Natuurkundigen hebben een van Hawkings theorieën over zwarte gaten bevestigd

Stephen Hawking is wereldberoemd om zijn onderzoek naar zwarte gaten. Hij overleed in 2018.

Een van zijn theorieën stelt dat de oppervlakte van een zwart gat nooit kleiner kan zijn. Dit wordt gebiedstheorie genoemd.

Deze theorie bracht hem er later toe om te suggereren dat zwarte gaten een of andere vorm van straling moeten uitzenden. Onder natuurkundigen is dat wat het is meest populair.

In 2015 registreerden onderzoekers van het LIGO-observatorium in de Verenigde Staten zwaartekrachtsgolven Voor de eerste keer. Twee zwarte gaten cirkelden strak om elkaar heen en versmolten met elkaar. Creëer oscillaties in de kamer zelf.

Toen Stephen Hawking het grote nieuws hoorde, belde hij een van de oprichters van LIGO, Cape Thorne. De vraag die hij stelde was of de waarneming de gebiedstheorie kon bevestigen, volgens: Artikel van het Massachusetts Institute of Technology.

Nu hebben onderzoekers het antwoord. Met behulp van de eerste waarneming van zwaartekrachtsgolven bevestigden ze dat de gebeurtenis in overeenstemming was met de theorie van Hawking.

De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift fysieke beoordelingsberichten.

De gebeurtenishorizon is groter geworden

De gebiedstheorie zegt dat het gebied van de waarnemingshorizon van een zwart gat in de loop van de tijd niet kleiner kan worden, alleen groter. Binnen de waarnemingshorizon zou men sneller dan het licht moeten reizen om te ontsnappen. Er straalt dus niets uit, zelfs geen licht.

De onderzoekers achter de nieuwe studie onderzochten of de theorie van Hawking klopte toen twee zwarte gaten samensmolten.

Om de theorie te laten gelden, hoeft de oppervlakte van zowel de twee zwarte gaten als van elkaar niet groter te zijn dan de oppervlakte van het nieuwe zwarte gat.

En dit was waar. De zwarte gaten waren in totaal 235.000 vierkante kilometer groot. Na de fusie had het nieuwe zwarte gat een oppervlakte van 367.000 vierkante kilometer.

De onderzoekers zijn ook van plan om andere signalen van zwaartekrachtgolven te onderzoeken om te zien of ze hetzelfde vinden.

Wetsgeheugen in de thermodynamica

Het feit dat de waarnemingshorizon van een zwart gat altijd groter moet zijn, herinnert ons aan een andere belangrijke doctrine in de natuurkunde: de tweede wet van de thermodynamica. Het zegt dat de entropie van een geïsoleerd systeem nooit kan worden verminderd.

Entropie wordt vaak beschreven als een maat voor wanorde. Het is zeer waarschijnlijk dat wanneer u de melk bij de koffie giet, deze zich in de koffie zal verspreiden totdat deze niet langer romig kan zijn, in plaats van dat de volle melk in het midden klonterig blijft. Een ander voorbeeld is dat warmte wordt verdeeld van iets warms naar iets kouds totdat de temperatuur gelijk is.

Een van de onderzoekers achter de nieuwe studie, Maximiliano Essi, schreef in een e-mail aan Forskning.no dat de theorie van de Hawking-regio fundamenteel is voor het moderne begrip van zwarte gaten. Essie is een postdoctoraal onderzoeker aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research aan het Massachusetts Institute of Technology.

Het feit dat het oppervlak van een zwart gat nooit kleiner kan worden, weerspiegelt de tweede wet van de thermodynamica die stelt dat entropie, de mate van wanorde in een systeem, nooit kan zinken. Hij onthult dat zwarte gaten thermische lichamen zijn, die ingrijpende gevolgen hebben voor de kwantumeigenschappen van tijd.

Warmte is gerelateerd aan temperatuur en warmte.

Het besef dat hun oppervlakte niet kon afnemen, leidde tot het besef dat zwarte gaten een temperatuur hebben en kunnen verdampen als ze Hawking-straling uitzenden, zegt Issey.

Hij bestudeerde “tonen” in zwaartekrachtsgolven

Onderzoekers waren in staat om de grootte van zwarte gaten te bepalen door naar het signaal van zwaartekrachtsgolven te kijken.

Het gebied wordt bepaald door de rotatie van het zwarte gat, dat wil zeggen hoe snel het ronddraait, en door zijn massa.

De rotatie zorgt ervoor dat het zwarte gat aan de boven- en onderkant iets samendrukt, en de vorm van de bol wordt meer langwerpig. Essie schrijft in een e-mail dat dit de oppervlakte verkleint.

Onderzoekers hebben een nieuwe analysemethode ontwikkeld om de massa en rotatie van zwarte gaten te berekenen voor en nadat ze samensmelten. Ze deden dit met behulp van gegevens van zwaartekrachtsgolven.

Issey legde uit dat naarmate ze steeds sneller om elkaar heen draaien, de zwaartekrachtsgolven meer en meer worden versterkt totdat ze uiteindelijk in elkaar zinken – waardoor de golven de grootste uitbarsting krijgen. Sesam Levende Wetenschap.

Dan houd je een groter zwart gat over dat iets later trilt.

– Het is alsof je een bel laat rinkelen, de specifieke tonen en de duur van het rinkelen vertellen je waar de bel van is gemaakt en waar hij van is gemaakt.

Je zou je kunnen voorstellen dat een botsing tussen zwarte gaten ervoor zou zorgen dat het nieuwe zwarte gat zo snel roteert dat het gebied kleiner zou worden dan de twee samen. Maar dit was niet waar.

“Je wilt dat het meer draait, maar niet genoeg om de massa goed te maken die je zojuist hebt toegevoegd”, vertelde Issy aan WordsSideKick.com.

Wat je ook doet, massa en rotatie zorgen ervoor dat je meer ruimte krijgt.

– Spannend

Øystein Elgarøy is professor in de afdeling theoretische astrofysica aan de Universiteit van Oslo. Hij vindt het resultaat interessant.

– Het is heel opwindend dat zwaartekrachtsgolven ons de mogelijkheid bieden om fundamentele resultaten in de algemene relativiteitstheorie te testen, zoals de Hawking-regiotheorie van zwarte gaten, schreef hij in een e-mail aan forskning.no.

Deze theorie was het begin van een reeks werken die uitmondden in de theorie van Hawking dat zwarte gaten niet helemaal zwart zijn, maar straling uitzenden.

Hawking toonde aan dat zwarte gaten volgens de algemene relativiteitstheorie niet kunnen samentrekken. De algemene relativiteitstheorie gaat over ruimte, tijd en zwaartekracht.

Hawking ontdekte later iets vreemds. Kwantummechanica gebruiken in berekeningen Zou je Zwarte gaten krimpen. De kwantummechanica beschrijft wat er op microniveau tussen deeltjes gebeurt.

Hawking theoretiseerde dat zwarte gaten straling uitzenden als gevolg van kwantumeffecten nabij de waarnemingshorizon. Na verloop van tijd krimpt het zwarte gat en verdwijnt het. Maar het duurt erg lang, veel langer dan de leeftijd van het heelal. De theorie is niet bewezen.

Deze theorieën over zwarte gaten hebben wetenschappers op een paradoxaal pad gebracht. De kwantummechanica zegt dat informatie niet kan verdwijnen. Hawking-straling lijkt willekeurig te zijn en bevat geen informatie over wat er in het gat is gevallen. Waar gaat de informatie naartoe als het zwarte gat verdwijnt? Dit wordt de informatieparadox genoemd.

tegenstrijdig

Ik ben geobsedeerd door deze dingen vanwege hoe inconsistent ze zijn. Het is heel mysterieus en verwarrend, maar tegelijkertijd weten we dat het het eenvoudigste is dat er is, vertelt Isi aan WordsSideKick.com.

Zwarte gaten kunnen worden beschreven met slechts drie waarden: massa, spin en lading. Toch zit het vol geheimen. Ze kunnen de sleutel zijn tot het ontdekken van nieuwe fysica.

Al deze ideeën over zwarte gaten zijn op hun beurt enkele van de weinige aanwijzingen die we hebben in de zoektocht naar een theorie die de algemene relativiteitstheorie verenigt met de kwantumfysica, zegt Austin Elgaroy.

Wetenschappers weten niet precies wat er werkelijk aan de hand is in een zwart gat. Om daar achter te komen, hebben ze waarschijnlijk een theorie nodig over: Quantum zwaartekracht. Hij kon Einsteins algemene relativiteitstheorie verenigen met de kwantumfysica.

Het feit dat de gebiedstheorie nu experimenteel kan worden getest, is een teken dat we ons in een zeer opwindende tijd in de natuurkunde bevinden, dankzij zwaartekrachtsgolven, zegt Elgarøy.

Referentie:

Maximiliano Isi, Will M. Farr, Matthew Giesler, Mark A. Scheel & Saul A. Teukolsky: «Black Hole Region Law Test using GW150914», Physical Review Letters, 1. Julie 2021. Samenvatting.