Når fotoner suser mod et sort hul, suges de fleste ned i dets dybder, for aldrig at vende tilbage, eller de afbøjes forsigtigt væk. Et sjældent fåtal går dog over hullet og laver en række bratte U-vendinger. Nogle af disse fotoner bliver ved med at cirkulere det sorte hul praktisk talt for evigt.
Beskrevet af astrofysikere som et "kosmisk filmkamera" og en "uendelig lysfælde", er den resulterende ring af kredsende fotoner blandt de underligste fænomener i naturen. Hvis du opdager fotonerne, "vil du se hvert objekt i universet uendeligt mange gange," sagde Sam Gralla, en fysiker ved University of Arizona.
Men i modsætning til den ikoniske begivenhedshorisont af et sort hul - grænsen, inden for hvilken tyngdekraften er så stærk, at intet kan undslippe - har fotonringen, som kredser om hullet længere væk, aldrig fået megen opmærksomhed fra teoretikere. Det giver mening, at forskere har været optaget af begivenhedshorisonten, da den markerer kanten af deres viden om universet. Gennem det meste af kosmos sporer tyngdekraften med kurver i rum og tid som beskrevet af Albert Einsteins generelle relativitetsteori. Men rum-tid skæver så meget inde i sorte huller, at den generelle relativitetsteori bryder sammen der. Kvantetyngde-teoretikere, der søger en mere sand, kvantebeskrivelse af tyngdekraften, har derfor kigget ud i horisonten efter svar.
"Jeg havde den opfattelse, at begivenhedshorisonten var det, vi havde brug for at forstå," sagde Andrew Strominger, en førende sort hul og kvantetyngdekraftsteoretiker ved Harvard University. "Og jeg tænkte på fotonringen som en slags teknisk, kompliceret ting, som ikke havde nogen dyb betydning."
Nu laver Strominger sin egen U-vending og forsøger at overbevise andre teoretikere om at slutte sig til ham. "Vi undersøger begejstret muligheden for, at fotonringen er den ting, du skal forstå for at låse op for Kerrs sorte hullers hemmeligheder," sagde han med henvisning til den slags snurrende sorte huller, der skabes, når stjerner dør og tyngdemæssigt kollapser. . (Fotonringen dannes samtidigt.)
In et papir lagt online i maj og for nylig accepteret til offentliggørelse in Klassisk kvantetyngdekraft, afslørede Strominger og hans samarbejdspartnere, at fotonringen omkring et roterende sort hul har en uventet form for symmetri - en måde, hvorpå den kan transformeres og stadig forblive den samme. Symmetrien antyder, at ringen kan kode information om hullets kvantestruktur. "Denne symmetri lugter som noget at gøre med det centrale problem med at forstå kvantedynamikken i sorte huller," sagde han. Opdagelsen har fået forskere til at diskutere, om fotonringen overhovedet kan være en del af et sort huls "holografiske dual" - et kvantesystem, der er nøjagtigt ækvivalent med selve det sorte hul, og som det sorte hul kan opfattes som opstået ud af ligesom et hologram.
"Det åbner en meget interessant vej til at forstå holografien af disse [sorte hul] geometrier," sagde Alex Maloney, en teoretiker ved McGill University i Canada, som ikke var involveret i forskningen. "Den nye symmetri organiserer strukturen af sorte huller langt fra begivenhedshorisonten, og det synes jeg er meget spændende."
Der skal meget mere teoretisk undersøgelse til, før forskerne kan sige med sikkerhed, om eller på hvilken måde, fotonringen koder for et sort huls indre indhold. Men i det mindste siger teoretikere, at det nye papir har detaljeret en præcis test for ethvert kvantesystem, der hævder at være det sorte huls holografiske dual. "Det er et mål for en holografisk beskrivelse," sagde Juan Maldacena fra Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, en af holografiens oprindelige arkitekter.
Gemmer sig i fotonringen
En del af spændingen ved fotonringen er, at den i modsætning til begivenhedshorisonten faktisk er synlig. Faktisk skete Stromingers U-vending mod disse ringe på grund af et fotografi: den det første billede nogensinde af et sort hul. Da Event Horizon Telescope (EHT) afslørede det i 2019, "Jeg græd," sagde han. "Det er fantastisk smukt."
Opstemthed begyndte hurtigt at blive forvirret. Det sorte hul på billedet havde en tyk ring af lys omkring sig, men fysikere på EHT-holdet vidste ikke, om dette lys var produktet af hullets kaotiske omgivelser, eller om det inkluderede det sorte huls fotonring. De gik til Strominger og hans teoretikerkolleger for at få hjælp til at fortolke billedet. Sammen gennemsøgte de den enorme databank af computersimuleringer, som EHT-teamet brugte til at skille de fysiske processer, der producerer lys omkring sorte huller. I disse simulerede billeder kunne de se den tynde, lyse ring indlejret i den større, mere fuzziere orange donut af lys.
"Når du ser på alle simuleringerne, kan du ikke gå glip af det," sagde Shahar Hadar fra University of Haifa i Israel, som samarbejdede med Strominger og EHT-fysikerne om forskningen, mens de var på Harvard. Dannelsen af fotonringen ser ud til at være en "universel effekt", der sker omkring alle sorte huller, sagde Hadar.
I modsætning til den malstrøm af energiske kolliderende partikler og felter, der omgiver sorte huller, fastslog teoretikerne, at fotonringens skarpe linje bærer direkte information om det sorte huls egenskaber, herunder dets masse og mængden af spin. "Det er absolut den smukkeste og mest overbevisende måde at virkelig se det sorte hul på," sagde Strominger.
Samarbejdet mellem astronomer, simulatorer og teoretikere fandt ud af, at EHT's faktiske fotografi, som viser det sorte hul i midten af den nærliggende galakse Messier 87, ikke er skarp nok til at opløse fotonringen, selvom den ikke er langt væk. De argumenterede i et 2020 papir at fremtidige teleskoper med højere opløsning nemt skulle kunne se fotonringe. (EN nyt papir hævder at have fundet ringen i EHT's 2019-billede ved at anvende en algoritme til at fjerne lag fra de originale data, men påstanden er blevet mødt med skepsis.)
Alligevel, efter at have stirret på fotonringe så længe i simuleringerne, begyndte Strominger og hans kolleger at spekulere på, om deres form antydede en endnu dybere mening.
En overraskende symmetri
Fotoner, der laver en enkelt U-vending rundt om et sort hul og derefter lyner mod Jorden, vil fremstå for os som en enkelt ring af lys. Fotoner, der laver to U-vendinger rundt om hullet, fremstår som en svagere, tyndere subring inden for den første ring. Og fotoner, der laver tre U-vendinger, vises som en underring i den underring, og så videre, og skaber indlejrede ringe, hver svagere og tyndere end den sidste.
Lys fra de indre underringe har lavet flere kredsløb og blev derfor fanget før lyset fra ydre underringe, hvilket resulterede i en række tidsforsinkede snapshots af det omgivende univers. "Sammen er sættet af underringe beslægtet med rammerne af en film, der fanger historien om det synlige univers set fra det sorte hul," skrev samarbejdet i 2020-avisen.
Strominger sagde, at da han og hans samarbejdspartnere så på EHT-billederne, "var vi sådan: 'Hey, der er et uendeligt antal kopier af universet lige der på den skærm? Kunne det ikke være der, den holografiske dual lever?'”
Forskerne indså, at ringens koncentriske struktur tyder på en gruppe symmetrier kaldet konform symmetri. Et system, der har konform symmetri, udviser "skala-invarians", hvilket betyder, at det ser ens ud, når du zoomer ind eller ud. I dette tilfælde er hver foton subring en nøjagtig, forstørret kopi af den forrige subring. Desuden forbliver et konformt symmetrisk system det samme, når det translateres frem eller tilbage i tid, og når alle rumlige koordinater inverteres, forskydes og derefter inverteres igen.
Strominger stødte på konform symmetri i 1990'erne, da den dukkede op i en særlig form for femdimensionelt sort hul, han studerede. Ved præcist at forstå detaljerne i denne symmetri, han og Cumrun Vafa fundet en roman måde at forbinde generel relativitet med kvanteverdenen, i det mindste inde i disse ekstreme slags sorte huller. De forestillede sig at skære det sorte hul ud og erstatte dets begivenhedshorisont med det, de kaldte en holografisk plade, en overflade indeholdende et kvantesystem af partikler, der respekterer konform symmetri. De viste, at systemets egenskaber svarer til det sorte huls egenskaber, som om det sorte hul er et højere dimensionelt hologram af det konforme kvantesystem. På denne måde byggede de en bro mellem beskrivelsen af et sort hul ifølge den generelle relativitetsteori og dets kvantemekaniske beskrivelse.
I 1997 udvidede Maldacena det samme holografiske princip til et helt legetøjsunivers. Han opdagede en "univers på flaske,” hvor et konformt symmetrisk kvantesystem, der lever på flaskens overflade, nøjagtigt afbildede egenskaber af rum-tid og tyngdekraft i flaskens indre. Det var, som om interiøret var et "univers", der projicerede fra sin lavere dimensionelle overflade som et hologram.
Opdagelsen fik mange teoretikere til at tro, at det virkelige univers er et hologram. Problemet er, at Maldacenas univers på flaske adskiller sig fra vores eget. Den er fyldt med en type rum-tid, der er negativt buet, hvilket giver den en overfladelignende ydre grænse. Vores univers menes at være fladt, og teoretikere har ingen anelse om, hvordan den holografiske dual af flad rumtid ser ud. "Vi skal tilbage til den virkelige verden, mens vi tager inspiration fra det, vi har lært fra disse hypotetiske verdener," sagde Strominger.
Og så besluttede gruppen at studere et realistisk spinnende sort hul, der sidder i flad rumtid, som dem, der er fotograferet af Event Horizon Telescope. “De første spørgsmål at stille er: Hvor bor den holografiske dual? Og hvad er symmetrierne?” sagde Hadar.
Søger efter den holografiske dual
Historisk har konform symmetri vist sig at være en troværdig guide i søgen efter kvantesystemer, der holografisk kortlægger sig på systemer med tyngdekraft. "At sige konform symmetri og sort hul i samme sætning til en kvantetyngdekraftsteoretiker er som at vinke rødt kød foran en hund," sagde Strominger.
Med udgangspunkt i beskrivelsen af spindende sorte huller i generel relativitet, kaldet Kerr-metrikken, begyndte gruppen at lede efter antydninger af konform symmetri. De forestillede sig at slå det sorte hul med en hammer for at få det til at ringe som en klokke. Disse langsomt falmende vibrationer er som de gravitationsbølger, der skabes, når f.eks. to sorte huller støder sammen. Det sorte hul vil ringe med nogle resonansfrekvenser, der afhænger af formen af rum-tid (det vil sige Kerr-metrikken), ligesom ringetonerne for en klokke afhænger af dens form.
Det er umuligt at finde ud af det nøjagtige mønster af vibrationer, fordi Kerr-metrikken er så kompliceret. Så holdet tilnærmede mønsteret ved kun at overveje højfrekvente vibrationer, som er resultatet af at ramme det sorte hul meget hårdt. De bemærkede et forhold mellem bølgemønstret ved disse høje energier og strukturen af det sorte huls fotonringe. Mønsteret "viser sig at være fuldstændig styret af fotonringen," sagde Alex Lupsasca af Vanderbilt Initiative for Gravity, Waves and Fluids i Tennessee, som var medforfatter til det nye papir sammen med Strominger, Hadar og Daniel Kapec fra Harvard.
Et afgørende øjeblik kom i sommeren 2020 under Covid-19-pandemien. Tavler og bænke blev sat op på græsset uden for Harvards Jefferson fysiklaboratorium, og forskerne kunne endelig mødes personligt. De fandt ud af, at ligesom den konforme symmetri, der relaterer hver fotonring til den næste subring, er de successive toner af et ringende sort hul relateret til hinanden ved konform symmetri. Dette forhold mellem fotonringene og sorte huls vibrationer kunne være en "bebuder" af holografi, sagde Strominger.
Et andet fingerpeg om, at fotonringen kan have særlig betydning, kommer fra den kontraintuitive måde, ringen relaterer til det sorte huls geometri. "Det er meget, meget mærkeligt," sagde Hadar. "Når du bevæger dig langs forskellige punkter på fotonringen, sonderer du faktisk forskellige radier" eller dybder ind i det sorte hul.
Disse resultater antyder for Strominger, at fotonringen, snarere end begivenhedshorisonten, er en "naturlig kandidat" til en del af den holografiske plade af et roterende sort hul.
Hvis det er tilfældet, kan der være en ny måde at forestille sig, hvad der sker med information om genstande, der falder ned i sorte huller - et mangeårigt mysterium kendt som informationsparadokset for det sorte hul. Seneste beregninger indikerer, at denne information på en eller anden måde er bevaret af universet, da et sort hul langsomt fordamper. Strominger spekulerer nu i, at informationen muligvis er gemt i den holografiske plade. "Måske falder information ikke rigtig ned i det sorte hul, men den forbliver på en måde i en sky uden for det sorte hul, som sandsynligvis strækker sig til fotonringen," sagde han. "Men vi forstår ikke, hvordan det er kodet derinde, eller præcis hvordan det fungerer."
En opfordring til teoretikere
Strominger og selskabets anelse om, at den holografiske dual lever i eller omkring fotonringen, er blevet mødt med skepsis af nogle kvantetyngdekraftsteoretikere, som ser det som en for dristig ekstrapolation fra ringens konforme symmetri. "Hvor den holografiske dual lever, er et meget dybere spørgsmål end: Hvad er symmetrien?" sagde Daniel Harlow, en kvantetyngdekraft og sorte hul-teoretiker ved Massachusetts Institute of Technology. Selvom han går ind for yderligere forskning i spørgsmålet, understreger Harlow, at en overbevisende holografisk dualitet i dette tilfælde skal vise, hvordan fotonringens egenskaber, såsom individuelle fotoners kredsløb og frekvenser, matematisk afspejler de finkornede kvantedetaljer i det sorte hul.
Ikke desto mindre sagde flere eksperter, at den nye forskning tilbyder en nyttig nål, som enhver foreslået holografisk dual skal tråde: Dualen skal være i stand til at kode det usædvanlige vibrationsmønster af et spindende sort hul, efter at det er blevet slået som en klokke. "At kræve kvantesystemet, der beskriver det sorte hul, reproducerer al den kompleksitet, er en utrolig stærk begrænsning - og en, som vi aldrig har prøvet at udnytte før," sagde Strominger. Eva Silverstein, en teoretisk fysiker ved Stanford University, sagde: "Det virker som et meget flot stykke teoretiske data for folk at prøve at reproducere, når de forsøger en holografisk dobbeltbeskrivelse."
Maldacena var enig og sagde: "Man vil gerne forstå, hvordan man inkorporerer dette i en holografisk dual. Så det vil nok stimulere noget forskning i den retning.”
Maloney har mistanke om, at fotonringens nyfundne symmetri vil anspore interesse blandt både teoretikere og observatører. Hvis håbede opgraderinger til Event Horizon-teleskopet bliver finansieret, kan det begynde at opdage fotonringe inden for et par år.
Fremtidige målinger af disse ringe vil dog ikke direkte teste holografi - snarere vil dataene tillade ekstreme test af generel relativitet nær sorte huller. Det er op til teoretikere at afgøre med pen-og-papir-beregninger, om strukturen af de uendelige lysfælder omkring sorte huller matematisk kan kryptere hemmelighederne indeni.
