Wenn Photonen in Richtung eines Schwarzen Lochs rasen, werden die meisten in seine Tiefen gesaugt, um nie wieder zurückzukehren, oder sanft abgelenkt. Einige wenige umgehen das Loch jedoch und machen eine Reihe abrupter Kehrtwendungen. Einige dieser Photonen umkreisen praktisch ewig das Schwarze Loch.
Von Astrophysikern als „kosmische Filmkamera“ und „unendliche Lichtfalle“ beschrieben, gehört der resultierende Ring aus umlaufenden Photonen zu den seltsamsten Phänomenen der Natur. Wenn Sie die Photonen erkennen, „werden Sie jedes Objekt im Universum unendlich oft sehen“, sagte er Sam Gralla, Physiker an der University of Arizona.
Aber im Gegensatz zum ikonischen Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs – der Grenze, innerhalb derer die Schwerkraft so stark ist, dass nichts entkommen kann – hat der Photonenring, der das weiter entfernte Loch umkreist, nie viel Aufmerksamkeit von Theoretikern erhalten. Es macht Sinn, dass sich Forscher mit dem Ereignishorizont beschäftigt haben, da er den Rand ihres Wissens über das Universum markiert. Überall im Kosmos verläuft die Gravitation mit Kurven in Raum und Zeit, wie sie von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie beschrieben werden. Aber die Raumzeit verzerrt sich so sehr in schwarzen Löchern, dass die allgemeine Relativitätstheorie dort zusammenbricht. Quantengravitationstheoretiker, die nach einer wahrheitsgetreueren Quantenbeschreibung der Schwerkraft suchen, haben daher nach Antworten am Horizont gesucht.
„Ich war der Ansicht, dass der Ereignishorizont das ist, was wir verstehen müssen“, sagte er Andreas Strominger, ein führender Theoretiker für Schwarze Löcher und Quantengravitation an der Harvard University. „Und ich hielt den Photonenring für eine Art technisches, kompliziertes Ding, das keine tiefere Bedeutung hatte.“
Jetzt macht Strominger seine eigene Kehrtwende und versucht, andere Theoretiker davon zu überzeugen, sich ihm anzuschließen. „Wir untersuchen aufgeregt die Möglichkeit, dass der Photonenring das ist, was man verstehen muss, um die Geheimnisse der Kerr-Schwarzen Löcher zu lüften“, sagte er und bezog sich auf die Art von sich drehenden Schwarzen Löchern, die entstehen, wenn Sterne sterben und durch Gravitation kollabieren . (Der Photonenring bildet sich gleichzeitig.)
In ein Papier online gestellt im Mai und vor kurzem zur Veröffentlichung angenommen in Klassische Quantengravitation, Strominger und seine Mitarbeiter enthüllten, dass der Photonenring um ein sich drehendes Schwarzes Loch eine unerwartete Art von Symmetrie hat – eine Möglichkeit, dass er transformiert werden kann und immer noch gleich bleibt. Die Symmetrie deutet darauf hin, dass der Ring Informationen über die Quantenstruktur des Lochs kodieren könnte. „Diese Symmetrie riecht nach etwas, das mit dem zentralen Problem des Verständnisses der Quantendynamik von Schwarzen Löchern zu tun hat“, sagte er. Die Entdeckung hat Forscher dazu veranlasst, darüber zu debattieren, ob der Photonenring überhaupt Teil des „holographischen Duals“ eines Schwarzen Lochs sein könnte – eines Quantensystems, das genau dem Schwarzen Loch selbst entspricht und von dem man sich vorstellen kann, dass das Schwarze Loch aus Gleichem hervorgeht ein Hologramm.
"Es eröffnet einen sehr interessanten Weg zum Verständnis der Holographie dieser [Schwarzloch-] Geometrien", sagte er Alex Maloney, ein Theoretiker an der McGill University in Kanada, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Die neue Symmetrie organisiert die Struktur von Schwarzen Löchern weit entfernt vom Ereignishorizont, und das finde ich sehr spannend.“
Es sind noch viel mehr theoretische Untersuchungen erforderlich, bevor die Forscher mit Sicherheit sagen können, ob oder auf welche Weise der Photonenring den inneren Inhalt eines Schwarzen Lochs codiert. Aber zumindest sagen Theoretiker, dass das neue Papier einen präzisen Test für jedes Quantensystem enthält, das behauptet, das holografische Dual des Schwarzen Lochs zu sein. „Es ist ein Ziel für eine holografische Beschreibung“, sagte er Juan Maldacena vom Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, einem der ursprünglichen Architekten der Holographie.
Versteckt im Photonenring
Ein Teil der Aufregung über den Photonenring besteht darin, dass er im Gegensatz zum Ereignishorizont tatsächlich sichtbar ist. Tatsächlich geschah Stromingers Kehrtwendung zu diesen Ringen aufgrund eines Fotos: dem allererstes Bild eines Schwarzen Lochs. Als das Event Horizon Telescope (EHT) es 2019 enthüllte, „habe ich geweint“, sagte er. „Es ist unglaublich schön.“
Euphorie verwandelte sich bald in Verwirrung. Das Schwarze Loch im Bild war von einem dicken Lichtring umgeben, aber die Physiker des EHT-Teams wussten nicht, ob dieses Licht das Produkt der chaotischen Umgebung des Lochs war oder ob es den Photonenring des Schwarzen Lochs enthielt. Sie wandten sich an Strominger und seine Theoretikerkollegen, um Hilfe bei der Interpretation des Bildes zu erhalten. Gemeinsam durchsuchten sie die riesige Datenbank mit Computersimulationen, die das EHT-Team verwendete, um die physikalischen Prozesse zu entwirren, die Licht um Schwarze Löcher herum erzeugen. In diesen simulierten Bildern konnten sie den dünnen, hellen Ring sehen, der in den größeren, unscharferen orangefarbenen Lichtring eingebettet war.
„Wenn Sie sich alle Simulationen ansehen, können Sie es nicht übersehen“, sagte er Shahar Hadar von der Universität Haifa in Israel, der während seiner Zeit in Harvard mit Strominger und den EHT-Physikern an der Forschung zusammengearbeitet hat. Die Bildung des Photonenrings scheint ein „universeller Effekt“ zu sein, der um alle Schwarzen Löcher herum auftritt, sagte Hadar.
Anders als der Strudel energiereicher kollidierender Teilchen und Felder, der Schwarze Löcher umgibt, stellten die Theoretiker fest, trägt die scharfe Linie des Photonenrings direkte Informationen über die Eigenschaften des Schwarzen Lochs, einschließlich seiner Masse und seines Spins. "Es ist definitiv die schönste und überzeugendste Art, das Schwarze Loch wirklich zu sehen", sagte Strominger.
Die Zusammenarbeit von Astronomen, Simulatoren und Theoretikern ergab, dass das eigentliche Foto des EHT, das das Schwarze Loch im Zentrum der nahen Galaxie Messier 87 zeigt, nicht scharf genug ist, um den Photonenring aufzulösen, obwohl er nicht weit entfernt ist. Sie stritten sich ein 2020-Papier dass künftige Teleskope mit höherer Auflösung Photonenringe leicht sehen sollten. (EIN neues Papier behauptet, den Ring im Bild des EHT von 2019 gefunden zu haben, indem er einen Algorithmus anwendete, um Schichten aus den Originaldaten zu entfernen, aber die Behauptung wurde mit Skepsis aufgenommen.)
Nachdem sie in den Simulationen so lange auf Photonenringe gestarrt hatten, begannen Strominger und seine Kollegen sich zu fragen, ob ihre Form auf eine noch tiefere Bedeutung hindeutete.
Eine überraschende Symmetrie
Photonen, die eine einzige Kehrtwendung um ein Schwarzes Loch machen und dann zur Erde rasen, würden uns als ein einziger Lichtring erscheinen. Photonen, die zwei U-Turns um das Loch machen, erscheinen als schwächerer, dünnerer Teilring innerhalb des ersten Rings. Und Photonen, die drei U-Turns machen, erscheinen als Teilring innerhalb dieses Teilrings und so weiter und erzeugen verschachtelte Ringe, jeder schwächer und dünner als der letzte.
Das Licht der inneren Unterringe hat mehr Umlaufbahnen zurückgelegt und wurde daher vor dem Licht der äußeren Unterringe eingefangen, was zu einer Reihe von zeitverzögerten Schnappschüssen des umgebenden Universums führte. „Zusammengenommen ähneln die Teilringe den Bildern eines Films und fangen die Geschichte des sichtbaren Universums aus der Sicht des Schwarzen Lochs ein“, schrieb die Zusammenarbeit in der 2020-Zeitung.
Strominger sagte, als er und seine Mitarbeiter sich die EHT-Bilder ansahen, „dachten wir: ‚Hey, es gibt eine unendliche Anzahl von Kopien des Universums genau dort auf diesem Bildschirm? Könnte das nicht der Ort sein, an dem das holografische Dual lebt?'“
Die Forscher erkannten, dass die konzentrische Struktur des Rings auf eine Gruppe von Symmetrien hindeutet, die als konforme Symmetrie bezeichnet werden. Ein System mit konformer Symmetrie weist eine „Skaleninvarianz“ auf, was bedeutet, dass es beim Vergrößern oder Verkleinern gleich aussieht. In diesem Fall ist jeder Photonen-Teilring eine exakte, verkleinerte Kopie des vorherigen Teilrings. Darüber hinaus bleibt ein konformsymmetrisches System dasselbe, wenn es zeitlich vorwärts oder rückwärts verschoben wird und wenn alle räumlichen Koordinaten invertiert, verschoben und dann wieder invertiert werden.
Strominger stieß in den 1990er Jahren auf winkeltreue Symmetrie, als sie in einem speziellen fünfdimensionalen Schwarzen Loch auftauchte, das er studierte. Durch genaues Verständnis der Details dieser Symmetrie, er und Cumrun Vafa ein gefunden neuartiger Weg die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenwelt zu verbinden, zumindest innerhalb dieser extremen Arten von Schwarzen Löchern. Sie stellten sich vor, das Schwarze Loch herauszuschneiden und seinen Ereignishorizont durch eine so genannte holografische Platte zu ersetzen, eine Oberfläche, die ein Quantensystem von Teilchen enthält, die die konforme Symmetrie respektieren. Sie zeigten, dass die Eigenschaften des Systems den Eigenschaften des Schwarzen Lochs entsprechen, als ob das Schwarze Loch ein höherdimensionales Hologramm des konformen Quantensystems wäre. Damit schlugen sie eine Brücke zwischen der Beschreibung eines Schwarzen Lochs nach der Allgemeinen Relativitätstheorie und seiner quantenmechanischen Beschreibung.
1997 weitete Maldacena dasselbe holografische Prinzip auf ein ganzes Spielzeuguniversum aus. Er entdeckte ein „Universum in einer Flasche“, bei dem ein konformsymmetrisches Quantensystem, das auf der Flaschenoberfläche lebt, die Eigenschaften von Raumzeit und Schwerkraft im Inneren der Flasche exakt abbildet. Es war, als wäre das Innere ein „Universum“, das wie ein Hologramm von seiner niederdimensionalen Oberfläche projiziert wurde.
Die Entdeckung veranlasste viele Theoretiker zu der Annahme, dass das wirkliche Universum ein Hologramm ist. Der Haken ist, dass sich Maldacenas Universum in einer Flasche von unserem unterscheidet. Es ist mit einer Art Raumzeit gefüllt, die negativ gekrümmt ist, was ihr eine flächenartige äußere Begrenzung verleiht. Unser Universum gilt als flach, und Theoretiker haben wenig Ahnung, wie das holografische Dual der flachen Raumzeit aussieht. „Wir müssen zur realen Welt zurückkehren und uns dabei von dem inspirieren lassen, was wir aus diesen hypothetischen Welten gelernt haben“, sagte Strominger.
Und so beschloss die Gruppe, ein realistisches rotierendes Schwarzes Loch zu untersuchen, das in einer flachen Raumzeit sitzt, wie sie vom Event Horizon Telescope fotografiert wurden. „Die ersten zu stellenden Fragen lauten: Wo lebt das holographische Dual? Und was sind die Symmetrien?“ sagte Hadar.
Auf der Suche nach dem holografischen Dual
Historisch gesehen hat sich die konforme Symmetrie als vertrauenswürdiger Leitfaden bei der Suche nach Quantensystemen erwiesen, die holographisch Systeme mit Gravitation abbilden. „Einem Quantengravitationstheoretiker winkeltreue Symmetrie und Schwarzes Loch in einem Satz zu sagen, ist wie mit rotem Fleisch vor einem Hund zu winken“, sagte Strominger.
Ausgehend von der Beschreibung von sich drehenden Schwarzen Löchern in der Allgemeinen Relativitätstheorie, genannt Kerr-Metrik, begann die Gruppe nach Hinweisen auf konforme Symmetrie zu suchen. Sie stellten sich vor, das Schwarze Loch mit einem Hammer zu schlagen, damit es wie eine Glocke klingelt. Diese langsam verblassenden Vibrationen sind wie die Gravitationswellen, die entstehen, wenn beispielsweise zwei Schwarze Löcher kollidieren. Das Schwarze Loch klingelt mit einigen Resonanzfrequenzen, die von der Form der Raumzeit (d. h. von der Kerr-Metrik) abhängen, so wie die Klingeltöne einer Glocke von ihrer Form abhängen.
Das genaue Schwingungsmuster herauszufinden, ist nicht machbar, weil die Kerr-Metrik so kompliziert ist. Also näherte sich das Team dem Muster an, indem es nur hochfrequente Schwingungen berücksichtigte, die durch einen sehr harten Aufprall auf das Schwarze Loch entstehen. Sie bemerkten eine Beziehung zwischen dem Wellenmuster bei diesen hohen Energien und der Struktur der Photonenringe des Schwarzen Lochs. Das Muster „stellt sich heraus, dass es vollständig vom Photonenring bestimmt wird“, sagte er Alex Lupsasca von der Vanderbilt Initiative for Gravity, Waves and Fluids in Tennessee, die das neue Papier gemeinsam mit Strominger, Hadar und Daniel Kapec von Harvard verfasst haben.
Ein entscheidender Moment kam im Sommer 2020 während der Covid-19-Pandemie. Auf dem Rasen vor dem Jefferson-Physiklabor von Harvard wurden Tafeln und Bänke aufgestellt, und die Forscher konnten sich endlich persönlich treffen. Sie fanden heraus, dass, wie die konforme Symmetrie, die jeden Photonenring mit dem nächsten Unterring in Beziehung setzt, die aufeinanderfolgenden Töne eines klingelnden Schwarzen Lochs durch konforme Symmetrie miteinander in Beziehung stehen. Diese Beziehung zwischen den Photonenringen und den Schwingungen des Schwarzen Lochs könnte ein „Vorbote“ der Holographie sein, sagte Strominger.
Ein weiterer Hinweis darauf, dass der Photonenring eine besondere Bedeutung haben könnte, ergibt sich aus der kontraintuitiven Art und Weise, wie der Ring mit der Geometrie des Schwarzen Lochs in Beziehung steht. „Es ist sehr, sehr seltsam“, sagte Hadar. „Wenn Sie sich entlang verschiedener Punkte auf dem Photonenring bewegen, sondieren Sie tatsächlich verschiedene Radien“ oder Tiefen in das Schwarze Loch.
Diese Ergebnisse implizieren für Strominger, dass der Photonenring und nicht der Ereignishorizont ein „natürlicher Kandidat“ für einen Teil der holografischen Platte eines sich drehenden Schwarzen Lochs ist.
Wenn dies der Fall ist, gibt es möglicherweise eine neue Möglichkeit, sich vorzustellen, was mit Informationen über Objekte passiert, die in Schwarze Löcher fallen – ein seit langem bestehendes Rätsel, das als Informationsparadoxon von Schwarzen Löchern bekannt ist. Aktuelle Berechnungen weisen darauf hin, dass diese Informationen irgendwie vom Universum aufbewahrt werden, während ein Schwarzes Loch langsam verdunstet. Strominger spekuliert nun, dass die Informationen in der holografischen Platte gespeichert sein könnten. „Vielleicht fallen Informationen nicht wirklich in das Schwarze Loch, aber sie bleiben irgendwie in einer Wolke außerhalb des Schwarzen Lochs, die sich wahrscheinlich bis zum Photonenring erstreckt“, sagte er. „Aber wir verstehen nicht, wie es dort codiert ist oder wie das genau funktioniert.“
Ein Aufruf an Theoretiker
Die Vermutung von Strominger und Co., dass das holografische Dual im oder um den Photonenring herum lebt, wurde von einigen Quantengravitationstheoretikern mit Skepsis aufgenommen, die dies als eine zu kühne Extrapolation aus der konformen Symmetrie des Rings ansehen. „Wobei das holografische Doppelleben eine viel tiefere Frage ist als: Was ist die Symmetrie?“ sagte Daniel Harlow, ein Theoretiker der Quantengravitation und des Schwarzen Lochs am Massachusetts Institute of Technology. Obwohl er weitere Forschung zu diesem Thema befürwortet, betont Harlow, dass eine überzeugende holografische Dualität in diesem Fall zeigen muss, wie die Eigenschaften des Photonenrings, wie etwa die Umlaufbahnen und Frequenzen einzelner Photonen, mathematisch auf die Feinkörnigkeit abgebildet werden Quantendetails des Schwarzen Lochs.
Dennoch sagten mehrere Experten, dass die neue Forschung eine nützliche Nadel bietet, die jedes vorgeschlagene holografische Dual einfädeln muss: Das Dual muss in der Lage sein, das ungewöhnliche Vibrationsmuster eines sich drehenden Schwarzen Lochs zu kodieren, nachdem es wie eine Glocke angeschlagen wurde. „Zu verlangen, dass das Quantensystem, das das Schwarze Loch beschreibt, all diese Komplexität reproduziert, ist eine unglaublich starke Einschränkung – und eine, die wir noch nie auszunutzen versucht haben“, sagte Strominger. Eva Silberstein, ein theoretischer Physiker an der Stanford University, sagte: „Es scheint ein sehr schönes Stück theoretischer Daten zu sein, das die Leute zu reproduzieren versuchen, wenn sie versuchen, eine holografische duale Beschreibung zu erstellen.“
Maldacena stimmte zu und sagte: „Man würde gerne verstehen, wie man dies in ein holographisches Dual integriert. Es wird also wahrscheinlich einige Forschungen in diese Richtung anregen.“
Maloney vermutet, dass die neu entdeckte Symmetrie des Photonenrings das Interesse von Theoretikern und Beobachtern wecken wird. Wenn die erhofften Upgrades des Event Horizon Telescope finanziert werden, könnte es innerhalb weniger Jahre damit beginnen, Photonenringe zu entdecken.
Zukünftige Messungen dieser Ringe werden die Holographie jedoch nicht direkt testen – vielmehr werden die Daten extreme Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie in der Nähe von Schwarzen Löchern ermöglichen. Es liegt an den Theoretikern, mit Stift-und-Papier-Berechnungen zu bestimmen, ob die Struktur der unendlichen Lichtfallen um schwarze Löcher die Geheimnisse darin mathematisch verschlüsseln kann.
