Twierdzenie o powierzchni czarnej dziury, które Hawking wyprowadził w 1971 roku z ogólnej teorii względności Einsteina mówi, że niemożliwe jest, aby powierzchnia ta zmniejszała się w czasie. Zasada ta interesuje fizyków, ponieważ wiąże się z drugim prawem termodynamiki, które mówi, że entropia, czyli nieuporządkowanie układu zamkniętego zawsze musi wzrastać. Ponieważ entropia czarnej dziury jest proporcjonalna do jej powierzchni, obie te wielkości muszą zawsze wzrastać.
Czy czarna dziura może się zmniejszyć?
Według nowego badania właściwości czarnych dziur są znaczącymi wskazówkami do ukrytych praw rządzących wszechświatem. Co dziwne, prawo powierzchni czarnej dziury wydaje się być sprzeczne z innym udowodnionym twierdzeniem słynnego fizyka: że czarne dziury powinny wyparowywać w ekstremalnie długich odcinkach czasu.
„Powierzchnia czarnej dziury nie może się zmniejszać, co jest zgodne z drugim prawem termodynamiki. Nie można również zmniejszyć jej masy, więc jest to analogiczne do zachowania energii" – powiedział serwisowi Live Science główny autor badania, Maximiliano Isi, astrofizyk z Massachusetts Institute of Technology. „Szybko zdaliśmy sobie sprawę, że jest to fundamentalne. Czarne dziury mają entropię i jest ona proporcjonalna do ich powierzchni. To nie jest tylko zabawny zbieg okoliczności, to ważny nowy fakt o świecie".
Powierzchnię czarnej dziury wyznacza sferyczna granica znaną jako horyzont zdarzeń – poza tym punktem nic, nawet światło, nie może uciec przed jej potężnym przyciąganiem grawitacyjnym. Zgodnie z hawkingowską interpretacją ogólnej teorii względności, powierzchnia czarnej dziury wzrasta wraz z jej masą, a ponieważ żaden obiekt wrzucony do środka nie może z niej wyjść, jej powierzchnia nie może ulec zmniejszeniu. Jednak powierzchnia czarnej dziury kurczy się tym bardziej, im bardziej ona wiruje, więc badacze zastanawiali się, czy możliwe byłoby wrzucenie do środka obiektu z taką siłą, że czarna dziura zaczęłaby wirować na tyle, by zmniejszyć swoją powierzchnię. „Cokolwiek nie zrobisz, masa i wirowanie sprawią, że skończy się na tym, że obszar czarnej dziury będzie większy” – stwierdził Isi.
Testy na falach sprzed 1,3 mld lat
Aby przetestować tę teorię, naukowcy przeanalizowali fale grawitacyjne, lub falowanie w tkaninie czasoprzestrzeni, utworzone 1,3 miliarda lat temu przez dwie behemotyczne czarne dziury, gdy spiralnie zbliżały się do siebie z dużą prędkością. Były to pierwsze fale wykryte w 2015 roku przez Zaawansowane Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO), czyli wiązkę laserową podzieloną na dwie ścieżki o długości 4 tys. kilometrów, która jest zdolna do wykrywania najmniejszych zakłóceń czasoprzestrzeni poprzez zmianę długości ścieżki.
Dzieląc sygnał na dwie połowy – przed i po połączeniu się czarnych dziur – badacze obliczyli masę i szybkość wirowania zarówno dwóch oryginalnych czarnych dziur, jak i nowej, która powstała z ich połączenia. Liczby te pozwoliły im z kolei obliczyć powierzchnię każdej z czarnych dziur przed i po zderzeniu.
„W miarę, jak czarne dziury coraz szybciej wirują wokół siebie, fale grawitacyjne zwiększają swoją amplitudę, aż w końcu wpadają na siebie, tworząc wielki wybuch fal" – powiedział Isi – „Powstaje wówczas nowa czarna dziura w stanie wzbudzonym, którą można badać, analizując jej wibracje. To tak, jakbyś uderzył w dzwon, a specyficzne dźwięki i czas trwania dzwonka powiedzą ci o jego strukturze, a także o tym, z czego jest zbudowany."
Powierzchnia nowo powstałej czarnej dziury była większa niż powierzchnia dwóch początkowych razem wziętych, co potwierdza teorię powierzchni Hawkinga z ponad 95% poziomem pewności. Badacze przyznają, że wyniki są całkiem zgodne z tym, co spodziewali się odkryć.
