El estudio proporciona evidencia, basada en ondas gravitacionales, para mostrar que el área total del horizonte de eventos de un agujero negro nunca puede reducirse.

Hay ciertas reglas que deben obedecer incluso los objetos más extremos del universo. Una ley central para los agujeros negros predice que el área de su horizonte de eventos, el límite más allá del cual nada puede escapar, nunca debe encogerse. Esta ley es el teorema del área de Hawking, llamado así por el físico Stephen Hawking, quien derivó el teorema en 1971.

Cincuenta años después, los físicos del MIT y otros lugares han confirmado el teorema del área de Hawking por primera vez, utilizando observaciones de ondas gravitacionales. Sus resultados aparecen hoy (1 de julio de 2021) en Cartas de revisión física.

En el estudio, los investigadores analizan más de cerca GW150914, la primera señal de onda gravitacional detectada por el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO), en 2015. La señal fue el producto de dos agujeros negros inspiradores que generaron un nuevo agujero negro. junto con una enorme cantidad de energía que ondeaba a través del espacio-tiempo como ondas gravitacionales.

Si se cumple el teorema del área de Hawking, el área del horizonte del nuevo agujero negro no debe ser menor que el área del horizonte total de sus agujeros negros originales. En el nuevo estudio, los físicos volvieron a analizar la señal de GW150914 antes y después de la colisión cósmica y encontraron que, de hecho, el área total del horizonte de eventos no se redujo después de la fusión, un resultado que informaron con un 95 por ciento de confianza.

Los físicos del MIT y de otros lugares utilizaron ondas gravitacionales para confirmar, por primera vez, el teorema del área del agujero negro de Hawking. Esta simulación por computadora muestra la colisión de dos agujeros negros que produjeron la señal de onda gravitacional, GW150914. Crédito: Proyecto de simulación de eXtreme Spacetimes (SXS). Crédito: Cortesía de LIGO

Sus hallazgos marcan la primera confirmación de observación directa del teorema del área de Hawking, que ha sido probado matemáticamente pero nunca observado en la naturaleza hasta ahora. El equipo planea probar futuras señales de ondas gravitacionales para ver si pueden confirmar el teorema de Hawking o ser una señal de una nueva física que rompe las leyes.

«Es posible que haya un zoológico de diferentes objetos compactos, y aunque algunos de ellos son agujeros negros que siguen las leyes de Einstein y Hawking, otros pueden ser bestias ligeramente diferentes», dice el autor principal Maximiliano Isi, becario postdoctoral de Einstein en la NASA en Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. “Por lo tanto, no es como si hicieras esta prueba una vez y se acabó. Lo haces una vez y es el comienzo. «

Los coautores de Isi en el artículo son Will Farr de la Universidad de Stony Brook y el Instituto Flatiron de Astrofísica Computacional, Matthew Giesler de la Universidad de Cornell, Mark Scheel de Caltech y Saul Teukolsky de la Universidad de Cornell y Caltech.

una era de conocimientos

En 1971, Stephen Hawking propuso el teorema del área, que desencadenó una serie de descubrimientos fundamentales sobre la mecánica de los agujeros negros. El teorema predice que el área total del horizonte de sucesos de un agujero negro, y de todos los agujeros negros del universo, nunca debe disminuir. La afirmación era un curioso paralelo a la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía, o el grado de desorden dentro de un objeto, tampoco debe disminuir nunca.

La similitud entre las dos teorías sugirió que los agujeros negros podrían comportarse como objetos térmicos que emiten calor, una proposición confusa ya que se pensaba que los agujeros negros, por su propia naturaleza, nunca dejaban salir o irradiar energía. Hawking finalmente ajustó las dos ideas en 1974, mostrando que los agujeros negros podrían tener entropía y emitir radiación en escalas de tiempo muy largas si se tuvieran en cuenta sus efectos cuánticos. Este fenómeno ha sido denominado «radiación de Hawking» y sigue siendo una de las revelaciones más fundamentales sobre los agujeros negros.

“Todo comenzó cuando Hawking se dio cuenta de que el área total del horizonte en los agujeros negros nunca puede reducirse”, dice Isi. «La ley del área encapsula una edad de oro en la década de 1970, cuando se estaban produciendo todas estas percepciones».

Hawking y otros han demostrado desde entonces que el teorema del área funciona matemáticamente, pero no había forma de compararlo con la naturaleza hasta la primera detección de ondas gravitacionales de LIGO.

Hawking, al enterarse del resultado, se puso en contacto rápidamente con el cofundador de LIGO, Kip Thorne, profesor de Física Teórica de Feynman en Caltech. Su pregunta: ¿Podría la detección confirmar el teorema del área?

En ese momento, los investigadores no tenían la capacidad de tomar la información necesaria dentro de la señal, antes y después de la fusión, para determinar si el área del horizonte final no se reducía, como supondría el teorema de Hawking. Solo varios años después, con el desarrollo de una técnica por Isi y sus colegas, la prueba de la ley de área se volvió viable.

Antes y después

En 2019, Isi y sus colegas desarrollaron una técnica para extraer las reverberaciones inmediatamente después del pico GW150914, el momento en que los dos agujeros negros originales chocaron para formar un nuevo agujero negro. El equipo usó la técnica para seleccionar frecuencias específicas, o tonos de consecuencias ruidosas, que podrían usar para calcular la masa y el giro del agujero negro final.

La masa y el giro de un agujero negro están directamente relacionados con el área de su horizonte de eventos, y Thorne, recordando la consulta de Hawking, se acercó a ellos con un seguimiento: podrían usar la misma técnica para comparar la señal antes y después de la fusión y confirmar el teorema del área?

Los investigadores aceptaron el desafío y nuevamente dividieron la señal GW150914 en su punto máximo. Desarrollaron un modelo para analizar la señal antes del pico, correspondiente a los dos agujeros negros inspiradores, y para identificar la masa y el giro de ambos agujeros negros antes de que se fusionen. A partir de estas estimaciones, calcularon sus áreas de horizonte totales, una estimación aproximadamente igual a unos 235.000 kilómetros cuadrados, o unas nueve veces el área de Massachusetts.

Luego utilizaron su técnica anterior para extraer el «ringdown», o reverberaciones del agujero negro recién formado, a partir del cual calcularon su masa y giro y, finalmente, su área de horizonte, que encontraron que era equivalente a 367,000 kilómetros cuadrados (aproximadamente 367.000 kilómetros cuadrados) 13 veces el área del estado de la bahía).

“Los datos muestran con absoluta confianza que el área del horizonte aumentó después de la fusión y que la ley del área se cumple con una probabilidad muy alta”, dice Isi. «Fue un alivio saber que nuestro resultado concuerda con el paradigma que esperamos y confirma nuestra comprensión de estas complicadas fusiones de agujeros negros».

El equipo planea probar más el teorema del área de Hawking y otras teorías de larga data sobre la mecánica de los agujeros negros, utilizando datos de LIGO y Virgo, su contraparte italiana.

“Es alentador que podamos pensar de formas nuevas y creativas sobre los datos de ondas gravitacionales y plantearnos preguntas que antes pensábamos que no podíamos”, dice Isi. “Podemos seguir difundiendo información que se dirija directamente a los pilares de lo que creemos comprender. Algún día, estos datos pueden revelar algo que no esperábamos. «

Referencia: «Testing the Black-Hole Area Law with GW150914» por Maximilian Isi, Will M. Farr, Matthew Giesler, Mark A. Scheel y Saul A. Teukolsky, 1 de julio de 2021, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.011103

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la NASA, la Fundación Simons y la Fundación Nacional de Ciencias.