկումները: Դրանց արդյունքներն այսօր հայտնվում են Physical Review Letters-ում:

Հետազոտության ընթացքում հետազոտողները ավելի մոտիկից նայում են GW150914-ին՝ առաջին գրավիտացիոն ալիքի ազդանշանին, որը հայտնաբերվել է 2015 թվականին լազերային ինտերֆերոմետրի գրավիտացիոն ալիքների աստղադիտարանի կողմից: , հսկայական քանակությամբ էներգիայի հետ միասին, որը տարածություն-ժամանակով պտտվում էր որպես գրավիտացիոն ալիքներ։

Եթե ​​գործում է Հոքինգի տարածքի թեորեմը, ապա նոր սև խոռոչի հորիզոնի տարածքը չպետք է փոքր լինի նրա մայր սև խոռոչների հորիզոնի ընդհանուր մակերեսից։ Նոր ուսումնասիրության մեջ ֆիզիկոսները վերավերլուծեցին GW150914 ազդանշանը տիեզերական բախումից առաջ և հետո և պարզեցին, որ իրոք, իրադարձությունների ընդհանուր հորիզոնի տարածքը միաձուլումից հետո չի նվազել, ինչի արդյունքում նրանք հայտնում են 95 տոկոս վստահությամբ:

Նրանց գտածոները նշանավորում են Հոքինգի տարածքի թեորեմի առաջին ուղղակի դիտողական հաստատումը, որը մաթեմատիկորեն ապացուցված է, բայց մինչ այժմ բնության մեջ երբեք չի դիտարկվել: Թիմը նախատեսում է փորձարկել ապագա գրավիտացիոն ալիքների ազդանշանները՝ պարզելու համար, թե արդյոք դրանք կարող են հետագայում հաստատել Հոքինգի թեորեմը, թե՞ նոր, օրենքի ուժ ունեցող ֆիզիկայի նշան լինել:

«Հնարավոր է, որ կա տարբեր կոմպակտ օբյեկտների կենդանաբանական այգի, և թեև դրանցից մի քանիսը սև խոռոչներ են, որոնք հետևում են Էյնշտեյնի և Հոքինգի օրենքներին, մյուսները կարող են լինել մի փոքր տարբեր գազաններ», - ասում է գլխավոր հեղինակ Մաքսիմիլիանո Իսին, NASA Էյնշտեյնի հետդոկտորական գիտաշխատող MIT-ում: Կավլիի աստղաֆիզիկայի և տիեզերական հետազոտությունների ինստիտուտ. «Այսպիսով, այնպես չէ, որ դուք մեկ անգամ եք անում այս թեստը, և այն ավարտված է: Դուք դա անում եք մեկ անգամ, և դա սկիզբն է»:

Թղթի վրա Իսիի համահեղինակներն են Ուիլ Ֆարը Սթոնի Բրուքի համալսարանից և Ֆլատիրոն ինստիտուտի հաշվողական աստղաֆիզիկայի կենտրոնից, Մեթյու Գիսլերը՝ Քորնելի համալսարանից, Մարկ Շիլը Կալտեխից և Սաուլ Տեյկոլսկին Կոռնելի համալսարանից և Կալտեխից։

Խորաթափանցությունների դարաշրջան

1971 թվականին Սթիվեն Հոքինգն առաջարկեց տարածքի թեորեմը, որը մի շարք հիմնարար պատկերացումներ տվեց սև խոռոչների մեխանիկայի վերաբերյալ: Թեորեմը կանխատեսում է, որ սև խոռոչի իրադարձությունների հորիզոնի ընդհանուր մակերեսը, և այդ դեպքում տիեզերքի բոլոր սև խոռոչները, երբեք չպետք է նվազեն: Հայտարարությունը թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի տարօրինակ զուգահեռն էր, որն ասում է, որ էնտրոպիան կամ օբյեկտի ներսում անկարգության աստիճանը նույնպես երբեք չպետք է նվազի:

Երկու տեսությունների միջև նմանությունը ենթադրում էր, որ սև խոռոչները կարող են իրենց պահել որպես ջերմային, ջերմություն արձակող առարկաներ, ինչը շփոթեցնող առաջարկություն է, քանի որ սև խոռոչներն իրենց բնույթով երբեք չեն թողնում էներգիան փախչել կամ ճառագայթել: Հոքինգը, ի վերջո, 1974 թվականին հրապարակեց երկու գաղափարները՝ ցույց տալով, որ սև խոռոչները կարող են էնտրոպիա ունենալ և ճառագայթել շատ երկար ժամանակաշրջաններում, եթե հաշվի առնվեն դրանց քվանտային ազդեցությունները: Այս երևույթը ստացել է «Հոքինգի ճառագայթում» անվանումը և մնում է սև խոռոչների մասին ամենահիմնական բացահայտումներից մեկը:

«Ամեն ինչ սկսվեց Հոքինգի գիտակցումից, որ սև խոռոչների ընդհանուր հորիզոնի տարածքը երբեք չի կարող իջնել», - ասում է Իսին: «Տարածքային օրենքը ներառում է 70-ականների ոսկե դարաշրջանը, որտեղ ստեղծվում էին այս բոլոր պատկերացումները»:

Հոքինգը և մյուսները այդ ժամանակվանից ցույց են տվել, որ տարածքի թեորեմն աշխատում է մաթեմատիկորեն, բայց մինչև LIGO-ի կողմից գրավիտացիոն ալիքների առաջին հայտնաբերումը, այն բնությունից ստուգելու միջոց չի եղել:

Հոքինգը, լսելով արդյունքի մասին, արագ կապ հաստատեց LIGO-ի համահիմնադիր Քիփ Թորնի հետ՝ Ֆեյնմանի տեսական ֆիզիկայի պրոֆեսոր Կալտեխում: Նրա հարցը. Կարո՞ղ է հայտնաբերումը հաստատել տարածքի թեորեմը:

Այն ժամանակ հետազոտողները հնարավորություն չունեին ընտրել անհրաժեշտ տեղեկատվությունը ազդանշանի ներսում, միաձուլումից առաջ և հետո, որպեսզի որոշեին, թե արդյոք վերջնական հորիզոնի տարածքը չի նվազում, ինչպես ենթադրում էր Հոքինգի թեորեմը: Միայն մի քանի տարի անց, և Իսիի և նրա գործընկերների կողմից տեխնիկայի մշակումը, երբ տարածքային օրենքի փորձարկումը հնարավոր դարձավ:

Առաջ և հետո

2019 թվականին Իսին և նրա գործընկերները մշակեցին մի տեխնիկա՝ արդյունահանելու արձագանքները GW150914-ի գագաթնակետին անմիջապես հետո, այն պահը, երբ երկու մայր սև խոռոչները բախվեցին՝ ձևավորելով նոր սև խոռոչ: Թիմն օգտագործեց տեխնիկան՝ որոշելու որոշակի հաճախականություններ կամ այլապես աղմկոտ հետևանքների հնչերանգներ, որոնք նրանք կարող էին օգտագործել՝ հաշվարկելու վերջնական սև խոռոչի զանգվածը և պտույտը:

Սև խոռոչի զանգվածը և պտույտը ուղղակիորեն կապված են նրա իրադարձությունների հորիզոնի տարածքի հետ, և Թորնը, հիշելով Հոքինգի հարցումը, մոտեցավ նրանց հետևյալ կերպ. տարածքի թեորեմ.

Հետազոտողները ստանձնեցին մարտահրավերը և կրկին բաժանեցին GW150914 ազդանշանն իր գագաթնակետին: Նրանք մշակեցին մոդել՝ վերլուծելու ազդանշանը գագաթնակետից առաջ, որը համապատասխանում է երկու ոգեշնչող սև խոռոչներին, և նույնականացնելու երկու սև անցքերի զանգվածն ու պտույտը, նախքան դրանք միաձուլվելը: Այս գնահատականներից նրանք հաշվարկել են իրենց ընդհանուր հորիզոնի տարածքները՝ մոտավորապես 235,000 քառակուսի կիլոմետր կամ մոտավորապես ինը անգամ Մասաչուսեթսի տարածքը:

Նրանք այնուհետև օգտագործեցին իրենց նախորդ տեխնիկան՝ հանելու նոր ձևավորված սև խոռոչի «զանգը» կամ արձագանքները, որոնցից նրանք հաշվարկեցին դրա զանգվածը և պտույտը, և, ի վերջո, նրա հորիզոնի տարածքը, որը նրանք գտան համարժեք 367,000 քառակուսի կիլոմետրի (մոտ 13 անգամ): Բեյ նահանգի տարածքը):

«Տվյալները ճնշող վստահությամբ ցույց են տալիս, որ միաձուլումից հետո հորիզոնի տարածքը մեծացել է, և որ տարածքային օրենքը բավարարվում է շատ մեծ հավանականությամբ», - ասում է Իսին: «Թեթևացում էր, որ մեր արդյունքը համաձայնում է այն պարադիգմին, որը մենք ակնկալում ենք, և հաստատում է մեր ըմբռնումը այս բարդ սև խոռոչների միաձուլումների վերաբերյալ»:

Թիմը նախատեսում է հետագայում փորձարկել Հոքինգի տարածքի թեորեմը և սև խոռոչների մեխանիկայի այլ վաղեմի տեսություններ՝ օգտագործելով LIGO-ի և Virgo-ի տվյալները, որոնք նրա գործընկերներն են Իտալիայում:

«Հուսադրող է, որ մենք կարող ենք նոր, ստեղծագործ ձևերով մտածել գրավիտացիոն ալիքների տվյալների մասին և հասնել այնպիսի հարցերի, որոնք նախկինում կարծում էինք, որ չենք կարող», - ասում է Իսին: «Մենք կարող ենք շարունակել ծաղրել այն տեղեկատվության կտորները, որոնք ուղղակիորեն խոսում են այն սյուների մասին, որոնք մենք կարծում ենք, որ հասկանում ենք: Մի օր այս տվյալները կարող են բացահայտել մի բան, որը մենք չէինք սպասում»:

Այս հետազոտությունը մասամբ աջակցվել է NASA-ի, Simons Foundation-ի և National Science Foundation-ի կողմից: