تم أخيرًا ملاحظة التنبؤ الرئيسي الذي أدلى به ستيفن هوكينج حول الثقوب السوداء

موجة الجاذبية لقد قدم لنا علم الفلك للتو هدية رائعة أخرى: الأولى المراقبة تأكيد واحد من ستيفن هوكينجتوقعات حول الثقوب السوداء.

أكد تحليل أول اكتشاف لموجات الجاذبية تم إجراؤه في عام 2015 ، GW150914 ، نظرية منطقة هوكينج. تنص على أنه في ظل الفيزياء الكلاسيكية ، يمكن أن تنمو مساحة أفق الحدث للثقب الأسود فقط – ولا تصغر أبدًا.

يعطينا العمل أداة جديدة لفحص هذه الأشياء الغامضة ، واختبار حدود فهمنا للكون.

“من الممكن أن تكون هناك حديقة حيوانات لأجسام مضغوطة مختلفة ، وفي حين أن بعضها عبارة عن ثقوب سوداء تتبع قوانين آينشتاين وهوكينج ، قد يكون البعض الآخر وحوشًا مختلفة قليلاً.” قال عالم الفيزياء الفلكية ماكسيميليانو إيسي من معهد كافلي للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

“لذا ، ليس الأمر كما لو أجريت هذا الاختبار مرة واحدة وقد انتهى. لقد قمت بهذا مرة واحدة ، وهذه هي البداية.”

اقترح هوكينج لأول مرة نظريته في عام 1971. وتوقع أن مساحة سطح أفق الحدث للثقب الأسود يجب ألا تنخفض أبدًا ، بل تزيد فقط.

أفق الحدث ليس الثقب الأسود نفسه ، ولكن نصف القطر الذي تكون عنده سرعة الضوء في الفراغ غير كافية لتحقيق سرعة الإفلات من حقل الجاذبية المتولد عن تفرد الثقب الأسود. يتناسب مع كتلة الثقب الأسود. لأن الثقوب السوداء يمكن أن تكتسب كتلة فقط ، تحت النسبية العامة، يجب أن يكون أفق الحدث قادرًا على النمو فقط.

(نموذج الزيادة فقط هذا مشابه أيضًا بشكل غريب لنظرية أخرى ، القانون الثاني لـ الديناميكا الحرارية. تنص على أن الانتروبيا – التقدم من النظام إلى الفوضى في الكون – يمكن أن تزداد فقط. الثقوب السوداء لها أيضًا إنتروبيا منسوبة إليها ، و يتناسب طرديا إلى مساحة سطح أفق الحدث الخاصة بهم.)

من الناحية الحسابية ، تتحقق نظرية المنطقة ، لكن من الصعب تأكيدها من الناحية الملاحظة – ويرجع ذلك أساسًا إلى أنه من الصعب للغاية رصد الثقوب السوداء مباشرة ، لأنها لا تصدر أي إشعاع يمكن اكتشافه. ولكن بعد ذلك ، اكتشفنا تموجات الجاذبية التي تنتشر عبر الزمكان نتيجة تصادم بين اثنين من هذه الأجسام الغامضة.

كان هذا GW150914 ، والموجز بلوب من الاصطدام المسجل بواسطة مقياس التداخل LIGO غيّر كل شيء. كان هذا أول اكتشاف مباشر ليس لثقب أسود واحد ، بل اثنين. اجتمعوا معًا وشكلوا ثقبًا أسودًا أكبر.

ثم دق هذا الثقب الأسود خافتًا ، مثل الجرس المضروب. في عام 2019 ، توصل إيسي وزملاؤه إلى كيفية اكتشاف إشارة هذا الرنين. الآن قاموا بفك تشفيره ، وكسروه لحساب كتلة ودوران الثقب الأسود النهائي.

كما أجروا أيضًا تحليلًا جديدًا لإشارة الاندماج لحساب كتلة ودوران الثقوب السوداء التي تم دمجها مسبقًا. نظرًا لأن الكتلة والدوران مرتبطان بمنطقة أفق الحدث ، فقد سمح لهم ذلك بحساب أفق الحدث لجميع الكائنات الثلاثة.

إذا كان من الممكن أن يتقلص حجم أفق الحدث ، فيجب أن يكون أفق الحدث للثقب الأسود المدمج النهائي أصغر من أفق الثقبين الأسودين اللذين أنشأهما. وفقًا لحساباتهم ، كان للثقبين الأسودين الأصغر مساحة أفق حدث إجمالية قدرها 235000 كيلومتر مربع (91000 ميل مربع). تبلغ مساحة الثقب الأسود النهائي 367000 كيلومتر مربع.

“تظهر البيانات بثقة ساحقة أن منطقة الأفق قد ازدادت بعد الاندماج ، وأن قانون المنطقة راضٍ عن احتمالية عالية جدًا ،” قال عيسى.

“كان من المريح أن نتيجتنا تتفق مع النموذج الذي نتوقعه ، وتؤكد فهمنا لعمليات اندماج الثقوب السوداء المعقدة.”

على الأقل في المدى القصير. في ظل ميكانيكا الكم – التي لا تتناسب بشكل جيد مع الفيزياء الكلاسيكية – توقع هوكينغ لاحقًا أنه على مدى فترات زمنية طويلة جدًا ، يجب أن تفقد الثقوب السوداء كتلتها على شكل نوع من إشعاع الجسم الأسود الذي نسميه الآن إشعاع هوكينغ. لذلك لا يزال من الممكن أن يتقلص أفق الحدث للثقب الأسود في نهاية المطاف.

من الواضح أن هذا سيحتاج إلى مزيد من الدراسة عن كثب في المستقبل. في غضون ذلك ، أعطانا عمل Isi وفريقه مجموعة أدوات جديدة للتحقق من ملاحظات موجات الجاذبية الأخرى ، على أمل الحصول على مزيد من الأفكار حول الثقوب السوداء وفيزياء الكون.

“إنه لأمر مشجع أنه يمكننا التفكير بطرق جديدة ومبتكرة حول بيانات الموجات الثقالية ، والتوصل إلى أسئلة اعتقدنا أننا لم نتمكن من قبل من ذلك ،” قال عيسى.

“يمكننا أن نستمر في استخلاص أجزاء من المعلومات التي تتحدث مباشرة إلى ركائز ما نعتقد أننا نفهمه. في يوم من الأيام ، قد تكشف هذه البيانات شيئًا لم نتوقعه.”

تم نشر البحث في رسائل المراجعة البدنية.