Kui footonid tormavad musta augu poole, imetakse suurem osa selle sügavustesse, et mitte kunagi tagasi pöörduda või suunatakse õrnalt eemale. Haruldased vähesed aga ääristavad auku, tehes rea järske tagasipöördeid. Mõned neist footonitest tiirlevad musta augu ümber praktiliselt igavesti.
Astrofüüsikud kirjeldavad seda kui "kosmilist filmikaamerat" ja "lõpmatu valguse lõksu", mille tulemusena tekkiv tiirlevate footonite ring on üks veidramaid nähtusi looduses. Kui avastate footonid, "näete universumi kõiki objekte lõpmatult palju kordi," ütles Sam Gralla, Arizona ülikooli füüsik.
Kuid erinevalt musta augu ikoonilisest sündmuste horisondist - piirist, mille sees gravitatsioon on nii tugev, et miski ei saa põgeneda - pole auku kaugemal orbiidil olev footonirõngas kunagi teoreetikutelt erilist tähelepanu pälvinud. On mõistlik, et teadlasi on hõivanud sündmuste horisont, kuna see tähistab nende universumiteadmiste serva. Suuremas osas kosmosest jälgib gravitatsioon kõverate ruumis ja ajas, nagu on kirjeldatud Albert Einsteini üldises relatiivsusteoorias. Kuid aegruum kõverdub mustade aukude sees nii palju, et üldrelatiivsusteooria seal laguneb. Kvantgravitatsiooni teoreetikud, kes otsivad gravitatsiooni tõesemat kvantkirjeldust, on seetõttu vaadanud vastuseid silmapiirilt.
"Olin seisukohal, et sündmuste horisont on see, millest me peame aru saama," ütles Andrew Strominger, Harvardi ülikooli juhtiv musta augu ja kvantgravitatsiooni teoreetik. "Ja ma arvasin, et footonrõngas on mingi tehniline ja keeruline asi, millel ei olnud sügavat tähtsust."
Nüüd teeb Strominger oma kannapöörde ja püüab veenda teisi teoreetikuid endaga ühinema. "Uurime põnevusega võimalust, et footonirõngas on asi, mida peate mõistma, et avada Kerri mustade aukude saladused," ütles ta, viidates pöörlevatele mustadele aukudele, mis tekivad tähtede suremisel ja gravitatsioonilise kokkuvarisemise korral. . (Fotoniring moodustub samaaegselt.)
In paber postitati veebis mais ja hiljuti avaldamiseks vastu võetud in Klassikaline kvantgravitatsioon, Strominger ja tema kaastöötajad paljastasid, et pöörleva musta augu ümber oleval footonirõngal on ootamatu sümmeetria – viis, kuidas seda saab teisendada ja ikkagi samaks jääda. Sümmeetria viitab sellele, et rõngas võib kodeerida teavet augu kvantstruktuuri kohta. "See sümmeetria lõhnab nagu midagi pistmist mustade aukude kvantdünaamika mõistmise keskse probleemiga," ütles ta. Avastus on pannud teadlasi arutlema selle üle, kas footonirõngas võib isegi olla osa musta augu "holograafilisest duaalist" - kvantsüsteemist, mis on täpselt samaväärne musta augu endaga ja millest võib arvata, et must auk on tekkinud. hologramm.
"See avab väga huvitava tee nende [musta augu] geomeetriate holograafia mõistmiseks," ütles Alex Maloney, Kanada McGilli ülikooli teoreetik, kes ei osalenud uuringus. "Uus sümmeetria korraldab mustade aukude struktuuri sündmuste horisondist kaugel ja minu arvates on see väga põnev."
Enne kui teadlased saavad kindlalt öelda, kas footonirõngas kodeerib musta augu sisemist sisu, on vaja palju rohkem teoreetilisi uuringuid. Kuid vähemalt väidavad teoreetikud, et uues dokumendis on üksikasjalikult kirjeldatud iga kvantsüsteemi täpset testi, mis väidab end olevat musta augu holograafiline duaal. "See on holograafilise kirjelduse sihtmärk," ütles Juan Maldacena New Jersey osariigis Princetonis asuvast Advanced Study Institute for Advanced Study instituudist, kes on üks holograafia algupäraseid arhitekte.
Peidus footonrõngas
Osa footonrõnga põnevusest on see, et erinevalt sündmuste horisondist on see tegelikult nähtav. Tegelikult juhtus Stromingeri tagasipööre nende rõngaste poole foto tõttu: esimene pilt mustast august. Kui Event Horizon Telescope (EHT) selle 2019. aastal avalikustas, "Ma nutsin," ütles ta. "See on hämmastavalt ilus."
Rõõmustus läks peagi segadusse. Pildil oleva musta augu ümber oli paks valgusrõngas, kuid EHT meeskonna füüsikud ei teadnud, kas see valgus oli augu kaootilise ümbritseva keskkonna tulemus või sisaldas see musta augu footonirõngast. Nad pöördusid Stromingeri ja tema teoreetikute kolleegide poole, et saada abi pildi tõlgendamisel. Koos sirvisid nad tohutut arvutisimulatsioonide andmepanka, mida EHT meeskond kasutas mustade aukude ümber valgust tekitavate füüsiliste protsesside lahutamiseks. Nendel simuleeritud piltidel võisid nad näha õhukest heledat rõngast, mis oli põimitud suuremasse ja ähmasemasse oranži valguse sõõrikusse.
"Kui vaatate kõiki simulatsioone, ei saa te sellest mööda vaadata, " ütles Šahar Hadar Iisraeli Haifa ülikoolist, kes tegi Harvardis uurimistöös koostööd Stromingeri ja EHT füüsikutega. Footonirõnga moodustumine näib olevat "universaalne efekt", mis toimub kõigi mustade aukude ümber, ütles Hadar.
Teoreetikud leidsid, et erinevalt energeetiliste põrkuvate osakeste ja väljade keerisest, mis ümbritseb musti auke, kannab footonirõnga terav joon otsest teavet musta augu omaduste, sealhulgas selle massi ja spinni suuruse kohta. "See on kindlasti kõige ilusam ja mõjuvam viis musta auku tõeliselt näha," ütles Strominger.
Astronoomide, simulaatorite ja teoreetikute koostöös leiti, et EHT tegelik foto, mis näitab lähedalasuva galaktika Messier 87 keskel asuvat musta auku, ei ole footonirõnga lahendamiseks piisavalt terav, kuigi see pole kaugel. Nad vaidlesid sisse 2020i paber et tulevased kõrgema eraldusvõimega teleskoobid peaksid footonrõngaid kergesti nägema. (A uus paber väidab, et leidis sõrmuse EHT 2019. aasta pildilt, rakendades algandmetest kihtide eemaldamise algoritmi, kuid väitesse suhtutakse skeptiliselt.)
Siiski, olles simulatsioonides nii kaua footonrõngaid vahtinud, hakkasid Strominger ja tema kolleegid mõtlema, kas nende kuju vihjab veelgi sügavamale tähendusele.
Üllatav sümmeetria
Footonid, mis teevad ühe kannapöörde ümber musta augu ja tõmbuvad seejärel Maa poole, näivad meile ühe valgusrõngana. Footonid, mis teevad kaks tagasipööret ümber augu, paistavad esimeses rõngas nõrgema ja õhema alamrõngana. Ja footonid, mis teevad kolm U-pööret, paistavad alamrõngana selles alamrõngas ja nii edasi, luues pesastatud rõngaid, millest igaüks on nõrgem ja õhem kui eelmine.
Sisemistest alamrõngastest pärinev valgus on teinud rohkem tiire ja seetõttu püüti see kinni enne välimiste alamrõngaste valgust, mille tulemuseks on mitmeid viivitusega pilte ümbritsevast universumist. "Koos on alamrõngaste komplekt sarnane filmi kaadritega, jäädvustades nähtava universumi ajalugu mustast august vaadatuna," kirjutas koostöö 2020. aasta artiklis.
Strominger ütles, et kui tema ja ta kaastöötajad EHT-pilte vaatasid, "olime nagu:" Hei, sellel ekraanil on lõpmatu arv universumi koopiaid? Kas see ei võiks olla koht, kus holograafiline duaal elab?”
Teadlased mõistsid, et rõnga kontsentriline struktuur viitab sümmeetriate rühmale, mida nimetatakse konformseks sümmeetriaks. Konformaalse sümmeetriaga süsteemil on "skaala invariantsus", mis tähendab, et see näeb sisse või välja suumimisel sama välja. Sel juhul on iga footoni alamring eelmise alamringi täpne, demagnifitseeritud koopia. Veelgi enam, konformselt sümmeetriline süsteem jääb samaks, kui seda ajas edasi või tagasi tõlgida ning kui kõik ruumilised koordinaadid on ümber pööratud, nihutatud ja seejärel uuesti ümber pööratud.
Strominger kohtas konformset sümmeetriat 1990. aastatel, kui see ilmus spetsiaalses viiemõõtmelises mustas augus, mida ta uuris. Mõistes täpselt selle sümmeetria üksikasju, ta ja Cumrun Vafa leitud a uudne viis et ühendada üldrelatiivsusteooria kvantmaailmaga, vähemalt nendes äärmuslikes mustades aukudes. Nad kujutasid ette, et lõikavad musta augu välja ja asendavad selle sündmuste horisondi nn holograafilise plaadiga, pinnaga, mis sisaldab konformset sümmeetriat austavat osakeste kvantsüsteemi. Nad näitasid, et süsteemi omadused vastavad musta augu omadustele, justkui oleks must auk konformse kvantsüsteemi kõrgema mõõtmega hologramm. Nii ehitasid nad silla musta augu üldrelatiivsusteooria kirjelduse ja selle kvantmehaanilise kirjelduse vahele.
1997. aastal laiendas Maldacena seda sama holograafilist põhimõtet tervele mänguasjauniversumile. Ta avastas "universum pudelis”, milles pudeli pinnal elav konformselt sümmeetriline kvantsüsteem on täpselt kaardistatud pudeli sisemuses oleva aegruumi ja gravitatsiooni omadustega. Tundus, nagu oleks sisemus "universum", mis projitseerub oma madalama mõõtmega pinnalt nagu hologramm.
Avastus pani paljud teoreetikud uskuma, et tegelik universum on hologramm. Probleem on selles, et Maldacena pudelis olev universum erineb meie omast. See on täidetud teatud tüüpi aegruumiga, mis on negatiivselt kõverdatud, mis annab sellele pinnataolise välispiiri. Arvatakse, et meie universum on tasane ja teoreetikutel on vähe aimu, milline näeb välja tasase aegruumi holograafiline duaal. "Peame naasma reaalsesse maailma, saades samas inspiratsiooni sellest, mida me nendest hüpoteetilistest maailmadest õppisime," ütles Strominger.
Ja nii otsustas rühm uurida realistlikku pöörlevat musta auku, mis istub tasapinnalises aegruumis, nagu need, mida pildistas Event Horizon Telescope. „Esimesed küsimused, mida küsida, on: kus elab holograafiline duaal? Ja millised on sümmeetriad? ütles Hadar.
Holograafilise duaali otsimine
Ajalooliselt on konformne sümmeetria osutunud usaldusväärseks juhendiks kvantsüsteemide otsimisel, mis kaardistavad holograafiliselt gravitatsiooniga süsteeme. "Kvantgravitatsiooni teoreetikule samas lauses konformse sümmeetria ja musta augu ütlemine on nagu koera ees punase liha lehvitamine," ütles Strominger.
Alustades üldrelatiivsusteoorias keerlevate mustade aukude kirjeldusest, mida nimetatakse Kerri meetrikaks, hakkas rühm otsima vihjeid konformaalsele sümmeetriale. Nad kujutasid ette, et löövad musta auku haamriga, et see helisema nagu kelluke. Need aeglaselt vaibuvad vibratsioonid on nagu gravitatsioonilained, mis tekivad, kui näiteks kaks musta auku kokku põrkuvad. Must auk heliseb teatud resonantssagedustega, mis sõltuvad aegruumi kujust (st Kerri meetrikast), nagu kella helinad sõltuvad selle kujust.
Täpse vibratsioonimustri väljaselgitamine on võimatu, kuna Kerri mõõdik on nii keeruline. Nii et meeskond lähenes mustrile, võttes arvesse ainult kõrgsageduslikke vibratsioone, mis tulenevad musta augu tugevast tabamisest. Nad märkasid seost nende kõrgete energiate lainete mustri ja musta augu footonrõngaste struktuuri vahel. Muster "osub, et seda juhib täielikult footonirõngas", ütles Alex Lupsasca Tennessees asuvast Vanderbilti gravitatsiooni, lainete ja vedelike algatusest, kes kirjutas uue artikli koos Stromingeri, Hadari ja Daniel Kapeciga Harvardist.
Pöördeline hetk saabus 2020. aasta suvel Covid-19 pandeemia ajal. Harvardi Jeffersoni füüsikalabori juures oli murule üles seatud tahvlid ja pingid ning teadlased said lõpuks isiklikult kohtuda. Nad selgitasid välja, et nagu konformne sümmeetria, mis seob iga footonirõnga järgmise alamrõngaga, on heliseva musta augu järjestikused toonid omavahel seotud konformse sümmeetriaga. See fotonirõngaste ja mustade aukude vibratsiooni vaheline suhe võib olla holograafia "kuulutaja", ütles Strominger.
Veel üks vihje, et footonirõngal võib olla eriline tähtsus, tuleneb vastupidisest intuitiivsest viisist, kuidas rõngas on seotud musta augu geomeetriaga. "See on väga-väga imelik," ütles Hadar. "Kui liigute mööda footonirõnga erinevaid punkte, siis tegelikult uurite musta auku erinevaid raadiusi" või sügavusi.
Need leiud viitavad Stromingerile, et fotonirõngas, mitte sündmuste horisont, on pöörleva musta augu holograafilise plaadi "looduslik kandidaat".
Kui jah, siis võib olla uus viis kujutada, mis juhtub teabega objektide kohta, mis langevad mustadesse aukudesse – see on pikaajaline mõistatus, mida tuntakse musta augu teabe paradoksina. Viimased arvutused näitavad, et universum säilitab selle teabe mingil moel, kuna must auk aeglaselt aurustub. Strominger oletab nüüd, et teave võib olla salvestatud holograafilisele plaadile. "Võib-olla ei satu teave tegelikult musta auku, kuid see jääb justkui pilve ümber mustast august väljapoole, mis tõenäoliselt ulatub footonirõngani," ütles ta. "Kuid me ei saa aru, kuidas see seal on kodeeritud või kuidas see täpselt töötab."
Üleskutse teoreetikutele
Mõned kvantgravitatsiooni teoreetikud on suhtunud skepsisega Stromingeri ja ettevõtte arusaamale, et holograafiline duaal elab footonirõngas või selle ümbruses, kuna nad peavad seda liiga julgeks ekstrapoleerimiseks rõnga konformaalsest sümmeetriast. "Kus holograafiline kahene elu on palju sügavam küsimus kui: mis on sümmeetria?" ütles Daniel Harlow, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi kvantgravitatsiooni ja mustade aukude teoreetik. Kuigi ta pooldab selle teema edasist uurimist, rõhutab Harlow, et veenev holograafiline kahesus peab sel juhul näitama, kuidas footonirõnga omadused, nagu üksikute footonite orbiidid ja sagedused, kattuvad matemaatiliselt peeneteralisega. musta augu kvantdetailid.
Sellegipoolest ütlesid mitmed eksperdid, et uus uurimus pakub kasulikku nõela, mille iga kavandatav holograafiline duaal peab keermestama: duaal peab suutma kodeerida pöörleva musta augu ebatavalist vibratsioonimustrit pärast seda, kui see on kella löönud. "Musta auku kirjeldava kvantsüsteemi nõudmine taastoodab kogu selle keerukuse on uskumatult võimas piirang - ja see, mida me pole kunagi varem proovinud ära kasutada," ütles Strominger. Eva SilversteinStanfordi ülikooli teoreetiline füüsik ütles: "See tundub olevat väga kena teoreetiliste andmete tükk, mida inimesed üritavad reprodutseerida, kui nad üritavad holograafilist kahekordset kirjeldust."
Maldacena nõustus, öeldes: "Tahaks mõista, kuidas seda holograafilisse duaali lisada. Nii et see tõenäoliselt stimuleerib mõningaid uuringuid selles suunas.
Maloney kahtlustab, et footonrõnga äsja leitud sümmeetria äratab huvi nii teoreetikute kui ka vaatlejate seas. Kui Event Horizon Telescope'i loodetud uuendusi rahastatakse, võib see mõne aasta jooksul hakata tuvastama footonrõngaid.
Nende rõngaste tulevased mõõtmised ei testi siiski otseselt holograafiat - pigem võimaldavad andmed mustade aukude lähedal üldrelatiivsusteooria äärmuslikke teste. Teoreetikute ülesanne on pliiatsi ja paberi arvutustega kindlaks teha, kas mustade aukude ümber olevate lõpmatute valguslõksude struktuur suudab nendes olevaid saladusi matemaatiliselt krüpteerida.
