Теория Хокинга о горизонтах событий черных дыр получила подтверждение

Площадь поверхности горизонта событий черной дыры при поглощении ею дополнительных масс может только увеличиваться. Анализ самой первой уверенно зафиксированной гравитационной волны GW150914, возникшей от слияния двух черных дыр около 1,3 миллиарда лет назад и обнаруженной еще в 2015 году, подтвердил теорему Хокинга о площади, предложенную им в 1971 году. Согласно ей, площадь поверхности горизонта событий черной дыры никогда не должна уменьшаться, а только может увеличиваться. Горизонт событий — это не сама черная дыра, а радиус сферы, внутри которой даже скорость света в вакууме недостаточна для достижения скорости убегания из гравитационного поля, создаваемого сингулярностью черной дыры. Он пропорционален массе черной дыры; поскольку черные дыры могут только набирать массу, согласно общей теории относительности горизонт событий должен только увеличиваться. При таком упрощенном описании все выглядит достаточно очевидно, хотя в действительности теорема Хокинга сформулирована несколько сложнее. Однако, в любом случае, вопрос в том, насколько наши теоретические представления о черных дырах совпадают с реальностью, остается открытым. Подтверждение этого прямым наблюдением было крайне важно, но сложно, в основном, потому, что черные дыры чрезвычайно трудно наблюдать напрямую, поскольку они не излучают.

И только когда была обнаружена гравитационная рябь, распространяющаяся в пространстве-времени при столкновении двух из этих загадочных объектов, прямая проверка теоремы Хокинга стала возможна.

Короткий гравитационный всплеск GW150914, зарегистрированный интерферометром LIGO, стал первым прямым наблюдением двух черных дыр, которые объединились и образовали одну большую черную дыру. Затем эта черная дыра осциллировала, издавая слабый гравитационный «звон». В 2019 году группа американских астрофизиков, во главе с командой из Массачусетского технологического института, усовершенствовав методы наблюдений, смогла обнаружить этот «звон», и на его основе вычислить массу и скорость вращения суммарной черной дыры.

Группа также провела новый анализ сигнала слияния, чтобы вычислить массу и спин двух черных дыр до слияния. Поскольку масса и вращение связаны с площадью горизонта событий, это позволило им вычислить горизонты событий всех трех объектов. Исследование было опубликовано в Physical Review Letters .

Если горизонт событий может уменьшиться в размерах, то горизонт событий объединенной черной дыры должен быть меньше, чем у двух черных дыр, которые ее создали. Согласно расчетам авторов статьи, две меньшие черные дыры имели общую площадь горизонта событий 235 000 квадратных километров. В то же время суммарная черная дыра имела площадь горизонта событий 367 000 квадратных километров.

Таким образом, теорема Хокинга о площади работает, по крайней мере, в краткосрочной перспективе. В дальнейшем все становится не столь очевидным: в рамках квантовой механики, которая не очень хорошо сочетается с классической физикой, Хокинг позднее предсказал, что в течение очень долгого времени черные дыры должны терять массу в виде излучения. Это излучение в дальнейшем было обнаружено в прямых наблюдениях, и названо в его честь излучением Хокинга. Такая потеря массы должна привести к тому, что горизонт событий черной дыры со временем может уменьшиться в площади, что вступает в противоречие с теоремой Хокинга, имеющей гораздо более глубокое и универсальное обоснование, чем приведенное выше простое объяснение. Очевидно, что в будущем это потребует более тщательного изучения.

Физики считают, что черные дыры нарушают принцип космической цензуры

Физики доказали нестабильность пятимерных черных дыр. Математические физики из Великобритании впервые показали, что черные дыры в пятимерном и более высокой размерности пространстве-времени нестабильны и нарушают принцип космической цензуры. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, а кратко о нем сообщается на сайте Кембриджского университета.

Принцип космической цензуры (в сильной форме) в 1973 году предложил британский математический физик Роджер Пенроуз. Его модифицированную версию (в слабой форме) позднее рассмотрел Стивен Хокинг. Принцип космической цензуры говорит о том, что в пространстве-времени невозможны голые сингулярности.

Последнее означает, что сингулярности, возникающие в общей теории относительности Альберта Эйнштейна, должны быть скрыты от внешнего наблюдателя. В частности, для черной дыры они должны находиться под ее горизонтом событий. В четырехмерном пространстве-времени это условие, скорее всего, выполняется.

В 2002 году физики показали, что в пятимерном пространстве-времени могут существовать черные дыры, проекция которых на трехмерное пространство напоминает тонкое кольцо. Ученым только сейчас при помощи суперкомпьютеров удалось исследовать динамику таких черных дыр и продемонстрировать ее неустойчивый характер.

Пятимерные черные дыры с течением времени могут распадаться на другие черные дыры, каждая из которых будет являться источником голой сингулярности, то есть нарушать принцип космической цензуры. Математически это приводит к невозможности описания пятимерного пространства-времени общей теорией относительности.

Физические следствия сводятся к появлению в пространстве-времени областей с бесконечной плотностью массы и нарушению причинности (когда настоящее не определяет будущее). Ученые отмечают, что их выводы могут пригодится при разработке струнных теорий, в которых размерность пространства-времени больше четырех, и создании квантовой теории гравитации.