Фізики Массачусетського технологічного інституту довели теорему Стівена Хокінга, в якій мовиться, що площа горизонту подій чорної діри не може зменшуватися.
Парадокс полягає в тому, що це твердження суперечить іншому пророкуванню знаменитого фізика, згідно з яким чорні діри з часом випаровуються. Результати дослідження опубліковані в журналі Physical Review Letters. Коротко про наукову роботу розповідається в прес-релізі на Phys.org.
Вчені проаналізували результати спостереження гравітаційної хвилі GW150914, яка пройшла через Землю в 2015 році і була зареєстрована обсерваторією LIGO. Цей сигнал був породжений злиттям двох чорних дір, які породили більш масивну чорну діру з виділенням величезної кількості енергії. Якщо теорема Хокінга вірна, тоді площа підсумкової чорної діри не повинна бути менше, ніж сума площ двох вихідних чорних дір. Фізики прийшли до висновку, що з вірогідністю 95 відсотків площа дійсно не зменшилася після злиття.
Теорема Хокінга про площі була виведена в 1971 році. Вона являє собою аналог другого закону термодинаміки, який говорить, що ентропія системи ніколи не повинна зменшуватися, тільки збільшуватися або не змінюватися. Передбачається, що чорні діри можуть вести себе як об’єкти, що випромінюють тепло, якщо брати до уваги квантові ефекти, що відбуваються на самому горизонті подій. Випромінювання Хокінга виникає, коли в результаті квантових флуктуацій з’являється пара віртуальних частинок. Зазвичай вони тут же анігілюють, однак у самого горизонту подій одна з частинок може провалитися в чорну діру, а інша полетіти геть, породжуючи тим самим випромінювання.
Якщо розглядати чорну діру як ізольовану систему, то її ентропія, яка пропорційна площі горизонту подій, дійсно не може зменшаться. У великих масштабах це правило порушується, коли враховується ще і випромінювання. Однак в менших масштабах теорема працює. Відомо, що площа горизонту подій тим менше, чим швидше чорна діра обертається, і теоретично падаюче тіло може прискорити обертання. Однак вчені показали, що це прискорення компенсується зростанням площі горизонту подій, яке відбувається, коли тіло потрапляє в чорну діру.
Для цього дослідники розробили модель для аналізу сигналу до піку, що відповідає двом рухаються по спіралі чорних дірок, щоб визначити масу і обертання обох чорних дір до злиття. Коли чорні діри зближуються один з одним по спіралі, вони обертаються все швидше і швидше, і амплітуда гравітаційного сигналу збільшується. Це дозволяє визначити масу обох дірок, швидкість їх обертання і, відповідно, площа їх горизонту. Тож чорна діра також коливається, виробляючи гравітаційні хвилі, за якими можна визначити її масу і швидкість обертання.
