Kun fotonit kiemurtelevat kohti mustaa aukkoa, useimmat imetään sen syvyyksiin, eivät koskaan palaa takaisin tai taivutetaan varovasti poispäin. Harvinaiset kuitenkin kiertävät reiän ja tekevät sarjan äkillisiä U-käännöksiä. Jotkut näistä fotoneista kiertävät mustaa aukkoa käytännössä ikuisesti.
Astrofyysikot kuvailevat sitä "kosmikseksi elokuvakameraksi" ja "äärettömäksi valoloukkuksi", ja tuloksena oleva kiertävien fotonien rengas on yksi luonnon oudoimmista ilmiöistä. Jos havaitset fotonit, "näet jokaisen universumin kohteen äärettömän monta kertaa", sanoi Sam Gralla, fyysikko Arizonan yliopistosta.
Mutta toisin kuin mustan aukon ikoninen tapahtumahorisontti - raja, jonka sisällä gravitaatio on niin vahva, ettei mikään voi paeta - kauempana reikää kiertävä fotonirengas ei ole koskaan saanut paljon huomiota teoreetikoilta. On järkevää, että tutkijat ovat olleet kiinnostuneita tapahtumahorisontista, koska se merkitsee heidän tietämyksensä maailmankaikkeudesta reunaa. Suurimmassa osassa kosmosta painovoima seuraa käyriä avaruudessa ja ajassa Albert Einsteinin yleisessä suhteellisuusteoriassa kuvatulla tavalla. Mutta aika-avaruus vääntyy mustien aukkojen sisällä niin paljon, että yleinen suhteellisuusteoria hajoaa siellä. Todellisempaa kvanttikuvausta gravitaatiosta etsivät kvanttigravitaation teoreetikot ovat siksi etsineet vastauksia horisontista.
"Olin omaksunut, että tapahtumahorisontti oli se, mitä meidän piti ymmärtää", sanoi Andrew Strominger, johtava mustan aukon ja kvanttigravitaation teoreetikko Harvardin yliopistossa. "Ja minä pidin fotonirengasta jonkinlaisena teknisenä, monimutkaisena asiana, jolla ei ollut mitään syvällistä merkitystä."
Nyt Strominger tekee oman U-käännöstään ja yrittää saada muut teoreetikot liittymään häneen. "Tutkimme innoissamme mahdollisuutta, että fotonirengas on asia, joka sinun on ymmärrettävä Kerrin mustien aukkojen salaisuuksien avaamiseksi", hän sanoi viitaten pyöriviin mustiin aukkoihin, jotka syntyvät, kun tähdet kuolevat ja gravitaatio romahtaa. . (Fotonirengas muodostuu samanaikaisesti.)
In paperi julkaistu verkossa toukokuussa ja äskettäin hyväksytty julkaistavaksi in Klassinen kvanttipainovoima, Strominger ja hänen työtoverinsa paljastivat, että pyörivän mustan aukon ympärillä olevalla fotonirenkaalla on odottamaton symmetria – tapa, jolla se voidaan muuttaa ja silti pysyä samana. Symmetria viittaa siihen, että rengas voi koodata tietoa reiän kvanttirakenteesta. "Tämä symmetria haisee jotain tekemistä mustien aukkojen kvanttidynamiikan ymmärtämisen keskeisen ongelman kanssa", hän sanoi. Löytö on saanut tutkijat pohtimaan, voisiko fotonirengas edes olla osa mustan aukon ”holografista kaksoisrakennetta” – kvanttijärjestelmää, joka on täsmälleen sama kuin itse musta aukko ja josta mustan aukon voidaan ajatella syntyvän. hologrammi.
"Se avaa erittäin mielenkiintoisen tien näiden [mustan aukon] geometrioiden holografian ymmärtämiseen", sanoi Alex Maloney, Kanadan McGill-yliopiston teoreetikko, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. "Uusi symmetria järjestää mustien aukkojen rakenteen kaukana tapahtumahorisontista, ja se on mielestäni erittäin jännittävää."
Paljon enemmän teoreettista tutkimusta tarvitaan ennen kuin tutkijat voivat varmuudella sanoa, koodaako fotonirengas mustan aukon sisäistä sisältöä tai millä tavalla. Mutta ainakin teoreetikot sanovat, että uusi paperi on tehnyt tarkan testin mille tahansa kvanttijärjestelmälle, joka väittää olevansa mustan aukon holografinen kaksoiskappale. "Se on holografisen kuvauksen kohde", sanoi Juan Maldacena Institute for Advanced Study Princetonissa, New Jerseyssä, yksi alkuperäisistä holografian arkkitehdeistä.
Piilossa fotonirenkaaseen
Osa fotonirenkaan jännitystä on se, että toisin kuin tapahtumahorisontti, se on todella näkyvissä. Itse asiassa Stromingerin U-käännös kohti näitä renkaita tapahtui valokuvan takia: ensimmäinen kuva mustasta aukosta. Kun Event Horizon Telescope (EHT) paljasti sen vuonna 2019, "Itkin", hän sanoi. "Se on hämmästyttävän kaunis."
Iloisuus kääntyi pian hämmennykseen. Kuvassa olevan mustan aukon ympärillä oli paksu valorengas, mutta EHT-tiimin fyysikot eivät tienneet, oliko tämä valo syntynyt reikää ympäröivästä kaoottisesta ympäristöstä vai sisälsikö se mustan aukon fotonirenkaan. He pyysivät Stromingeriltä ja hänen teoreetikkokollegoiltaan apua kuvan tulkinnassa. Yhdessä he selasivat valtavaa tietokonesimulaatioiden tietopankkia, jota EHT-tiimi käytti erottaakseen mustien aukkojen ympärillä valoa tuottavat fyysiset prosessit. Näissä simuloiduissa kuvissa he näkivät ohuen, kirkkaan renkaan upotettuna suurempaan, sumeampaan oranssiin valomunkkiin.
"Kun katsot kaikkia simulaatioita, et voi missata sitä", sanoi Shahar Hadar Haifan yliopistosta Israelista, joka teki yhteistyötä Stromingerin ja EHT-fyysikkojen kanssa tutkimuksessa ollessaan Harvardissa. Fotonirenkaan muodostuminen näyttää olevan "yleinen vaikutus", joka tapahtuu kaikkien mustien aukkojen ympärillä, Hadar sanoi.
Toisin kuin mustia aukkoja ympäröivä energeettisten törmäyshiukkasten ja kenttien pyörre, teoreetikot päättelivät, fotonirenkaan terävä viiva kuljettaa suoraa tietoa mustan aukon ominaisuuksista, mukaan lukien sen massasta ja spinin määrästä. "Se on ehdottomasti kaunein ja houkuttelevin tapa todella nähdä musta aukko", sanoi Strominger.
Tähtitieteilijöiden, simulaattoreiden ja teoreetikkojen yhteistyö havaitsi, että EHT:n varsinainen valokuva, jossa näkyy lähellä olevan Messier 87 -galaksin keskellä oleva musta aukko, ei ole tarpeeksi terävä fotonirenkaan ratkaisemiseksi, vaikka se ei olekaan kaukana. He väittelivät sisään 2020-paperi että tulevien korkearesoluutioisten kaukoputkien pitäisi helposti nähdä fotonirenkaita. (A uusi paperi väittää löytäneensä renkaan EHT:n vuoden 2019 kuvasta käyttämällä algoritmia kerrosten poistamiseksi alkuperäisestä tiedosta, mutta väite on suhtauduttu skeptisesti.)
Silti katsottuaan fotonirenkaita niin kauan simulaatioissa, Strominger ja hänen kollegansa alkoivat ihmetellä, vihjailiko niiden muoto vielä syvemmälle merkitykselle.
Yllättävä symmetria
Fotonit, jotka tekevät yhden U-käännöksen mustan aukon ympäri ja vetäytyvät sitten Maata kohti, näyttävät meistä yhdeksi valorenkaalta. Fotonit, jotka tekevät kaksi U-käännöstä reiän ympäri, näyttävät himmeämmäksi, ohuemmiksi alarenkaaksi ensimmäisessä renkaassa. Ja fotonit, jotka tekevät kolme U-kierrosta, näkyvät alirenkaana tuossa osarenkaassa ja niin edelleen, luoden sisäkkäisiä renkaita, joista jokainen on himmeämpi ja ohuempi kuin edellinen.
Sisäisistä alirenkaista tuleva valo on kiertänyt enemmän, ja siksi se vangittiin ennen ulompien alirenkaiden valoa, mikä on johtanut sarjaan viivästettyjä otoksia ympäröivästä universumista. "Yhdessä sarja alirenkaita muistuttavat elokuvan kehyksiä ja vangitsevat näkyvän maailmankaikkeuden historiaa mustasta aukosta katsottuna", yhteistyö kirjoitti vuoden 2020 paperissa.
Strominger sanoi, että kun hän ja hänen työtoverinsa katsoivat EHT-kuvia, "olimme kuin: 'Hei, tuolla näytöllä on ääretön määrä kopioita universumista? Eikö holografinen kaksoiselämä voisi olla siellä?'”
Tutkijat ymmärsivät, että renkaan samankeskinen rakenne viittaa symmetriaryhmään, jota kutsutaan konformiseksi symmetriaksi. Järjestelmässä, jolla on konforminen symmetria, on "asteikkoinvarianssi", mikä tarkoittaa, että se näyttää samalta, kun lähennät tai loitonnat. Tässä tapauksessa jokainen fotoniosarengas on tarkka, suurennettu kopio edellisestä osarenkaasta. Lisäksi konformisesti symmetrinen järjestelmä pysyy samana, kun se käännetään eteenpäin tai taaksepäin ajassa ja kun kaikki spatiaaliset koordinaatit käännetään, siirretään ja sitten käännetään uudelleen.
Strominger kohtasi konformaalisen symmetrian 1990-luvulla, kun se paljastui hänen tutkimaansa erityisessä viisiulotteisessa mustassa aukossa. Ymmärtämällä tarkasti tämän symmetrian yksityiskohdat, hän ja Cumrun Vafa löysivät uudella tavalla yhdistää yleisen suhteellisuusteorian kvanttimaailmaan, ainakin näiden äärimmäisten mustien aukkojen sisällä. He kuvittelivat leikkaavansa mustan aukon irti ja korvaavan sen tapahtumahorisontin niin sanotulla holografilevyllä, pinnalla, joka sisältää kvanttijärjestelmän hiukkasia, jotka kunnioittavat konformaalista symmetriaa. He osoittivat, että järjestelmän ominaisuudet vastaavat mustan aukon ominaisuuksia, ikään kuin musta aukko olisi konformisen kvanttijärjestelmän korkeampiulotteinen hologrammi. Tällä tavalla he rakensivat sillan yleisen suhteellisuusteorian mukaisen mustan aukon kuvauksen ja sen kvanttimekaanisen kuvauksen välille.
Vuonna 1997 Maldacena laajensi saman holografisen periaatteen koskemaan koko leluuniversumia. Hän löysi "universumi pullossa”, jossa pullon pinnalla elävä konformisesti symmetrinen kvanttijärjestelmä on täsmälleen kartoitettu pullon sisällä olevan tila-ajan ja painovoiman ominaisuuksiin. Tuntui kuin sisäpuoli olisi "universumi", joka projisoituu alemman ulottuvuuden pinnaltaan kuin hologrammi.
Löytö sai monet teoreetikot uskomaan, että todellinen maailmankaikkeus on hologrammi. Ongelmana on se, että Maldacenan universumi pullossa eroaa omastamme. Se on täytetty negatiivisesti kaarevalla aika-avaruudella, mikä antaa sille pintamaisen ulkorajan. Universumimme ajatellaan olevan litteä, ja teoreetikoilla on vähän aavistustakaan, miltä litteän aika-avaruuden holografinen kaksoiskappale näyttää. "Meidän täytyy palata todelliseen maailmaan ja ottaa samalla inspiraatiota siitä, mitä opimme näistä hypoteettisista maailmoista", Strominger sanoi.
Niinpä ryhmä päätti tutkia realistisesti pyörivää mustaa aukkoa, joka istuu tasaisessa aika-avaruudessa, kuten Event Horizon Telescope -teleskooppi kuvaa. ”Ensimmäiset kysymykset ovat: Missä holografinen duaali asuu? Ja mitkä ovat symmetriat?" sanoi Hadar.
Etsitään holografista kaksoiskappaletta
Historiallisesti konforminen symmetria on osoittautunut luotettavaksi oppaaksi etsittäessä kvanttijärjestelmiä, jotka karttuvat holografisesti järjestelmiin painovoimalla. "Kvanttigravitaatioteoreetikon sanominen konformisesta symmetriasta ja mustasta aukosta samassa lauseessa on kuin heiluttaisi punaista lihaa koiran edessä", sanoi Strominger.
Aloittaen yleisen suhteellisuusteorian pyörivien mustien aukkojen kuvauksesta, jota kutsutaan Kerr-metriikaksi, ryhmä alkoi etsiä vihjeitä konformisesta symmetriasta. He kuvittelivat osuvansa mustaan aukkoon vasaralla saadakseen sen soimaan kuin kello. Nämä hitaasti hiipuvat värähtelyt ovat kuin gravitaatioaaltoja, jotka syntyvät, kun esimerkiksi kaksi mustaa aukkoa törmäävät toisiinsa. Musta aukko soivat joillakin resonanssitaajuuksilla, jotka riippuvat aika-avaruuden muodosta (eli Kerr-metriikasta), aivan kuten kellon soittoäänet riippuvat sen muodosta.
Värähtelyjen tarkan kuvion selvittäminen on mahdotonta, koska Kerr-metriikka on niin monimutkainen. Joten tiimi arvioi kuvion ottamalla huomioon vain korkeataajuiset värähtelyt, jotka johtuvat mustaan aukkoon kovasta osumisesta. He huomasivat yhteyden näiden korkeiden energioiden aaltojen kuvion ja mustan aukon fotonirenkaiden rakenteen välillä. Mallia "osoitti, että fotonirengas hallitsee täysin", sanoi Alex Lupsasca Vanderbilt Initiative for Gravity, Waves and Fluids Tennesseessä, joka kirjoitti uuden paperin yhdessä Stromingerin, Hadarin ja Daniel Kapecin kanssa Harvardista.
Keskeinen hetki koitti kesällä 2020 Covid-19-pandemian aikana. Harvardin Jeffersonin fysiikan laboratorion ulkopuolella olevalle nurmikolle pystytettiin liitutauluja ja penkkejä, ja tutkijat saattoivat vihdoin tavata henkilökohtaisesti. He selvittivät, että kuten konforminen symmetria, joka yhdistää jokaisen fotonirenkaan seuraavaan osarenkaaseen, soivan mustan aukon peräkkäiset sävyt liittyvät toisiinsa konformisen symmetrian avulla. Tämä fotonirenkaiden ja mustan aukon värähtelyjen välinen suhde voisi olla holografian "ennakko", sanoi Strominger.
Toinen vihje siitä, että fotonirenkaalla voi olla erityinen merkitys, tulee siitä, että rengas liittyy vastakkaiseen tapaan mustan aukon geometriaan. "Se on hyvin, hyvin outoa", Hadar sanoi. "Kun liikut fotonirenkaan eri kohtia pitkin, tutkit itse asiassa eri säteitä" tai syvyyksiä mustaan aukkoon.
Nämä havainnot viittaavat Stromingeriin, että fotonirengas tapahtumahorisontin sijaan on "luonnollinen ehdokas" pyörivän mustan aukon holografisen levyn osalle.
Jos näin on, saattaa olla uusi tapa kuvitella, mitä tapahtuu mustiin aukkoihin pudonneita esineitä koskeville tiedoille – pitkäaikainen mysteeri, joka tunnetaan mustan aukon tiedon paradoksina. Viimeaikaiset laskelmat osoittavat, että maailmankaikkeus säilyttää nämä tiedot jollakin tavalla, kun musta aukko hitaasti haihtuu. Strominger spekuloi nyt, että tiedot saatetaan tallentaa holografiseen levyyn. "Ehkä tieto ei todellakaan putoa mustaan aukkoon, mutta se pysyy pilvessä mustan aukon ulkopuolella, mikä luultavasti ulottuu fotonirenkaaseen", hän sanoi. "Mutta emme ymmärrä, miten se on koodattu sinne tai miten se tarkalleen toimii."
Kutsu teoreetikoille
Stromingerin ja yhtiön aavistus siitä, että holografinen kaksoiskappale asuu fotonirenkaassa tai sen ympärillä, ovat suhtautuneet skeptisesti joihinkin kvanttigravitaation teoreetikot, jotka pitävät sitä liian rohkeana ekstrapoloituna renkaan konformisesta symmetriasta. "Missä holografinen kaksoiselämä on paljon syvempi kysymys kuin: Mikä on symmetria?" sanoi Daniel Harlow, kvanttipainovoiman ja mustien aukkojen teoreetikko Massachusetts Institute of Technologysta. Vaikka hän kannattaa asian lisätutkimusta, Harlow korostaa, että tässä tapauksessa vakuuttavan holografisen kaksinaisuuden on osoitettava, kuinka fotonirenkaan ominaisuudet, kuten yksittäisten fotonien kiertoradat ja taajuudet, karttuvat matemaattisesti hienorakeiseen. mustan aukon kvanttiyksityiskohdat.
Siitä huolimatta useat asiantuntijat sanoivat, että uusi tutkimus tarjoaa hyödyllisen neulan, joka jokaisen ehdotetun holografisen kaksoiskappaleen on pujotettava: Duaalin on kyettävä koodaamaan pyörivän mustan aukon epätavallinen värähtelykuvio sen jälkeen, kun siihen on lyöty kuin kelloa. "Mustaa aukkoa kuvaavan kvanttijärjestelmän vaatiminen toistaa kaiken tämän monimutkaisuuden on uskomattoman voimakas rajoitus - ja rajoitus, jota emme ole koskaan yrittäneet hyödyntää aiemmin", Strominger sanoi. Eva SilversteinStanfordin yliopiston teoreettinen fyysikko sanoi: "Näyttää hyvältä teoreettiselta tiedolta, jonka ihmiset yrittävät toistaa yrittäessään tehdä holografista kaksoiskuvausta."
Maldacena suostui sanoen: "Haluaisi ymmärtää, kuinka tämä sisällytetään holografiseen kaksoiskappaleeseen. Joten se todennäköisesti stimuloi tutkimusta tähän suuntaan."
Maloney epäilee, että fotonirenkaan uusi symmetria herättää kiinnostusta sekä teoreetikkojen että tarkkailijoiden keskuudessa. Jos Event Horizon Telescope -teleskoopin toivotut päivitykset saavat rahoitusta, se voi alkaa havaita fotonirenkaita muutaman vuoden sisällä.
Näiden renkaiden tulevat mittaukset eivät kuitenkaan suoraan testaa holografiaa - pikemminkin tiedot sallivat yleisen suhteellisuusteorian äärimmäiset testit mustien aukkojen lähellä. Teoreetikkojen tehtävänä on määrittää kynällä ja paperilla laskemilla, voiko mustien aukkojen ympärillä olevien äärettömien valoloukkujen rakenne matemaattisesti salata sisällä olevat salaisuudet.
