Teorema lui Stephen Hawking, demonstrată după 50 de ani: Aria unei găuri negre nu poate decât să crească

Obiectele cosmice cele mai misterioase și mai extreme din univers, găurile negre, încep să-și dezvăluie treptat secretele. În urma unei analize amănunțite a undelor gravitaționale, o echipă internațională de oameni de știință a reușit să confirme observațional, cu o precizie fără precedent, o teoremă fundamentală enunțată de fizicianul Stephen Hawking acum peste 50 de ani: aria suprafeței unei găuri negre nu poate decât să crească.

Paradigma lui Hawking: Găurile negre ca obiecte termodinamice

În 1971, Stephen Hawking a enunțat o teoremă care a schimbat pentru totdeauna modul în care fizicienii privesc găurile negre. El a propus că orizontul evenimentelor – limita teoretică din jurul unei găuri negre dincolo de care nici lumina nu mai poate scăpa – nu se poate micșora niciodată; aria sa totală poate doar să rămână aceeași sau să crească. Această regulă, cunoscută sub numele de a doua lege a mecanicii găurilor negre, este un analog perfect al celei de-a doua legi a termodinamicii, care stipulează că entropia (o măsură a dezordinii) unui sistem izolat nu poate decât să crească.

Această similitudine nu este întâmplătoare. Lucrările ulterioare ale lui Hawking l-au condus la o descoperire și mai profundă: găurile negre au entropie și emit radiații (radiația Hawking) datorită efectelor cuantice de la orizontul evenimentelor. Aceasta a transformat găurile negre din simple singularități gravitaționale în obiecte termodinamice complexe, cu proprietăți fizice precise. "Ne spune că relativitatea generală știe ceva despre natura cuantică a acestor obiecte și că informația, sau entropia, conținută într-o gaură neagră este proporțională cu aria sa", explică Maximiliano Isi, profesor la Universitatea Columbia și coautor al studiului.

LIGO: Auzind coliziunile cosmice

Dovada acestei teorii a venit din partea Observatorului de Unde Gravitaționale cu Interferometru Laser (LIGO), care a detectat pe 14 ianuarie 2023 unde gravitaționale provenind de la fuziunea a două găuri negre. Undele gravitaționale sunt ondulații în însăși țesătura spațiu-timpului, generate de evenimente cosmice violente, prezise de Albert Einstein și detectate pentru prima dată de LIGO în 2015.

De atunci, LIGO și partenerii săi internaționali (detectorul Virgo din Europa și KAGRA din Japonia) au trecut prin numeroase îmbunătățiri. Astăzi, rețeaua de detectoare observă fuziuni de găuri negre la un ritm impresionant – aproximativ o dată la trei zile, față de o dată pe lună în primii ani de funcționare. Această abundență de date le permite oamenilor de știință să testeze predicțiile fizicii extreme cu o precizie din ce în ce mai mare.

Analiza "sunetului" cosmic care confirmă legea

Evenimentul din ianuarie 2023, denumit GW250114, a oferit o oportunitate perfectă. Cercetătorii, conduși de doctorandul Adrian G. Abac de la Institutul Max Planck pentru Fizică Gravitațională, au analizat nu doar semnalul inițial al fuziunii, ci și "sunetul" rezidual produs de gaura neagră nou-formată pe măsură ce aceasta și-a revenit și s-a stabilizat într-o formă sferică.

"Acest sunet se produce atunci când o gaură neagră este perturbată, la fel cum sună un clopot când îl lovești", compară Katerina Chatziioannou, profesor la Caltech și coautoare a studiului. Proprietățile acestui "ringdown" depind direct de masa și de rotația găurii negre rezultate.

Prin analiza tonalității și duratei acestui sunet cosmic, echipa a putut calcula cu o precizie remarcabilă masa și rotația găurii negre finale. Rezultatele au fost clare: suprafața sa era de aproximativ 400.000 de kilometri pătrați (comparabilă cu suprafața statului California, SUA). Această suprafață era semnificativ mai mare decât suprafața combinată a celor două găuri negre inițiale, care era de aproximativ 243.000 de kilometri pătrați (comparabilă cu suprafața statului Oregon). Cu alte cuvinte, gaura neagră nou formată era mai mare decât suma părților sale, confirmând legea lui Hawking.

Implicații profunde și viitorul cercetărilor

Confirmarea nu este prima în istorie – o observație din 2021 a sugerat deja acest lucru – dar această analiză recentă o face "cu o precizie mult mai mare", conform reprezentanților Universității Columbia. Mai mult, studiul validează și o altă teorie fundamentală: metrica Kerr, enunțată de matematicianul Roy Kerr, care descrie cum arată o gaură neagră în rotație, conform relativității generale. Rezultatele arată că gaura neagră rezultată se comportă exact așa cum a prezis Kerr.

Viitorul acestei arii de cercetare este extrem de promițător. Colaborarea LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) continuă să își îmbunătățească detectoarele. În jurul anului 2030, se preconizează intrarea în funcțiune a LIGO-India, care va crește semnificativ precizia de localizare a surselor de unde gravitaționale. De asemenea, sunt în discuție proiecte ambițioase pentru viitor, precum Cosmic Explorer în SUA (cu brațe de 40 km) și Telescopul Einstein în Europa (un detector subteran cu brațe de peste 10 km). Aceste instrumente de ultimă generație ne vor permite să "auzim" fuziunile cele mai vechi și mai îndepărtate din univers, punând la încercare nu doar teoria lui Hawking, ci și limitele fundamentale ale fizicii noastre actuale.