عندما تندفع الفوتونات نحو ثقب أسود ، يُمتص معظمها إلى أعماقها ، ولا تعود أبدًا ، أو تنحرف برفق بعيدًا. ومع ذلك ، فإن قلة قليلة من الناس تتنقل من الثقب ، مما يؤدي إلى سلسلة من المنعطفات المفاجئة على شكل حرف U. تستمر بعض هذه الفوتونات في الدوران حول الثقب الأسود عمليًا إلى الأبد.
وصفها علماء الفيزياء الفلكية بأنها "كاميرا فيلم كونية" و "مصيدة ضوئية لانهائية" ، فإن الحلقة الناتجة من الفوتونات التي تدور في مدارات هي من بين أغرب الظواهر في الطبيعة. إذا اكتشفت الفوتونات ، "سترى كل كائن في الكون بلا حدود مرات عديدة ،" قال سام جرالا، عالم فيزياء بجامعة أريزونا.
ولكن على عكس أفق الحدث الأيقوني للثقب الأسود - الحدود التي تكون فيها الجاذبية قوية جدًا بحيث لا يمكن لأي شيء الهروب منها - لم تحظ حلقة الفوتون ، التي تدور حول الثقب بعيدًا ، كثيرًا من الاهتمام من قبل المنظرين. من المنطقي أن ينشغل الباحثون بأفق الحدث ، لأنه يمثل حافة معرفتهم بالكون. في معظم أنحاء الكون ، تتبع الجاذبية منحنيات في المكان والزمان كما وصفتها نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين. لكن الزمكان يلتف كثيرًا داخل الثقوب السوداء بحيث تتفكك النسبية العامة هناك. ولذلك ، فإن منظري الجاذبية الكمومية الذين يسعون للحصول على وصف كمي أكثر صحة للجاذبية قد نظروا إلى الأفق للحصول على إجابات.
"كنت قد اتخذت وجهة نظر أن أفق الحدث هو ما نحتاج إلى فهمه ،" قال أندرو سترومينجر، أحد رواد نظرية الثقوب السوداء والجاذبية الكمومية في جامعة هارفارد. "وفكرت في حلقة الفوتون كنوع من الأشياء التقنية المعقدة التي ليس لها أي أهمية عميقة."
الآن يقوم سترومينجر بتحويل مساره الخاص ويحاول إقناع المنظرين الآخرين بالانضمام إليه. قال ، مشيرًا إلى نوع الثقوب السوداء الدوارة التي تنشأ عندما تموت النجوم وتنهار جاذبيتها . (تتشكل حلقة الفوتون بشكل متزامن.)
In ورقة نشرت على الإنترنت في مايو ومؤخرا مقبولة للنشر in الجاذبية الكمومية الكلاسيكيةكشف سترومينجر ومعاونوه أن حلقة الفوتون حول الثقب الأسود الدوار لها نوع غير متوقع من التناظر - وهي طريقة يمكن من خلالها تحويلها وتظل كما هي. يشير التناظر إلى أن الحلقة قد تشفر معلومات حول البنية الكمومية للثقب. قال: "هذا التناظر يشبه رائحة شيء له علاقة بالمشكلة المركزية لفهم ديناميكيات الكم للثقوب السوداء". قاد هذا الاكتشاف الباحثين إلى مناقشة ما إذا كانت حلقة الفوتون قد تكون جزءًا من "ثنائية ثلاثية الأبعاد" للثقب الأسود - وهو نظام كمي مكافئ تمامًا للثقب الأسود نفسه ، والذي يمكن اعتبار أن الثقب الأسود قد انبثق منه. صورة ثلاثية الأبعاد.
"إنه يفتح طريقًا مثيرًا للاهتمام للغاية لفهم الصورة الثلاثية الأبعاد لهذه الأشكال الهندسية [للثقب الأسود] ،" قال أليكس مالوني، وهو باحث في جامعة ماكجيل في كندا لم يشارك في البحث. "التناظر الجديد ينظم بنية الثقوب السوداء بعيدًا عن أفق الحدث ، وأعتقد أن هذا مثير للغاية."
هناك حاجة إلى مزيد من الدراسة النظرية قبل أن يتمكن الباحثون من تحديد ما إذا كانت حلقة الفوتون تشفر المحتويات الداخلية للثقب الأسود ، أو بأي طريقة. لكن على أقل تقدير ، يقول المنظرون إن الورقة الجديدة قد قدمت بالتفصيل اختبارًا دقيقًا لأي نظام كمي يزعم أنه ثنائي ثلاثي الأبعاد للثقب الأسود. "إنه هدف لوصف ثلاثي الأبعاد" ، قال خوان مالداسينا من معهد الدراسات المتقدمة في برينستون ، نيو جيرسي ، أحد المهندسين المعماريين الأصليين للتصوير المجسم.
يختبئ في حلقة الفوتون
جزء من الإثارة حول حلقة الفوتون هو أنها ، على عكس أفق الحدث ، مرئية بالفعل. في الواقع ، حدث انعطاف سترومينغر نحو هذه الحلقات بسبب صورة فوتوغرافية: أول صورة لثقب أسود. عندما كشف تلسكوب أفق الحدث (EHT) عنه في عام 2019 ، قال: "لقد بكيت". "إنه جميل بشكل مذهل."
سرعان ما تصاعدت الابتهاج إلى الارتباك. كان للثقب الأسود في الصورة حلقة سميكة من الضوء حوله ، لكن علماء الفيزياء في فريق EHT لم يعرفوا ما إذا كان هذا الضوء ناتجًا عن البيئة المحيطة الفوضوية للثقب ، أو ما إذا كان يتضمن حلقة الفوتون الخاصة بالثقب الأسود. ذهبوا إلى Strominger وزملائه المنظرين للمساعدة في تفسير الصورة. قاموا معًا بتصفح قاعدة البيانات الضخمة لمحاكاة الكمبيوتر التي استخدمها فريق EHT لفصل العمليات الفيزيائية التي تنتج الضوء حول الثقوب السوداء. في هذه الصور المحاكاة ، تمكنوا من رؤية الحلقة الرفيعة والمشرقة المدمجة في كعكة الضوء البرتقالية الأكبر والأكثر ضبابية.
قال "عندما تنظر إلى جميع عمليات المحاكاة ، لا يمكنك تفويتها" شاحر حضر من جامعة حيفا في إسرائيل ، الذين تعاونوا مع سترومينجر وعلماء الفيزياء في EHT في البحث أثناء وجودهم في جامعة هارفارد. قال هادار إن تشكيل حلقة الفوتون يبدو أنه "تأثير عالمي" يحدث حول جميع الثقوب السوداء.
على عكس دوامة الجسيمات المتصادمة النشطة والحقول التي تحيط بالثقوب السوداء ، حدد المنظرون أن الخط الحاد لحلقة الفوتون يحمل معلومات مباشرة حول خصائص الثقب الأسود ، بما في ذلك كتلته ومقدار دورانه. قال سترومينغر: "إنها بالتأكيد أجمل الطرق وأكثرها إقناعًا لرؤية الثقب الأسود حقًا".
وجد التعاون بين علماء الفلك والمحاكاة والمنظرين أن الصورة الفعلية لـ EHT ، والتي تُظهر الثقب الأسود في مركز المجرة القريبة Messier 87 ، ليست حادة بما يكفي لحل حلقة الفوتون ، على الرغم من أنها ليست بعيدة. جادلوا في ورقة 2020 يجب أن ترى التلسكوبات المستقبلية عالية الدقة حلقات الفوتون بسهولة. (أ ورقة جديدة تدعي أنها وجدت الحلبة في صورة EHT لعام 2019 من خلال تطبيق خوارزمية لإزالة الطبقات من البيانات الأصلية ، ولكن هذا الادعاء قوبل بالشك.)
ومع ذلك ، بعد التحديق في حلقات الفوتون لفترة طويلة في عمليات المحاكاة ، بدأ سترومينجر وزملاؤه في التساؤل عما إذا كان شكلها يشير إلى معنى أعمق.
تناسق مفاجئ
الفوتونات التي تقوم بدوران واحد على شكل حرف U حول ثقب أسود ثم تنطلق نحو الأرض ستظهر لنا كحلقة واحدة من الضوء. تظهر الفوتونات التي تقوم بدورتين على شكل حرف U حول الثقب على أنها جزء ثانوي أرق وأضعف داخل الحلقة الأولى. والفوتونات التي تصنع ثلاث دورات U تظهر كإنتاج فرعي داخل تلك المجموعة الفرعية ، وهكذا دواليك ، مكونة حلقات متداخلة ، كل منها أضعف وأرق من سابقتها.
قام الضوء من الأجزاء الفرعية الداخلية بعمل المزيد من المدارات ، وبالتالي تم التقاطه قبل الضوء من الأجزاء الفرعية الخارجية ، مما أدى إلى سلسلة من اللقطات المتأخرة للكون المحيط. كتب التعاون في ورقة عام 2020: "معًا ، تشبه مجموعة العناصر الفرعية إطارات الفيلم ، حيث تلتقط تاريخ الكون المرئي كما يُرى من الثقب الأسود".
قال سترومينغر إنه عندما نظر هو ومعاونوه إلى صور EHT ، "كنا مثل:" مرحبًا ، هناك عدد لا حصر له من نسخ الكون هناك على تلك الشاشة؟ ألا يمكن أن يكون هذا هو المكان الذي تعيش فيه الصورة الثلاثية الأبعاد؟ "
أدرك الباحثون أن بنية الحلقة متحدة المركز توحي بمجموعة من التناظرات تسمى التناظر المطابق. يعرض النظام الذي يحتوي على التناظر المطابق "ثبات المقياس" ، مما يعني أنه يبدو كما هو عند التكبير أو التصغير. في هذه الحالة ، يكون كل فرع فرعي للفوتون نسخة دقيقة ومضخّمة من المجموعة الفرعية السابقة. علاوة على ذلك ، يظل النظام المتماثل المطابق كما هو عند ترجمته للأمام أو للخلف في الوقت المناسب وعندما يتم قلب جميع الإحداثيات المكانية وتحويلها ثم قلبها مرة أخرى.
واجه سترومينجر التناظر المطابق في التسعينيات عندما ظهر في نوع خاص من الثقب الأسود خماسي الأبعاد الذي كان يدرسه. من خلال فهم تفاصيل هذا التناظر بدقة ، هو و كومرون فافا وجدت طريقة جديدة لربط النسبية العامة بالعالم الكمي ، على الأقل داخل هذه الأنواع المتطرفة من الثقوب السوداء. لقد تخيلوا إزالة الثقب الأسود واستبدال أفق الحدث الخاص به بما أطلقوا عليه لوحة ثلاثية الأبعاد ، وهو سطح يحتوي على نظام كمي من الجسيمات يحترم التناظر المطابق. أظهروا أن خصائص النظام تتوافق مع خصائص الثقب الأسود ، كما لو كان الثقب الأسود هو صورة ثلاثية الأبعاد عالية الأبعاد للنظام الكمي المطابق. بهذه الطريقة ، قاموا ببناء جسر بين وصف الثقب الأسود وفقًا للنسبية العامة ووصفه الميكانيكي الكمومي.
في عام 1997 ، وسعت مالداسينا نفس مبدأ التصوير المجسم إلى عالم ألعاب كامل. اكتشف "الكون في زجاجة، "حيث يقوم نظام كمي متماثل متماثل يعيش على سطح الزجاجة بتعيين خصائص الزمكان والجاذبية في داخل الزجاجة. كان الأمر كما لو كان الداخل "كونًا" ينبثق من سطحه ذي الأبعاد المنخفضة مثل صورة ثلاثية الأبعاد.
قاد هذا الاكتشاف العديد من المنظرين إلى الاعتقاد بأن الكون الحقيقي هو صورة ثلاثية الأبعاد. العقبة هي أن عالم Maldacena في زجاجة يختلف عن عالمنا. إنه مليء بنوع من الزمكان منحنيًا بشكل سلبي ، مما يمنحه حدًا خارجيًا يشبه السطح. يُعتقد أن كوننا مسطح ، وليس لدى المنظرين فكرة بسيطة عن الشكل الثنائي المجسم للزمكان والزمان المسطح. قال سترومينغر: "نحن بحاجة إلى العودة إلى العالم الحقيقي ، مع أخذ الإلهام مما تعلمناه من هذه العوالم الافتراضية".
ولذا قررت المجموعة دراسة ثقب أسود دوار واقعي يجلس في زمكان مسطح ، مثل تلك التي صورها تلسكوب أفق الحدث. الأسئلة الأولى التي يجب طرحها هي: أين تعيش ثنائية الهولوغرام؟ وما هي التماثلات؟ " قال هدار.
البحث عن الثنائى المجسم
من الناحية التاريخية ، أثبت التناظر المطابق أنه دليل جدير بالثقة في البحث عن الأنظمة الكمية التي ترسم خريطة ثلاثية الأبعاد للأنظمة ذات الجاذبية. قال سترومينغر: "إن قول التناظر المطابق والثقب الأسود في نفس الجملة لمنظر الجاذبية الكمومية يشبه التلويح باللحوم الحمراء أمام كلب".
بدءًا من وصف الثقوب السوداء الدوارة في النسبية العامة ، والتي تسمى مقياس كير ، بدأت المجموعة في البحث عن تلميحات حول التناظر المطابق. لقد تخيلوا ضرب الثقب الأسود بمطرقة ليجعله يرن مثل الجرس. تشبه هذه الاهتزازات المتلاشية ببطء موجات الجاذبية التي تنشأ عندما يصطدم ثقبان أسودان على سبيل المثال. سوف يرن الثقب الأسود ببعض الترددات الرنانة التي تعتمد على شكل الزمكان (أي على مقياس كير) تمامًا كما تعتمد نغمات رنين الجرس على شكله.
إن معرفة النمط الدقيق للاهتزازات أمر غير ممكن لأن مقياس كير معقد للغاية. لذلك اقترب الفريق من النمط من خلال النظر فقط في الاهتزازات عالية التردد ، والتي تنتج عن الاصطدام بالثقب الأسود بشدة. لقد لاحظوا وجود علاقة بين نمط الموجات عند هذه الطاقات العالية وبنية حلقات الفوتون للثقب الأسود. قال هذا النمط "تبين أنه محكوم بالكامل بحلقة الفوتون" أليكس لوبساسكا من مبادرة فاندربيلت للجاذبية والأمواج والسوائل في ولاية تينيسي ، الذي شارك في تأليف الورقة الجديدة مع سترومينجر وهدار ودانييل كابيك من جامعة هارفارد.
جاءت لحظة محورية في صيف عام 2020 خلال جائحة Covid-19. تم وضع السبورات والمقاعد على العشب خارج مختبر جيفرسون للفيزياء بجامعة هارفارد ، ويمكن للباحثين أخيرًا الالتقاء شخصيًا. لقد توصلوا إلى أنه ، مثل التناظر المطابق الذي يربط كل حلقة فوتون بالفوتون الفرعي التالي ، ترتبط النغمات المتتالية لثقب أسود رنين ببعضها البعض عن طريق التناظر المطابق. قال سترومينغر إن هذه العلاقة بين حلقات الفوتون واهتزازات الثقب الأسود يمكن أن تكون "نذيرًا" للتصوير المجسم.
دليل آخر على أن حلقة الفوتون قد يكون لها أهمية خاصة تأتي من الطريقة غير البديهية التي ترتبط بها الحلقة بهندسة الثقب الأسود. قال هدار: "إنه أمر غريب للغاية". "بينما تتحرك على طول نقاط مختلفة على حلقة الفوتون ، فأنت في الواقع تتحقق من أنصاف أقطار مختلفة" أو أعماق في الثقب الأسود.
تشير هذه النتائج إلى سترومينغر إلى أن حلقة الفوتون ، وليس أفق الحدث ، هي "مرشح طبيعي" لجزء من الصفيحة الثلاثية الأبعاد لثقب أسود دوار.
إذا كان الأمر كذلك ، فقد تكون هناك طريقة جديدة لتصور ما يحدث للمعلومات حول الأجسام التي تسقط في الثقوب السوداء - وهو لغز طويل الأمد يُعرف باسم مفارقة معلومات الثقب الأسود. الحسابات الأخيرة تشير إلى أن هذه المعلومات محفوظة بطريقة ما من قبل الكون حيث يتبخر الثقب الأسود ببطء. يتكهن سترومينغر الآن بأن المعلومات قد يتم تخزينها في اللوحة الثلاثية الأبعاد. قال: "ربما لا تسقط المعلومات حقًا في الثقب الأسود ، لكنها تبقى نوعًا ما في سحابة حول الثقب الأسود ، والتي ربما تمتد إلى حلقة الفوتون". "لكننا لا نفهم كيف يتم ترميزها هناك ، أو بالضبط كيف يعمل ذلك."
دعوة للمنظرين
لقد قوبلت فكرة سترومينجر والشركة بأن الثنائي الهولوغرافي يعيش في حلقة الفوتون أو حولها بالتشكيك من قبل بعض منظري الجاذبية الكمومية ، الذين يرون أنه استقراء جريء للغاية من التناظر المطابق للحلقة. "أين تكون الحياة المزدوجة الثلاثية الأبعاد سؤالًا أعمق بكثير من: ما هو التناظر؟" قال دانيال هارلو، عالم نظرية الجاذبية الكمومية والثقب الأسود في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. على الرغم من أنه يؤيد إجراء مزيد من البحث حول هذه القضية ، إلا أن هارلو يؤكد أن ثنائية ثلاثية الأبعاد مقنعة ، في هذه الحالة ، يجب أن تُظهر كيف أن خصائص حلقة الفوتون ، مثل مدارات وترددات الفوتونات الفردية ، تتطابق رياضيًا مع الحبيبات الدقيقة. التفاصيل الكمومية للثقب الأسود.
ومع ذلك ، قال العديد من الخبراء إن البحث الجديد يقدم إبرة مفيدة يجب أن يربطها أي ثنائي ثلاثي الأبعاد مقترح: يجب أن يكون الثنائي قادرًا على ترميز نمط الاهتزاز غير المعتاد للثقب الأسود الدوار بعد أن يتم ضربه مثل الجرس. قال سترومينغر: "إن المطالبة بالنظام الكمومي الذي يصف الثقب الأسود يعيد إنتاج كل هذا التعقيد هو قيد قوي للغاية - وهو قيد لم نحاول استغلاله من قبل". إيفا سيلفرشتاينقال عالم الفيزياء النظرية بجامعة ستانفورد ، "يبدو أنه قطعة رائعة جدًا من البيانات النظرية للأشخاص لمحاولة التكاثر عند محاولة وصف مزدوج ثلاثي الأبعاد."
وافق مالداسينا ، قائلاً ، "يود المرء أن يفهم كيفية دمج هذا في صورة ثنائية ثلاثية الأبعاد. لذلك من المحتمل أن يحفز بعض البحث في هذا الاتجاه ".
يشتبه مالوني في أن التناظر المكتشف حديثًا لحلقة الفوتون سيحفز الاهتمام بين كل من المنظرين والمراقبين. إذا تم تمويل الترقيات المأمولة لتلسكوب Event Horizon Telescope ، فيمكنه البدء في اكتشاف حلقات الفوتون في غضون بضع سنوات.
لن تختبر القياسات المستقبلية لهذه الحلقات التصوير المجسم بشكل مباشر ، على الرغم من أن البيانات ستسمح باختبارات شديدة للنسبية العامة بالقرب من الثقوب السوداء. الأمر متروك للمنظرين لتحديد ما إذا كانت بنية مصائد الضوء اللانهائية حول الثقوب السوداء يمكنها تشفير الأسرار الموجودة بداخلها رياضيًا.
