Hay ciertas reglas que deben obedecer incluso los objetos más extremos del universo. Una ley central para los agujeros negros predice que el área de sus horizontes de eventos, el límite más allá del cual nada puede escapar, nunca debería encogerse. Esta ley es el teorema del área de Hawking, nombrado en honor al físico Stephen Hawking, quien derivó el teorema en 1971.

Cincuenta años después Los físicos del MIT y otros lugares han confirmado el teorema del área de Hawking por primera vez, utilizando observaciones de ondas gravitacionales. Sus resultados aparecen hoy en Cartas de revisión física .

En el estudio, los investigadores examinan más de cerca GW150914, la primera señal de onda gravitacional detectada por el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO), en 2015. La señal fue producto de dos agujeros negros inspiradores que generaron un nuevo agujero negro, junto con una enorme cantidad de energía que ondeaba a través del espacio-tiempo como ondas gravitacionales.

Si se cumple el teorema del área de Hawking, entonces el área del horizonte del nuevo agujero negro no debería ser menor que el área total del horizonte de sus agujeros negros parentales. En el nuevo estudio, los físicos volvieron a analizar la señal de GW150914 antes y después de la colisión cósmica y encontraron que, de hecho, el área total del horizonte de eventos no disminuyó después de la fusión, un resultado que informan con un 95 por ciento de confianza.

Sus hallazgos marcan la primera confirmación observacional directa del teorema del área de Hawking, que ha sido probado matemáticamente pero nunca observado en la naturaleza hasta ahora. El equipo planea probar futuras señales de ondas gravitacionales para ver si podrían confirmar aún más el teorema de Hawking o ser una señal de nuevo, Física que dobla la ley.

"Es posible que haya un zoológico de diferentes objetos compactos, y aunque algunos de ellos son los agujeros negros que siguen las leyes de Einstein y Hawking, otros pueden ser bestias ligeramente diferentes, "dice el autor principal Maximiliano Isi, becario postdoctoral Einstein de la NASA en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. "Entonces, no es como si hicieras esta prueba una vez y se acabó. Haces esto una vez y es el comienzo ".

Los coautores de Isi en el artículo son Will Farr de la Universidad de Stony Brook y el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron, Matthew Giesler de la Universidad de Cornell, Mark Scheel de Caltech, y Saul Teukolsky de la Universidad de Cornell y Caltech.

Una era de conocimientos

En 1971, Stephen Hawking propuso el teorema del área, que desencadenó una serie de conocimientos fundamentales sobre la mecánica de los agujeros negros. El teorema predice que el área total del horizonte de sucesos de un agujero negro, y todos los agujeros negros del universo, para el caso, nunca debería disminuir. La afirmación era un curioso paralelo de la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía, o grado de desorden dentro de un objeto, tampoco debe disminuir nunca.

La similitud entre las dos teorías sugirió que los agujeros negros podrían comportarse como térmicos, objetos emisores de calor:una proposición confusa, como se pensaba que los agujeros negros por su propia naturaleza nunca dejaban escapar la energía, o irradiar. Hawking finalmente cuadró las dos ideas en 1974, mostrando que los agujeros negros podrían tener entropía y emitir radiación en escalas de tiempo muy largas si se tuvieran en cuenta sus efectos cuánticos. Este fenómeno se denominó "radiación de Hawking" y sigue siendo una de las revelaciones más fundamentales sobre los agujeros negros.

"Todo comenzó cuando Hawking se dio cuenta de que el área total del horizonte en los agujeros negros nunca puede bajar, "Dice Isi." La ley del área encapsula una edad de oro en los años 70 donde se produjeron todas estas ideas ".

Hawking y otros han demostrado desde entonces que el teorema del área funciona matemáticamente, pero no había forma de compararlo con la naturaleza hasta la primera detección de ondas gravitacionales por parte de LIGO.

Hawking, al enterarse del resultado, se comunicó rápidamente con el cofundador de LIGO, Kip Thorne, el Profesor Feynman de Física Teórica en Caltech. Su pregunta:¿Podría la detección confirmar el teorema del área?

En el momento, los investigadores no tenían la capacidad de seleccionar la información necesaria dentro de la señal, antes y después de la fusión, para determinar si el área del horizonte final no disminuyó, como supondría el teorema de Hawking. No fue hasta varios años después, y el desarrollo de una técnica por Isi y sus colegas, cuando se hizo factible probar la ley del área.

Antes y después de

En 2019, Isi y sus colegas desarrollaron una técnica para extraer las reverberaciones inmediatamente después del pico de GW150914, el momento en que los dos agujeros negros principales chocaron para formar un nuevo agujero negro. El equipo utilizó la técnica para seleccionar frecuencias específicas, o tonos de las secuelas por lo demás ruidosas, que podrían usar para calcular la masa y el giro del agujero negro final.

La masa y el giro de un agujero negro están directamente relacionados con el área de su horizonte de eventos, y Thorne, recordando la consulta de Hawking, se acercó a ellos con un seguimiento:¿Podrían usar la misma técnica para comparar la señal antes y después de la fusión, y confirmar el teorema del área?

Los investigadores asumieron el desafío, y nuevamente dividir la señal GW150914 en su punto máximo. Desarrollaron un modelo para analizar la señal antes del pico, correspondiente a los dos agujeros negros inspiradores, e identificar la masa y el giro de ambos agujeros negros antes de fusionarse. De estas estimaciones, calcularon sus áreas de horizonte totales, una estimación aproximadamente igual a alrededor de 235, 000 kilómetros cuadrados, o aproximadamente nueve veces el área de Massachusetts.

Luego utilizaron su técnica anterior para extraer el "ringdown, "o reverberaciones del agujero negro recién formado, a partir del cual calcularon su masa y giro, y finalmente su área de horizonte, que encontraron era equivalente a 367, 000 kilómetros cuadrados (aproximadamente 13 veces el área del estado de la bahía).

"Los datos muestran con abrumadora confianza que el área del horizonte aumentó después de la fusión, y que la ley del área se cumple con una probabilidad muy alta, "Dice Isi." Fue un alivio que nuestro resultado esté de acuerdo con el paradigma que esperamos, y confirma nuestra comprensión de estas complicadas fusiones de agujeros negros ".

El equipo planea probar más a fondo el teorema del área de Hawking, y otras teorías de larga data sobre la mecánica de los agujeros negros, utilizando datos de LIGO y Virgo, su contraparte en Italia.

"Es alentador que podamos pensar en nuevos formas creativas sobre los datos de ondas gravitacionales, y llegar a preguntas que antes pensábamos que no podíamos ", Dice Isi." Podemos seguir desentrañando piezas de información que se dirijan directamente a los pilares de lo que creemos comprender. Un día, estos datos pueden revelar algo que no esperábamos ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.