La théorie du trou noir de Hawking est confirmée par l’observation pour la première fois

Vue d’artiste de deux trous noirs sur le point d’entrer en collision et de fusionner.

L’étude fournit des preuves, basées sur les ondes gravitationnelles, pour montrer que la surface totale de l’horizon des événements d’un trou noir ne peut jamais diminuer.

Il y a des règles que même les choses les plus extrêmes de l’univers doivent suivre. La loi centrale des trous noirs prédit que leur région d’horizon des événements – la frontière où rien ne peut s’échapper – ne devrait jamais rétrécir. Cette loi est la théorie de la zone de Hawking, du nom du physicien Stephen Hawking, qui a dérivé cette théorie en 1971.

Cinquante ans plus tard, des physiciens du MIT et d’ailleurs ont confirmé pour la première fois la théorie de la zone de Hawking, en utilisant des observations d’ondes gravitationnelles. Leurs résultats paraissent aujourd’hui (1er juillet 2021) dans messages d’examen physique.

Dans cette étude, les chercheurs ont examiné de plus près GW150914, le premier signal d’onde gravitationnelle détecté par le Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), en 2015. Le signal était le produit de deux trous noirs inspirants qui ont donné naissance à un nouveau trou noir. . , ainsi qu’une énorme quantité d’énergie qui s’est propagée dans l’espace-temps sous forme d’ondes gravitationnelles.

Si la théorie de la région de Hawking est correcte, la zone d’horizon du nouveau trou noir ne doit pas être inférieure à la zone d’horizon totale des trous noirs d’origine. Dans la nouvelle étude, les physiciens ont réanalysé le signal de GW150914 avant et après la collision cosmique et ont constaté que la surface totale de l’horizon des événements n’avait pas diminué après la fusion – un résultat qu’ils rapportent avec une confiance de 95 %.

Des physiciens du MIT et d’ailleurs ont utilisé pour la première fois des ondes gravitationnelles pour confirmer la théorie de la région des trous noirs de Hawking par l’observation. Cette simulation informatique montre la collision de deux trous noirs qui ont produit le signal d’onde gravitationnelle GW150914. Crédit : Extreme Space Simulation Project (SXS). Crédit : Avec l’aimable autorisation de LIGO

Leurs découvertes représentent la première confirmation observationnelle directe de la théorie de la zone de Hawking, qui a été mathématiquement prouvée mais pas encore observée dans la nature. L’équipe prévoit de tester les futurs signaux d’ondes gravitationnelles pour voir s’ils confirmeront davantage la théorie de Hawking ou seront le signe d’une nouvelle physique déformant les lois.

« Il est possible qu’il y ait un zoo de différents objets compacts, et bien que certains soient des trous noirs qui suivent les lois d’Einstein et de Hawking, d’autres peuvent l’être », explique l’auteur principal Maximiliano Essie, chercheur postdoctoral de la NASA au MIT, Maximiliano Essie. Différentes bêtes », Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale. « Donc, ce n’est pas comme si vous aviez fait ce test une fois et c’était fini. Vous le faites une fois, et c’est le début. »

Les co-auteurs d’Izzy sur l’article sont Will Farr de l’Université Stony Brook et du Flatiron Center for Computational Astrophysics, Matthew Geisler de l’Université Cornell, Mark Schell de Caltech et Saul Tukolsky de l’Université Cornell et Caltech.

l’ère des visions

En 1971, Stephen Hawking a proposé la théorie des aires, qui a lancé une série d’idées fondamentales sur la mécanique des trous noirs. La théorie prédit que la superficie totale de l’horizon des événements d’un trou noir – et de tous les trous noirs de l’univers, d’ailleurs – ne devrait jamais diminuer. La déclaration était un étrange parallèle à la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que l’entropie, ou le degré de désordre dans un objet, ne devrait jamais diminuer.

La similitude entre les deux théories suggère que les trous noirs peuvent se comporter comme des objets thermiques qui émettent de la chaleur – une proposition déroutante, car on croyait que les trous noirs, de par leur nature même, ne permettent jamais l’évasion ou le rayonnement. Finalement, Hawking a mis les deux idées au carré en 1974, montrant que les trous noirs peuvent avoir de l’entropie et émettre un rayonnement sur de très longues périodes de temps si les effets quantiques sont pris en compte. Ce phénomène a été surnommé « le rayonnement de Hawking » et reste l’une des découvertes les plus fondamentales sur les trous noirs.

« Tout a commencé avec la prise de conscience par Hawking que la surface totale de l’horizon des trous noirs ne pourrait jamais diminuer », explique Issy. « Le code de district illustre un âge d’or dans les années 1970 au cours duquel toutes ces idées ont été produites. »

Hawking et d’autres ont depuis montré que la théorie des aires fonctionne mathématiquement, mais il n’y avait aucun moyen de la vérifier par rapport à la nature jusqu’à la première détection d’ondes gravitationnelles par LIGO.

Après avoir entendu le résultat, Hawking a rapidement contacté le co-fondateur de LIGO, Kip Thorne, professeur Feynman de physique théorique à Caltech. Sa question : la découverte peut-elle confirmer la théorie des aires ?

À l’époque, les chercheurs n’avaient pas la possibilité de sélectionner les informations nécessaires dans le signal, avant et après la fusion, pour déterminer si la région de l’horizon final n’avait pas diminué, comme le postule la théorie de Hawking. Ce n’est que plusieurs années plus tard que le développement d’une technique par Isi et ses collègues, en testant la loi de la région, est devenu possible.

Avant et après

En 2019, Isi et ses collègues ont développé une technique d’écho-extraction juste après le pic de GW150914 – le moment où les deux trous noirs d’origine sont entrés en collision pour former un nouveau trou noir. L’équipe a utilisé cette technique pour sélectionner des fréquences ou des tons spécifiques pour les effets forts, qu’ils peuvent utiliser pour calculer la masse et la rotation ultimes du trou noir.

La masse et la rotation d’un trou noir sont directement liées à la région de son horizon des événements, et Thorne les a approchés, rappelant la requête de Hawking, avec un suivi : pourraient-ils utiliser la même technique pour comparer le signal avant et après la fusion, en mettant l’accent sur la théorie des régions ?

Les chercheurs ont accepté le défi et ont à nouveau divisé le signal GW150914 à son maximum. Ils ont développé un modèle pour analyser le signal avant le pic, qui correspond aux trous noirs inspirants, et pour déterminer la masse et la rotation des deux trous noirs avant qu’ils ne fusionnent. À partir de ces estimations, ils ont calculé la superficie totale de l’horizon, une estimation à peu près égale à environ 235 000 kilomètres carrés, soit environ neuf fois la superficie du Massachusetts.

Ensuite, ils ont utilisé leur méthode précédente pour extraire « l’anneau » ou les rebonds du trou noir nouvellement formé, dont ils ont calculé sa masse, sa rotation et finalement la superficie de son horizon, qu’ils ont trouvé à 367 000 kilomètres carrés (environ 13 fois la superficie de l’État de la baie).

« Les données montrent avec une confiance écrasante que la zone d’horizon a augmenté après la fusion et que la loi de la zone est satisfaite avec une probabilité très élevée », a déclaré Issy. « Ce fut un soulagement que notre résultat concorde avec le modèle que nous attendons et confirme notre compréhension de ces fusions complexes de trous noirs. »

L’équipe prévoit de mener d’autres tests de la théorie de la région de Hawking et d’autres théories de longue date de la mécanique des trous noirs, en utilisant les données de LIGO et de Virgo, son homologue en Italie.

« Il est encourageant de constater que nous pouvons penser de manière nouvelle et innovante aux données sur les ondes gravitationnelles et proposer des questions que nous pensions ne pas pouvoir auparavant », déclare Issy. « Nous pouvons continuer à extraire des morceaux d’informations qui parlent directement aux substrats de ce que nous pensons comprendre. Un jour, ces données pourraient révéler quelque chose à quoi nous ne nous attendions pas. »

Référence: « Test de loi de la région du trou noir utilisant GW150914 » Par Maximiliano Essi, Will M. Farr, Matthew Geisler, Mark A. Shell et Saul A. Tukolsky, 1er juillet 2021 Disponible ici messages d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.011103

Cette recherche a été financée en partie par la NASA, la Fondation Simmons et la National Science Foundation.