Den verdensberømte Stephen Hawking var kjent for sin forskning på svarte hull. Han gikk bort i 2018.

En av hans teorier sier at arealet til et svart hull aldri kan bli mindre. Det kalles arealteoremet.

Denne teorien skulle senere lede han videre til å foreslå at svarte hull må sende ut en form for stråling. Blant fysikere er det dette han er mest kjent for.

I 2015 registrerte forskere ved LIGO-observatoriet i USA gravitasjonsbølger for første gang. To svarte hull sirklet tett rundt hverandre og smeltet sammen. Det skapte svingninger i selve rommet.

Da Stephen Hawking hørte den store nyheten, kontaktet han en av grunnleggerne av LIGO, Kip Thorne. Spørsmålet han stilte var om observasjonen kunne bekrefte arealteoremet, ifølge en artikkel fra MIT.

Nå har forskere svaret. Ved hjelp av den første observasjonen av gravitasjonsbølger har de bekreftet at hendelsen stemte overens med Hawkings teori.

Studien er publisert i tidsskriftet Physical Review Letters.

Hendelseshorisonten ble større

Arealteoremet sier at arealet av hendelseshorisonten til et svart hull ikke kan bli mindre over tid, bare større. Innenfor hendelseshorisonten må man reise raskere enn lyset for å slippe ut. Altså slipper ingenting ut, ikke engang lys.

Forskerne bak den nye studien sjekket om Hawkings teori stemte da to svarte hull smeltet sammen.

For at teorien skulle stå seg, måtte arealet av de to svarte hullene plusset sammen ikke være større enn arealet av det nye svarte hullet.

Og det stemte. De to svarte hullene var til sammen 235 000 kvadratkilometer. Etter sammensmeltningen hadde det nye svarte hullet et areal på 367 000 kvadratkilometer.

Forskerne planlegger å også undersøke andre signal fra gravitasjonsbølger for å se om de finner det samme.

Minnet om lov i varmelæren

Det at hendelseshorisonten til et svart hull alltid må bli større, minner om en annen viktig læresetning i fysikken: Termodynamikkens andre lov. Den sier at entropien til et isolert system aldri kan minke.

Entropi beskrives ofte som et mål på uorden. Det er ekstremt sannsynlig at når du heller melk i kaffen, vil den spre seg ut i kaffen til det ikke er mulig å spre seg mer, heller enn at all melken vil bli liggende som en klump i midten. Et annet eksempel er at varme vil fordele seg fra noe varmt til noe kaldt til det har jevn temperatur.

En av forskerne bak den nye studien, Maximiliano Isi, skriver på e-post til forskning.no at Hawkings arealteorem har fundamental betydning for den moderne forståelsen av svarte hull. Isi er postdoktor ved MITs Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.

– Det at overflatearealet av et svart hull aldri kan minske, gjenspeiler den andre loven i termodynamikken som sier at entropien, graden av uorden i et system, aldri kan synke. Det avslører at svarte hull er termiske gjenstander, med dype implikasjoner for tidrommets kvanteegenskaper.

Termisk har å gjøre med temperatur og varme.

– Erkjennelsen om at arealet deres ikke kan minke, ledet til innsikten om at svarte hull har temperatur og kan fordampe ved utslipp av Hawking-stråling, sier Isi.

Studerte «tonene» i gravitasjonsbølgene

Forskerne klarte å finne ut størrelsen på de svarte hullene ved å se på signalet fra gravitasjonsbølgene.

Arealet bestemmes av det svarte hullets spinn, altså hvor fort det roterer, og massen.

Spinn gjør at det svarte hullet blir trykket litt sammen i toppen og bunnen, kuleformen blir mer avlang. Dette reduserer overflatearealet, skriver Isi på e-post.

Forskere utviklet en ny analysemetode for å beregne masse og spinn for de svarte hullene før og etter de smeltet sammen. Det gjorde de ved hjelp av dataene fra gravitasjonsbølgene.

– Når de snurrer rundt hverandre raskere og raskere, øker gravitasjonsbølgene i amplitude mer og mer til de til slutt stuper inn i hverandre - noe som gir det største utbruddet av bølger, forklarte Isi til Live Science.

Etterpå sitter man igjen med et større svart hull som vibrerer litt etterpå.

– Det er som hvis du slår på en bjelle, de spesifikke tonehøydene og varigheten av ringingen vil si deg strukturen på bjella og hva den er laget av.

Man kunne kanskje tenke seg at krasjet mellom de sorte hullene ville få det nye sorte hullet til å spinne så fort at arealet ble mindre enn de to sammenlagt. Men slik var det ikke.

– Du vil få det til å snurre mer, men ikke nok til å motveie massen du nettopp har lagt til, sa Isi til Live Science.

– Uansett hva du gjør, vil massen og spinnet gjøre det slik at du ender opp med et større areal.

– Spennende

Øystein Elgarøy er professor ved Institutt for teoretisk astrofysikk på Universitetet i Oslo. Han synes resultatet er interessant.

– Det er veldig spennende at gravitasjonsbølger gir oss muligheten til å teste fundamentale resultater i generell relativitetsteori som Hawkings arealteorem for svarte hull, skriver han på e-post til forskning.no.

– Dette teoremet var starten på en serie av arbeider som kulminerte i Hawkings teori om at svarte hull ikke er helt svarte, men sender ut stråling.

Hawking viste at svarte hull ikke kan krympe ifølge generell relativitetsteori. Generell relativitetsteori handler om rom, tid og gravitasjon.

Senere fant Hawking ut noe merkelig. Ved å bruke kvantemekanikken i regnestykkene kan svarte hull krympe. Kvantemekanikken beskriver det som skjer på mikronivå mellom partikler.

Hawking satte frem en teori om at svarte hull sender ut stråling som skyldes kvanteeffekter nær hendelseshorisonten. Over tid vil et svart hull derfor krympe og forsvinne. Men det tar ekstremt lang tid, mye lenger enn universets alder. Teorien er ikke bevist.

Disse teoriene om svarte hull satte forskere på sporet av et paradoks. Kvantemekanikken sier at informasjon ikke kan forsvinne. Hawking-strålingen ser ut til å være tilfeldig og ikke inneholde informasjon om det som falt inn i hullet. Hvor blir det av informasjonen når det svarte hullet en gang er forsvunnet? Dette kalles informasjonsparadokset.

Paradoksale

– Jeg er besatt av disse objektene på grunn av hvor paradoksale de er. De er ekstremt mystiske og forvirrende, men samtidig vet vi at de er de enkleste objektene som eksisterer, sier Isi til Live Science.

Svarte hull kan beskrives ved hjelp av bare tre verdier: Masse, spinn og ladning. Likevel er de fulle av mysterier. De kan være nøkkelen til å oppdage ny fysikk.

– Alle disse innsiktene om svarte hull er i sin tur noen av de få holdepunktene vi har i jakten på en teori som forener den generelle relativitetsteorien med kvantefysikken, sier Øystein Elgarøy.

Forskere vet ikke helt hva som egentlig skjer inni et svart hull. For å finne det ut trenger de trolig en teori om kvantegravitasjon. Det kan forene Einsteins generelle relativitetsteori med kvantefysikken.

– At arealteoremet nå kan sjekkes empirisk, er et tegn på at vi er inne i en veldig spennende tid i fysikken, takket være gravitasjonsbølgene, sier Elgarøy.

Referanse:

Maximiliano Isi, Will M. Farr, Matthew Giesler, Mark A. Scheel & Saul A. Teukolsky: «Testing the Black-Hole Area Law with GW150914», Physical Review Letters, 1. juli 2021. Sammendrag.