حتى أكثر الأشياء تطرفا في الكون لديها قواعد معينة يجب طاعتها. يتنبأ القانون المركزي للثقوب السوداء بأن مساحة حدود حدوثها – الحدود التي لا يمكن لأي شيء الهروب منها – يجب ألا تتقلص أبدًا. هذا القانون جزء من نظرية هوكينج ، التي سميت على اسم الفيزيائي ستيفن هوكينج ، الذي حصل على نظريته في عام 1971.
بعد خمسين عامًا ، أكد علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأماكن أخرى نظرية هوكينغ الجزئية باستخدام أرصاد موجات الجاذبية لأول مرة. ستظهر نتائجهم اليوم خطابات الفحص البدني.
في هذه الدراسة ، يراقب الباحثون عن كثب GW150914 ، أول إشارة موجة جاذبية تم اكتشافها بواسطة مختبر موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) في عام 2015. الإشارة هي نتاج اثنين من الثقوب السوداء المثيرة التي شكلت ثقبًا أسود جديدًا ، مع كمية كبيرة من الطاقة التي تشتت الزمكان في موجات الجاذبية.
إذا كانت منطقة هوكينغ نظرية ، فلا ينبغي أن تكون قاعدة الثقب الأسود الجديد أصغر من القاعدة الكلية للثقب الأسود الأصلي. في دراسة جديدة ، راجع الفيزيائيون الإشارة من GW150914 قبل وبعد الاصطدام الكوني ، ووجدوا أنه ، في الواقع ، لم تنخفض مساحة السطح الإجمالية بعد الاندماج – مع تفاؤل بنسبة 95٪ نتيجة لذلك.
تمثل النتائج التي توصلوا إليها أول تأكيد رصدي مباشر لنظرية منطقة هوكينج ، والتي تم إثباتها رياضيًا ، ولكن لم يتم العثور عليها في الطبيعة. يخطط الفريق لاختبار إشارات موجة الجاذبية المستقبلية لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم تأكيد نظرية هوكينج بشكل أكبر أو أن يكونوا علامة على فيزياء جديدة ملتوية للقانون.
يقول ماكسيميليانو ، المؤلف الرئيسي لزميل ما بعد الدكتوراة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ماكسيميليانو ، “قد تكون هناك حديقة حيوانات لأجسام صغيرة مختلفة ، بعضها ثقوب سوداء تتبع قوانين آينشتاين وهوكينج ، في حين أن البعض الآخر قد يكون حيوانات مختلفة قليلاً”. معهد كاولي لأبحاث الفلك والفضاء. “لذا ، ليس الأمر كما لو أجريت هذه التجربة مرة واحدة ، لقد انتهى الأمر. بمجرد القيام بذلك ، فهذه هي البداية. “
ويل بار من جامعة ستوني بروك ومركز معهد فلاترون للفيزياء الفلكية الحاسوبية وماثيو كيسلر من جامعة كورنيل ومارك شيل من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وشاول دوكولسكي من جامعة كورنيل ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا مؤلفون مشاركون لـ IC.
عصر الذكاء
في عام 1971 ، اقترح ستيفن هوكينج نظرية المنطقة ، والتي شكلت سلسلة من الرؤى الأساسية في ميكانيكا الثقب الأسود. تتنبأ النظرية بأن حدوث الثقب الأسود لن يقلل أبدًا من المساحة الكلية للأفق – وجميع الثقوب السوداء في الكون ، في هذه الحالة -. كانت هذه العبارة موازية للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، والذي ينص على أن كمية الانتروبيا أو الاضطراب داخل جسم ما يجب ألا تنخفض أبدًا.
يشير التشابه بين النظريتين إلى أن الثقوب السوداء يمكن أن تعمل كأجسام ساخنة تنبعث منها الحرارة – وهو مفهوم محير لأنه كان من المفترض أن الثقوب السوداء الطبيعية لن تفلت من الطاقة أو تصدر إشعاعات. صاغ هوكينج فكرتين في عام 1974 ، يوضحان أن الثقوب السوداء يمكن أن يكون لها إنتروبيا وتصدر إشعاعات في قياسات طويلة المدى ، مع الأخذ في الاعتبار آثارها الكمية. أُطلق على هذه الظاهرة اسم “إشعاع الصقور” وهي أحد أهم مظاهر الثقوب السوداء.
يقول IC: “بدأ كل شيء بإدراك هوكينغ أن الأفق الكلي في الثقوب السوداء لا يمكن أن ينخفض أبدًا”. “القانون الجزئي يربط بين العصر الذهبي الذي تم فيه تكوين كل هذه الأفكار في السبعينيات.”
أظهر Hawking وآخرون أن نظرية المنطقة تعمل رياضيًا ، ولكن حتى LIGO لا توجد طريقة للتحقق منها مقابل الطبيعة. الكشف الأول عن موجات الجاذبية.
عند سماع النتيجة ، سرعان ما اتصل هوكينج بالمؤسس المشارك ليبو Gip Thorne ، أستاذ الفيزياء النظرية في Caldoc. سؤاله: هل يمكن تأكيد نظرية منطقة الكشف؟
في ذلك الوقت ، قبل الاتصال وبعده ، لم يكن لدى الباحثين القدرة على تحديد المعلومات المطلوبة داخل الإشارة ، كما تراها نظرية هوكينج ، لتحديد ما إذا كانت المنطقة القاعدية النهائية قد تقلصت. لم يكن هذا بعد سنوات عديدة ، وكان تطوير تقنية بواسطة IC وزملاؤه ممكنًا عند اختبار القانون الجزئي.
قبل وبعد
في عام 2019 ، طور IC وزملاؤه تقنية استخرج الصدى مباشرة بعد ذروة GW150914 – في اللحظة التي يصطدم فيها ثقبان أسودان أصليان ، يتشكل ثقب أسود جديد. استخدم الفريق هذه التقنية لحساب الكتلة ودوران الثقب الأسود النهائي لأخذ الترددات المحددة أو تأثيرات الضوضاء التي يمكنهم استخدامها.
ترتبط كتلة الثقب الأسود ودورانه ارتباطًا مباشرًا بمنطقة أفق حدوثه ، وقد اقترب ثورن ، مستذكرًا استعلام هوكينج ، من خلال ما يلي: هل يمكنهم استخدام نفس التقنية لمقارنة الإشارة قبل الاتصال وبعده ، وتأكيد نظرية المنطقة؟
قبل الباحثون التحدي وقاموا مرة أخرى بتقسيم إشارة GW150914 في ذروتها. طوروا نموذجًا لتحليل الإشارة قبل الذروة ، لمطابقة الثقوب السوداء المحفزة ، ولتحديد كتلة ودوامة الثقوب السوداء قبل اندماجهما. من هذه التقديرات ، قاموا بحساب إجمالي مساحة الأرض – تقدير يساوي حوالي 235000 كيلومتر مربع ، أو تسعة أضعاف مساحة ماساتشوستس.
ثم استخدموا تقنيتهم السابقة لاستخراج “نغمة الرنين” أو أصداء ثقب أسود تم تشكيله حديثًا ، حيث حسبوا كتلته ودورانه ، مما يعادل في النهاية 367000 كيلومتر مربع (حوالي 13 مرة) جزء من ولاية باي).
“تظهر البيانات بثقة كبيرة أن منطقة الأفق قد ازدادت بعد الاندماج وأن قانون المنطقة راضٍ عن أعلى الاحتمالات ،” يقول IC. “إنه لأمر مريح أن قرارنا يتفق مع السابقة التي نتوقعها ، ويؤكد فهمنا لهذه الروابط المعقدة للثقب الأسود.”
يخطط الفريق لإجراء مزيد من الاختبارات لنظرية هوكينغ الجزئية والنظريات طويلة المدى لميكانيكا الثقب الأسود ، باستخدام بيانات من منافسيه LIGO و Virgo في إيطاليا.
يقول آي سي: “إنه يشجعنا على التفكير في بيانات الموجات الثقالية بطرق بناءة جديدة ، ولتحقيق الأسئلة التي اعتقدنا أنه لم يكن من الممكن طرحها من قبل”. “يمكننا استفزاز المعلومات التي تتحدث مباشرة إلى ركائز ما نعتقد أننا نفهمه. في يوم من الأيام ، قد تكشف هذه البيانات عن شيء لم نتوقعه.”
تم دعم البحث جزئيًا من قبل وكالة ناسا ومؤسسة سيمونز والمؤسسة الوطنية للعلوم.
