Ci sono alcune regole a cui devono obbedire anche gli oggetti più estremi dell'universo. Una legge centrale per i buchi neri prevede che l'area dei loro orizzonti degli eventi, il confine oltre il quale nulla potrà mai sfuggire, non dovrebbe mai ridursi. Questa legge è il teorema dell'area di Hawking, prende il nome dal fisico Stephen Hawking, che ha derivato il teorema nel 1971.

Cinquant'anni dopo, i fisici al MIT e altrove hanno ora confermato per la prima volta il teorema dell'area di Hawking, utilizzando osservazioni di onde gravitazionali. I loro risultati appaiono oggi in Lettere di revisione fisica .

Nello studio, i ricercatori esaminano più da vicino GW150914, il primo segnale di onde gravitazionali rilevato dal Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), nel 2015. Il segnale era un prodotto di due buchi neri ispiratori che hanno generato un nuovo buco nero, insieme a un'enorme quantità di energia che si propagava nello spazio-tempo sotto forma di onde gravitazionali.

Se vale il teorema dell'area di Hawking, allora l'area dell'orizzonte del nuovo buco nero non dovrebbe essere più piccola dell'area totale dell'orizzonte dei suoi buchi neri genitori. Nel nuovo studio, i fisici hanno rianalizzato il segnale di GW150914 prima e dopo la collisione cosmica e hanno scoperto che in effetti, l'area totale dell'orizzonte degli eventi non è diminuita dopo la fusione, un risultato che riportano con una confidenza del 95%.

Le loro scoperte segnano la prima conferma osservativa diretta del teorema dell'area di Hawking, che è stato dimostrato matematicamente ma mai osservato in natura fino ad ora. Il team prevede di testare i futuri segnali di onde gravitazionali per vedere se potrebbero confermare ulteriormente il teorema di Hawking o essere un segno di nuovi, fisica che piega le leggi.

"È possibile che ci sia uno zoo di diversi oggetti compatti, e mentre alcuni di loro sono i buchi neri che seguono le leggi di Einstein e Hawking, altri possono essere bestie leggermente diverse, "dice l'autore principale Maximiliano Isi, un borsista postdottorato della NASA Einstein presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. "Così, non è che fai questo test una volta ed è finito. Lo fai una volta, ed è l'inizio".

I coautori di Isi sull'articolo sono Will Farr della Stony Brook University e il Centro per l'astrofisica computazionale del Flatiron Institute, Matthew Giesler della Cornell University, Mark Scheel di Caltech, e Saul Teukolsky della Cornell University e Caltech.

Un'era di intuizioni

Nel 1971, Stephen Hawking ha proposto il teorema dell'area, che ha dato il via a una serie di intuizioni fondamentali sulla meccanica dei buchi neri. Il teorema prevede che l'area totale dell'orizzonte degli eventi di un buco nero e tutti i buchi neri nell'universo, del resto, non dovrebbe mai diminuire. L'affermazione era un curioso parallelo della seconda legge della termodinamica, che afferma che l'entropia, o grado di disordine all'interno di un oggetto, inoltre non dovrebbe mai diminuire.

La somiglianza tra le due teorie ha suggerito che i buchi neri potrebbero comportarsi come termici, oggetti che emettono calore:una proposta sconcertante, poiché si pensava che i buchi neri per loro stessa natura non lasciassero mai sfuggire l'energia, o irradiare. Hawking alla fine quadrava le due idee nel 1974, mostrando che i buchi neri potrebbero avere entropia ed emettere radiazioni su scale temporali molto lunghe se i loro effetti quantistici fossero presi in considerazione. Questo fenomeno è stato soprannominato "radiazione di Hawking" e rimane una delle rivelazioni più fondamentali sui buchi neri.

"Tutto è iniziato con la realizzazione di Hawking che l'area totale dell'orizzonte nei buchi neri non può mai scendere, "Isi dice. "La legge di area racchiude un'età dell'oro negli anni '70 in cui tutte queste intuizioni venivano prodotte".

Da allora Hawking e altri hanno dimostrato che il teorema dell'area funziona matematicamente, ma non c'era stato modo di verificarlo contro natura fino al primo rilevamento di onde gravitazionali da parte di LIGO.

falco, sentito il risultato, contattato rapidamente il co-fondatore di LIGO Kip Thorne, il Feynman Professor di Fisica Teorica al Caltech. La sua domanda:il rilevamento potrebbe confermare il teorema dell'area?

Al tempo, i ricercatori non avevano la capacità di individuare le informazioni necessarie all'interno del segnale, prima e dopo la fusione, per determinare se l'area dell'orizzonte finale non è diminuita, come assumerebbe il teorema di Hawking. Non è stato fino a diversi anni dopo, e lo sviluppo di una tecnica da parte di Isi e dei suoi colleghi, quando il test della legge di area è diventato fattibile.

Prima e dopo

Nel 2019, Isi e i suoi colleghi hanno sviluppato una tecnica per estrarre i riverberi immediatamente successivi al picco di GW150914, il momento in cui i due buchi neri genitori si sono scontrati per formare un nuovo buco nero. Il team ha utilizzato la tecnica per individuare frequenze specifiche, o toni delle conseguenze altrimenti rumorose, che potrebbero usare per calcolare la massa e lo spin del buco nero finale.

La massa e lo spin di un buco nero sono direttamente correlati all'area del suo orizzonte degli eventi, e Thorne, ricordando la domanda di Hawking, li ha avvicinati con un follow-up:potrebbero usare la stessa tecnica per confrontare il segnale prima e dopo la fusione, e confermare il teorema dell'area?

I ricercatori hanno raccolto la sfida, e di nuovo dividere il segnale GW150914 al suo picco. Hanno sviluppato un modello per analizzare il segnale prima del picco, corrispondente ai due buchi neri ispiratori, e identificare la massa e lo spin di entrambi i buchi neri prima che si fondessero. Da queste stime, hanno calcolato le loro aree di orizzonte totali, una stima approssimativamente pari a circa 235, 000 chilometri quadrati, o circa nove volte l'area del Massachusetts.

Hanno quindi usato la loro tecnica precedente per estrarre il "ringdown, " o riverberi del buco nero appena formato, da cui ne calcolarono la massa e lo spin, e infine la sua area di orizzonte, che hanno trovato era equivalente a 367, 000 chilometri quadrati (circa 13 volte l'area del Bay State).

"I dati mostrano con assoluta sicurezza che l'area dell'orizzonte è aumentata dopo la fusione, e che la legge dell'area è soddisfatta con probabilità molto alta, " dice Isi. "E' stato un sollievo che il nostro risultato sia d'accordo con il paradigma che ci aspettiamo, e conferma la nostra comprensione di queste complicate fusioni di buchi neri".

Il team prevede di testare ulteriormente il teorema dell'area di Hawking, e altre teorie di vecchia data sulla meccanica dei buchi neri, utilizzando i dati di LIGO e Virgo, la sua controparte in Italia.

"È incoraggiante poter pensare in modo nuovo, modi creativi sui dati delle onde gravitazionali, e raggiungere domande che pensavamo di non poter fare prima, "Dice Isi. "Possiamo continuare a tirare fuori pezzi di informazioni che parlano direttamente ai pilastri di ciò che pensiamo di capire. Un giorno, questi dati potrebbero rivelare qualcosa che non ci aspettavamo".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.