o mașină de vânătoare cu găuri negre
Fizicienii au împărțit semnalul gravitațional al fuziunii în frecvențe izolate pentru a determina suprafețele.
Cel mai clar semnal de fuziune al găurilor negre, înregistrat de Ligo în ianuarie 2025, oferă noi perspective asupra acestor obiecte misterioase. Credit: Fundația Maggie Chiang/Simons
În 1971, fizicianul târziu Stephen Hawking a făcut o predicție intrigantă: suprafața totală a unei găuri negre nu poate scădea, nu poate doar să crească sau să rămână stabilă. Deci, dacă două găuri negre se combină, gaura neagră nou formată va avea o suprafață mai mare. Aceasta a devenit cunoscută sub numele de teorema zonei Hawking. Analiza semnalului gravitațional dintr -o fuziune a găurilor negre detectate în ianuarie oferă cele mai bune dovezi observaționale până în prezent în sprijinul teoremei lui Hawking, potrivit unui hârtie nouă Publicat în revista Physical Review Letters.
Descoperirea se întâmplă doar să coincidă cu aniversarea de 10 ani a primei detectări câștigătoare a Premiului Nobel Ligo Colaboration Colaboration. O a doua lucrare a fost depusă (dar încă nu a fost acceptată), plasând limite teoretice pe un al treilea ton prevăzut la un pas mai mare care ar putea fi pândit în semnalul de undă gravitațională al evenimentului.
Acum cunoscut sub numele de Ligo/Virgo/Kagra (LVK), colaborarea caută universul pentru undele gravitaționale produse de fuziunile de găuri negre și stele de neutroni. Ligo detectează unde gravitaționale prin Interferometrie laserfolosind lasere cu putere mare pentru a măsura modificări minuscule la distanța dintre două obiecte poziționate de kilometri. Ligo are detectoare în Hanford, Washington și în Livingston, Louisiana. Un al treilea detector din Italia, avansat Fecioară, a venit online în 2016. În Japonia, Kagra este primul detector de unde gravitaționale din Asia și primul care a fost construit în subteran. Construcția a început pe Ligo-India în 2021, iar fizicienii se așteaptă să se aprindă cândva după 2025.
Fiecare instrument este atât de sensibil încât ridică, de asemenea, mici vibrații ambientale, precum un tren de marfă zulzet sau vibrații termice naturale în detectoarele în sine. Așadar, colaborarea LIGO merge la lungimi mari pentru a -și proteja instrumentele și a minimiza zgomotul în datele sale. Pe 14 septembrie 2015, la 5:51 AM EST, ambii detectori au ridicat semnale în milisecunde unul de celălalt pentru prima dată. Formele de undă ale acestor semnale servesc ca o amprentă audio – în acest caz, dovezi pentru două găuri negre în spirală spre interior unul spre celălalt și contopind într -un eveniment de coliziune masivă, trimițând valuri de șoc puternice pe parcursul spațiului. Ridicarea semnalelor a fost o realizare uimitoare și nimeni nu a fost surprins când prima observație directă a undelor gravitaționale a câștigat premiul Nobel pentru fizică din 2017.
Fuziunile detectate timpuriu au implicat fie două găuri negre, fie două stele de neutroni. În 2021, Ligo/Fecioară/Kagra a confirmat detectarea a două fuziuni „mixte” separate între găurile negre și stelele de neutroni. Odată ce sursa a fost identificată, o rețea de telescoape de pe glob a fost capabilă să surprindă „Kilonova” însoțitoare-o explozie masivă de energie care se comportă un pic ca o lumină strobostă de mare putere, oferind astronomilor o înregistrare fără precedent a unui eveniment ceresc major care a combinat lumina și sunetul. S-a creat oficial într-o nouă epocă a așa-numitei astronomii multi-messenger (MMA).
O simulare de relativitate numerică a evenimentului GW250114 recent observat, o fuziune binară a găurilor negre detectată de Ligo la 14 ianuarie 2025.
Colaborarea a detectat, de asemenea, fuziuni asimetrice, unde o gaură neagră este mult mai masivă decât partenerul său, precum și Descoperiri Asta a contestat așa-numitul „Mass Gap” între găurile negre și stelele de neutroni. Şi vara aceastaColaborarea Ligo/Virgo/Kagra a detectat semnalul de undă gravitațională (supranumit GW231123) al celei mai masive fuziuni între două găuri negre observate, rezultând o nouă gaură neagră care este de 225 de ori mai masivă decât Soarele nostru.
În căutarea de tonuri de povestire
Ligo este acum de aproape patru ori mai sensibil decât atunci când a înregistrat prima fuziune a găurilor negre demne de Nobel. Și această sensibilitate a permis colaborării să înregistreze cel mai ascuțit semnal de undă gravitațională până acum, denumit GW250114. Evenimentul a fost remarcabil de asemănător cu „Twin” din 2015, care a implicat două găuri negre de aproximativ 30 de mase solare a căror fuziune a produs un semnal la fel de „tare” și a dus la o nouă gaură neagră de aproximativ 63 de mase solare. Dar diferența dintre fidelitatea celor două semnale a permis cercetătorilor să izoleze mai bine anumite frecvențe sau tonuri în „Ringdown”, folosind informațiile respective pentru a calcula proprietățile noii găuri negre și pentru a le compara cu predicțiile teoretice.
Descoperirea a fost de câțiva ani în devenire. În 2019, am raportat Că fizicienii au „auzit” inelul unei gauri din spate pentru sugari pentru prima dată prin împletirea semnalului din 2015 în „Suspus” din date. Nu numai că au fost prezente aparițiile, dar și modelul de pitch și de descompunere Predicții potrivite pentru masa și rotirea găurii negre derivate folosind teoria generală a relativității. Rezultatul a susținut, de asemenea, așa-numita teoremă „fără păr” pentru descrierea clasică a găurilor negre, care susține că tot ce ai nevoie pentru a descrie găurile negre din punct de vedere matematic este masa și rotirea lor, plus încărcarea lor electrică. A fost prima măsurare experimentală care a reușit să testeze direct teorema fără păr.
Dar reverberațiile finale, în timp ce noul format negru s -a instalat în noul său stat, numit Ringdown, de la acel prim eveniment au fost semnificativ mai slabi, iar oamenii de știință nu au putut să facă distincția între soneria de la coliziunea inițială și ringdown. Pentru GW250114, sensibilitatea îmbunătățită a lui Ligo a însemnat că oamenii de știință ar putea măsura frecvența și durata inelului de gaură neagră contopită mult mai precis. Analiza rezultată consolidează rezultatele din 2019 care confirmă teorema „fără păr”.
Comparație audio a semnalelor de undă gravitaționale din 2015 și 2025. Credit: Ligo/Fecioară/Kagra
Cu cel mai recent eveniment, fizicienii au obținut o „vedere deosebit de detaliată a semnalului atât înainte, cât și după fuziunea găurilor negre”. a spus coautorul Maximiliano ISI a Universității Columbia, care a condus un 2021 Studiu Utilizarea aceleiași metode pe datele din 2015 pentru a confirma observațional teorema zonei Hawking. Ca și în cazul teoremei fără păr, semnalul mai clar de la GW250114 consolidează în continuare acel rezultat anterior. Datele GW250114 au relevat faptul că cele două găuri negre inițiale aveau o suprafață totală de aproximativ 240.000 de kilometri pătrați, aproximativ dimensiunea Regatului Unit. După fuziune, noua gaură neagră a fost de aproximativ 400.000 de kilometri pătrați, aproximativ dimensiunea Suediei.
„Chiar dacă este o afirmație foarte simplă -„ Oarele nu pot decât să crească ” – are implicații imense”, a spus ISI. În special, Hawking și Jacob Bekenstein au arătat mai târziu că zona unei găuri negre este proporțională cu entropia sa, care trebuie să crească și conform a doua lege a termodinamicii. Acesta este un element cheie în încercările în curs de a dezvolta o teorie cuantică a gravitației. “Este într -adevăr profund faptul că dimensiunea orizontului de eveniment al unei găuri negre se comportă ca entropie” a spus ISI. „Înseamnă că unele aspecte ale găurilor negre pot fi folosite pentru a sonda matematic adevărata natură a spațiului și a timpului.”
Fizicianul Caltech Kip Thorne, un prieten de multă vreme al lui Hawking, a amintit asta Când Ligo a detectat prima sa semnătură de undă gravitațională, Hawking a sunat și l -a întrebat dacă colaborarea va putea să -și testeze teorema. Hawking a murit în 2018. “Dacă [he] Erau în viață, s -ar fi dezvăluit să vadă că zona găurilor negre contopite crescând “,” spuse Thorne.
Scrisori de revizuire fizică, 2025. DOI: 10.1103/KW5G-D732 (Despre Dois)
Jennifer este un scriitor senior la Ars Technica, cu un accent deosebit pe locul în care știința întâlnește cultura, care acoperă totul, de la fizică și subiecte interdisciplinare conexe până la filmele și serialele sale de televiziune preferate. Jennifer locuiește în Baltimore împreună cu soțul ei, fizicianul Sean M. Carroll, și cele două pisici ale lor, Ariel și Caliban.
