Il existe certaines règles auxquelles même les objets les plus extrêmes de l'univers doivent obéir. Une loi centrale pour les trous noirs prédit que la zone de leurs horizons d'événements - la limite au-delà de laquelle rien ne peut jamais s'échapper - ne devrait jamais rétrécir. Cette loi est le théorème des aires de Hawking, du nom du physicien Stephen Hawking, qui a dérivé le théorème en 1971.

Cinquante ans plus tard, les physiciens du MIT et d'ailleurs ont maintenant confirmé pour la première fois le théorème de l'aire de Hawking, en utilisant des observations d'ondes gravitationnelles. Leurs résultats paraissent aujourd'hui dans Lettres d'examen physique .

Dans l'étude, les chercheurs examinent de plus près GW150914, le premier signal d'onde gravitationnelle détecté par le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), en 2015. Le signal était le produit de deux trous noirs inspirants qui ont généré un nouveau trou noir, ainsi qu'une énorme quantité d'énergie qui s'est propagée dans l'espace-temps sous forme d'ondes gravitationnelles.

Si le théorème des aires de Hawking est vérifié, alors la zone d'horizon du nouveau trou noir ne doit pas être inférieure à la zone d'horizon totale de ses trous noirs parents. Dans la nouvelle étude, les physiciens ont réanalysé le signal de GW150914 avant et après la collision cosmique et ont constaté qu'en effet, la superficie totale de l'horizon des événements n'a pas diminué après la fusion, un résultat qu'ils rapportent avec une confiance de 95 %.

Leurs découvertes marquent la première confirmation observationnelle directe du théorème de l'aire de Hawking, ce qui a été prouvé mathématiquement mais jamais observé dans la nature jusqu'à présent. L'équipe prévoit de tester les futurs signaux d'ondes gravitationnelles pour voir s'ils pourraient confirmer davantage le théorème de Hawking ou être le signe d'une nouvelle, physique contraignante.

"Il est possible qu'il y ait un zoo de différents objets compacts, et tandis que certains d'entre eux sont les trous noirs qui suivent les lois d'Einstein et Hawking, d'autres peuvent être des bêtes légèrement différentes, " dit l'auteur principal Maximiliano Isi, un boursier postdoctoral Einstein de la NASA à l'Institut Kavli du MIT pour l'astrophysique et la recherche spatiale. "Donc, ce n'est pas comme si tu faisais ce test une fois et c'est fini. Tu fais ça une fois, et c'est le début."

Les co-auteurs d'Isi sur l'article sont Will Farr de l'Université Stony Brook et le Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics, Matthew Giesler de l'Université Cornell, Mark Scheel de Caltech, et Saul Teukolsky de l'Université Cornell et Caltech.

Une ère d'intuitions

En 1971, Stephen Hawking a proposé le théorème des aires, qui a déclenché une série d'informations fondamentales sur la mécanique des trous noirs. Le théorème prédit que la superficie totale de l'horizon des événements d'un trou noir et de tous les trous noirs de l'univers, d'ailleurs, ne devrait jamais diminuer. La déclaration était un curieux parallèle de la deuxième loi de la thermodynamique, qui dit que l'entropie, ou degré de désordre dans un objet, devrait également ne jamais diminuer.

La similitude entre les deux théories a suggéré que les trous noirs pourraient se comporter comme thermiques, objets émetteurs de chaleur - une proposition confuse, comme les trous noirs, de par leur nature, étaient censés ne jamais laisser s'échapper l'énergie, ou rayonner. Hawking a finalement mis les deux idées au carré en 1974, montrant que les trous noirs pourraient avoir de l'entropie et émettre des rayonnements sur de très longues échelles de temps si leurs effets quantiques étaient pris en compte. Ce phénomène a été surnommé "le rayonnement Hawking" et reste l'une des révélations les plus fondamentales sur les trous noirs.

"Tout a commencé avec la prise de conscience de Hawking que la surface totale de l'horizon dans les trous noirs ne peut jamais descendre, " dit Isi. " La loi régionale résume un âge d'or dans les années 70 où toutes ces idées ont été produites. "

Hawking et d'autres ont depuis montré que le théorème de la zone fonctionne mathématiquement, mais il n'y avait eu aucun moyen de le vérifier contre nature jusqu'à la première détection d'ondes gravitationnelles par LIGO.

Colportage, à l'annonce du résultat, a rapidement contacté le co-fondateur de LIGO, Kip Thorne, le professeur Feynman de physique théorique à Caltech. Sa question :la détection pourrait-elle confirmer le théorème des aires ?

À l'époque, les chercheurs n'avaient pas la possibilité de sélectionner les informations nécessaires dans le signal, avant et après la fusion, pour déterminer si la zone de l'horizon final n'a pas diminué, comme le supposerait le théorème de Hawking. Ce n'est que plusieurs années plus tard, et le développement d'une technique par Isi et ses collègues, lors de l'essai de la loi de zone est devenu possible.

Avant et après

En 2019, Isi et ses collègues ont développé une technique pour extraire les réverbérations immédiatement après le pic de GW150914, le moment où les deux trous noirs parents sont entrés en collision pour former un nouveau trou noir. L'équipe a utilisé la technique pour sélectionner des fréquences spécifiques, ou des tonalités des séquelles par ailleurs bruyantes, qu'ils pourraient utiliser pour calculer la masse et la rotation du trou noir final.

La masse et le spin d'un trou noir sont directement liés à l'aire de son horizon des événements, et Thorne, rappelant la requête de Hawking, les a approchés avec un suivi :pouvaient-ils utiliser la même technique pour comparer le signal avant et après la fusion, et confirmer le théorème des aires ?

Les chercheurs ont relevé le défi, et à nouveau divisé le signal GW150914 à son apogée. Ils ont développé un modèle pour analyser le signal avant le pic, correspondant aux deux trous noirs inspirateurs, et d'identifier la masse et le spin des deux trous noirs avant leur fusion. A partir de ces estimations, ils ont calculé leurs zones d'horizon totales - une estimation à peu près égale à environ 235, 000 kilomètres carrés, soit environ neuf fois la superficie du Massachusetts.

Ils ont ensuite utilisé leur technique précédente pour extraire le « ringdown, " ou les réverbérations du trou noir nouvellement formé, à partir de laquelle ils ont calculé sa masse et son spin, et finalement sa zone d'horizon, qu'ils ont trouvé était équivalent à 367, 000 kilomètres carrés (environ 13 fois la superficie de l'État de la baie).

"Les données montrent avec une confiance écrasante que la zone d'horizon a augmenté après la fusion, et que la loi des aires est satisfaite avec une probabilité très élevée, " dit Isi. " C'était un soulagement que notre résultat soit en accord avec le paradigme que nous attendons, et confirme notre compréhension de ces fusions compliquées de trous noirs."

L'équipe prévoit de tester davantage le théorème de l'aire de Hawking, et d'autres théories de longue date sur la mécanique des trous noirs, en utilisant les données de LIGO et Virgo, son homologue en Italie.

« C'est encourageant de pouvoir penser en nouveau, manières créatives sur les données d'ondes gravitationnelles, et répondre à des questions que nous pensions ne pas pouvoir auparavant, " dit Isi. "Nous pouvons continuer à extraire des éléments d'information qui parlent directement aux piliers de ce que nous pensons comprendre. Un jour, ces données peuvent révéler quelque chose auquel nous ne nous attendions pas."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.