Cuando los fotones se precipitan hacia un agujero negro, la mayoría son absorbidos por sus profundidades, para no volver jamás, o se desvían suavemente. Unos pocos, sin embargo, bordean el agujero, haciendo una serie de giros en U abruptos. Algunos de estos fotones siguen dando vueltas al agujero negro prácticamente para siempre.
Descrito por los astrofísicos como una "cámara de cine cósmica" y una "trampa de luz infinita", el anillo resultante de fotones en órbita se encuentra entre los fenómenos más extraños de la naturaleza. Si detectas los fotones, "vas a ver cada objeto en el universo infinitamente muchas veces", dijo Sam Gralla, físico de la Universidad de Arizona.
Pero a diferencia del horizonte de eventos icónico de un agujero negro, el límite dentro del cual la gravedad es tan fuerte que nada puede escapar, el anillo de fotones, que orbita el agujero más lejos, nunca ha recibido mucha atención por parte de los teóricos. Tiene sentido que los investigadores se hayan preocupado por el horizonte de eventos, ya que marca el límite de su conocimiento sobre el universo. A lo largo de la mayor parte del cosmos, la gravedad sigue curvas en el espacio y el tiempo, tal como lo describe la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. Pero el espacio-tiempo se deforma tanto dentro de los agujeros negros que la relatividad general falla allí. Por lo tanto, los teóricos de la gravedad cuántica que buscan una descripción cuántica más verdadera de la gravedad han buscado respuestas en el horizonte.
“Había tomado la opinión de que el horizonte de eventos era lo que necesitábamos entender”, dijo andres strominger, un destacado teórico de los agujeros negros y la gravedad cuántica de la Universidad de Harvard. "Y pensé en el anillo de fotones como una especie de cosa técnica y complicada que no tenía ningún significado profundo".
Ahora Strominger está dando su propio giro en U y tratando de convencer a otros teóricos para que se unan a él. "Estamos explorando, con entusiasmo, la posibilidad de que el anillo de fotones sea lo que tienes que entender para descubrir los secretos de los agujeros negros de Kerr", dijo, refiriéndose al tipo de agujeros negros giratorios que se crean cuando las estrellas mueren y colapsan gravitacionalmente. . (El anillo de fotones se forma al mismo tiempo).
In un papel publicado en línea en mayo y recientemente aceptado para publicación in Gravedad cuántica clásica, Strominger y sus colaboradores revelaron que el anillo de fotones alrededor de un agujero negro giratorio tiene un tipo inesperado de simetría, una forma en que puede transformarse y seguir siendo el mismo. La simetría sugiere que el anillo puede codificar información sobre la estructura cuántica del agujero. “Esta simetría huele a algo que tiene que ver con el problema central de comprender la dinámica cuántica de los agujeros negros”, dijo. El descubrimiento ha llevado a los investigadores a debatir si el anillo de fotones podría incluso ser parte del "dual holográfico" de un agujero negro, un sistema cuántico que es exactamente equivalente al propio agujero negro, y del cual se puede pensar que el agujero negro emerge como un holograma
"Abre una vía muy interesante para comprender la holografía de estas geometrías [de agujeros negros]", dijo alex maloney, un teórico de la Universidad McGill en Canadá que no participó en la investigación. “La nueva simetría organiza la estructura de los agujeros negros lejos del horizonte de sucesos y creo que eso es muy emocionante”.
Se necesita mucho más estudio teórico antes de que los investigadores puedan decir con certeza si, o de qué manera, el anillo de fotones codifica el contenido interno de un agujero negro. Pero al menos, los teóricos dicen que el nuevo artículo ha detallado una prueba precisa para cualquier sistema cuántico que afirme ser el dual holográfico del agujero negro. "Es un objetivo para una descripción holográfica", dijo Juan Maldacena del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey, uno de los arquitectos originales de la holografía.
Escondiéndose en el anillo de fotones
Parte del entusiasmo por el anillo de fotones es que, a diferencia del horizonte de sucesos, en realidad es visible. De hecho, el cambio de sentido de Strominger hacia estos anillos se debió a una fotografía: el primera imagen de un agujero negro. Cuando el Event Horizon Telescope (EHT) lo reveló en 2019, "lloré", dijo. "Es increíblemente hermoso".
La euforia pronto se convirtió en confusión. El agujero negro en la imagen tenía un grueso anillo de luz a su alrededor, pero los físicos del equipo EHT no sabían si esta luz era el producto del entorno caótico del agujero o si incluía el anillo de fotones del agujero negro. Acudieron a Strominger y sus colegas teóricos en busca de ayuda para interpretar la imagen. Juntos, exploraron el enorme banco de datos de simulaciones por computadora que el equipo de EHT estaba usando para desentrañar los procesos físicos que producen luz alrededor de los agujeros negros. En estas imágenes simuladas, pudieron ver el anillo delgado y brillante incrustado en la dona de luz naranja más grande y borrosa.
“Cuando miras todas las simulaciones, no te lo puedes perder”, dijo Shahar Hadar de la Universidad de Haifa en Israel, que colaboró con Strominger y los físicos de EHT en la investigación mientras estaba en Harvard. La formación del anillo de fotones parece ser un "efecto universal" que ocurre alrededor de todos los agujeros negros, dijo Hadar.
A diferencia de la vorágine de partículas energéticas que chocan y los campos que rodean a los agujeros negros, determinaron los teóricos, la línea nítida del anillo de fotones lleva información directa sobre las propiedades del agujero negro, incluida su masa y la cantidad de giro. “Definitivamente es la forma más hermosa y convincente de ver realmente el agujero negro”, dijo Strominger.
La colaboración de astrónomos, simuladores y teóricos descubrió que la fotografía real del EHT, que muestra el agujero negro en el centro de la galaxia cercana Messier 87, no es lo suficientemente nítida para resolver el anillo de fotones, aunque no está muy lejos. discutieron en un papel 2020 que los futuros telescopios de mayor resolución deberían ver fácilmente los anillos de fotones. (A nuevo documento afirma haber encontrado el anillo en la imagen del EHT de 2019 aplicando un algoritmo para eliminar capas de los datos originales, pero la afirmación ha sido recibida con escepticismo).
Aún así, después de haber observado los anillos de fotones durante tanto tiempo en las simulaciones, Strominger y sus colegas comenzaron a preguntarse si su forma insinuaba un significado aún más profundo.
Una simetría sorprendente
Los fotones que hacen un solo giro en U alrededor de un agujero negro y luego se deslizan hacia la Tierra nos parecerían como un solo anillo de luz. Los fotones que dan dos vueltas en U alrededor del agujero aparecen como un subanillo más débil y delgado dentro del primer anillo. Y los fotones que hacen tres vueltas en U aparecen como un subanillo dentro de ese subanillo, y así sucesivamente, creando anillos anidados, cada uno más débil y delgado que el anterior.
La luz de los subanillos internos ha realizado más órbitas y, por lo tanto, fue capturada antes que la luz de los subanillos externos, lo que resultó en una serie de instantáneas con retraso en el tiempo del universo circundante. “Juntos, el conjunto de subanillos es similar a los fotogramas de una película, capturando la historia del universo visible visto desde el agujero negro”, escribió la colaboración en el artículo de 2020.
Strominger dijo que cuando él y sus colaboradores miraron las imágenes de EHT, “dijimos: 'Oye, ¿hay un número infinito de copias del universo justo ahí en esa pantalla? ¿No podría ser ahí donde vive el dual holográfico?'”
Los investigadores se dieron cuenta de que la estructura concéntrica del anillo sugiere un grupo de simetrías llamadas simetría conforme. Un sistema que tiene simetría conforme exhibe "invariancia de escala", lo que significa que se ve igual cuando se acerca o se aleja. En este caso, cada subanillo de fotones es una copia exacta y desmagnificada del subanillo anterior. Además, un sistema con simetría conforme permanece igual cuando se traslada hacia adelante o hacia atrás en el tiempo y cuando todas las coordenadas espaciales se invierten, se desplazan y luego se invierten nuevamente.
Strominger encontró la simetría conforme en la década de 1990 cuando apareció en un tipo especial de agujero negro de cinco dimensiones que estaba estudiando. Al comprender con precisión los detalles de esta simetría, él y Cumrun Vafa encontrado una forma novedosa conectar la relatividad general con el mundo cuántico, al menos dentro de estos tipos extremos de agujeros negros. Se imaginaron cortando el agujero negro y reemplazando su horizonte de eventos con lo que llamaron una placa holográfica, una superficie que contiene un sistema cuántico de partículas que respetan la simetría conforme. Demostraron que las propiedades del sistema corresponden a las propiedades del agujero negro, como si el agujero negro fuera un holograma de dimensión superior del sistema cuántico conforme. De esta manera, construyeron un puente entre la descripción de un agujero negro según la relatividad general y su descripción mecánica cuántica.
En 1997, Maldacena extendió este mismo principio holográfico a todo un universo de juguetes. Descubrió un “universo en una botella”, en el que un sistema cuántico conformalmente simétrico que vive en la superficie de la botella se mapea exactamente en las propiedades del espacio-tiempo y la gravedad en el interior de la botella. Era como si el interior fuera un "universo" que se proyectaba desde su superficie de menor dimensión como un holograma.
El descubrimiento llevó a muchos teóricos a creer que el universo real es un holograma. El problema es que el universo de Maldacena en una botella es diferente al nuestro. Está lleno de un tipo de espacio-tiempo que tiene una curvatura negativa, lo que le da un límite exterior similar a una superficie. Se cree que nuestro universo es plano, y los teóricos tienen poca idea de cómo es el dual holográfico del espacio-tiempo plano. “Necesitamos volver al mundo real, mientras nos inspiramos en lo que aprendimos de estos mundos hipotéticos”, dijo Strominger.
Y así, el grupo decidió estudiar un agujero negro giratorio realista ubicado en un espacio-tiempo plano, como los fotografiados por el Event Horizon Telescope. “Las primeras preguntas que hay que hacerse son: ¿Dónde vive el dual holográfico? ¿Y cuáles son las simetrías? dijo Hadar.
Buscando el dual holográfico
Históricamente, la simetría conforme ha demostrado ser una guía confiable en la búsqueda de sistemas cuánticos que se mapean holográficamente en sistemas con gravedad. “Decir simetría conforme y agujero negro en la misma oración a un teórico de la gravedad cuántica es como agitar carne roja frente a un perro”, dijo Strominger.
A partir de la descripción de los agujeros negros giratorios en la relatividad general, llamada métrica de Kerr, el grupo comenzó a buscar indicios de simetría conforme. Se imaginaron golpeando el agujero negro con un martillo para hacerlo sonar como una campana. Estas vibraciones que se desvanecen lentamente son como las ondas gravitatorias creadas cuando, por ejemplo, chocan dos agujeros negros. El agujero negro sonará con algunas frecuencias resonantes que dependen de la forma del espacio-tiempo (es decir, de la métrica de Kerr) al igual que los tonos de llamada de una campana dependen de su forma.
Averiguar el patrón exacto de vibraciones es inviable porque la métrica de Kerr es muy complicada. Entonces, el equipo se aproximó al patrón considerando solo las vibraciones de alta frecuencia, que resultan de golpear el agujero negro con mucha fuerza. Notaron una relación entre el patrón de ondas a estas altas energías y la estructura de los anillos de fotones del agujero negro. El patrón "resulta estar completamente gobernado por el anillo de fotones", dijo Alex Lupsasca de la Iniciativa Vanderbilt para la gravedad, las ondas y los fluidos en Tennessee, coautor del nuevo artículo con Strominger, Hadar y Daniel Kapec de Harvard.
Un momento crucial llegó en el verano de 2020 durante la pandemia de Covid-19. Se instalaron pizarras y bancos en el césped fuera del laboratorio de física Jefferson de Harvard, y los investigadores finalmente pudieron reunirse en persona. Descubrieron que, al igual que la simetría conforme que relaciona cada anillo de fotones con el siguiente subanillo, los tonos sucesivos de un agujero negro sonoro están relacionados entre sí por simetría conforme. Esta relación entre los anillos de fotones y las vibraciones de los agujeros negros podría ser un "presagio" de la holografía, dijo Strominger.
Otra pista de que el anillo de fotones puede tener un significado especial proviene de la forma contradictoria en que el anillo se relaciona con la geometría del agujero negro. “Es muy, muy extraño”, dijo Hadar. “A medida que te mueves a lo largo de diferentes puntos en el anillo de fotones, en realidad estás sondeando diferentes radios” o profundidades en el agujero negro.
Estos hallazgos implican para Strominger que el anillo de fotones, en lugar del horizonte de sucesos, es un "candidato natural" para formar parte de la placa holográfica de un agujero negro giratorio.
Si es así, puede haber una nueva forma de imaginar lo que sucede con la información sobre los objetos que caen en los agujeros negros, un misterio de larga data conocido como la paradoja de la información del agujero negro. Cálculos recientes indican que esta información es preservada de alguna manera por el universo a medida que un agujero negro se evapora lentamente. Strominger ahora especula que la información podría estar almacenada en la placa holográfica. "Tal vez la información no cae realmente en el agujero negro, sino que permanece en una nube alrededor del agujero negro, que probablemente se extiende hasta el anillo de fotones", dijo. “Pero no entendemos cómo está codificado allí, o exactamente cómo funciona”.
Un llamado a los teóricos
La intuición de Strominger y compañía de que el dual holográfico vive dentro o alrededor del anillo de fotones ha sido recibida con escepticismo por algunos teóricos de la gravedad cuántica, que la ven como una extrapolación demasiado audaz de la simetría conforme del anillo. “Dónde vive el dual holográfico es una pregunta mucho más profunda que: ¿Cuál es la simetría?” dijo daniel harlow, un teórico de la gravedad cuántica y del agujero negro del Instituto Tecnológico de Massachusetts. Aunque está a favor de más investigaciones sobre el tema, Harlow enfatiza que una dualidad holográfica convincente, en este caso, debe mostrar cómo las propiedades del anillo de fotones, como las órbitas y frecuencias de los fotones individuales, se asignan matemáticamente a la estructura de grano fino. detalles cuánticos del agujero negro.
Sin embargo, varios expertos dijeron que la nueva investigación ofrece una aguja útil que cualquier dual holográfico propuesto debe enhebrar: el dual debe poder codificar el patrón de vibración inusual de un agujero negro giratorio después de haber sido golpeado como una campana. “Exigir que el sistema cuántico que describe el agujero negro reproduzca toda esa complejidad es una restricción increíblemente poderosa, y una que nunca antes habíamos intentado explotar”, dijo Strominger. Eva Silverstein, un físico teórico de la Universidad de Stanford, dijo: "Parece una muy buena pieza de datos teóricos para que las personas intenten reproducir cuando intentan una descripción dual holográfica".
Maldacena estuvo de acuerdo y dijo: “A uno le gustaría entender cómo incorporar esto en un dual holográfico. Así que probablemente estimulará algunas investigaciones en esa dirección”.
Maloney sospecha que la nueva simetría del anillo de fotones despertará el interés tanto de los teóricos como de los observadores. Si se financian las actualizaciones esperadas del Event Horizon Telescope, podría comenzar a detectar anillos de fotones en unos pocos años.
Sin embargo, las mediciones futuras de estos anillos no probarán directamente la holografía; más bien, los datos permitirán pruebas extremas de la relatividad general cerca de los agujeros negros. Depende de los teóricos determinar con cálculos de lápiz y papel si la estructura de las infinitas trampas de luz alrededor de los agujeros negros puede encriptar matemáticamente los secretos que contienen.
