Lorsque les photons se précipitent vers un trou noir, la plupart sont aspirés dans ses profondeurs pour ne jamais revenir, ou doucement déviés. Quelques rares, cependant, contournent le trou, effectuant une série de demi-tours brusques. Certains de ces photons tournent autour du trou noir pratiquement indéfiniment.
Décrit par les astrophysiciens comme une « caméra cosmique » et un « piège à lumière infini », l’anneau de photons en orbite qui en résulte compte parmi les phénomènes les plus étranges de la nature. Si vous détectez les photons, « vous verrez chaque objet de l’univers une infinité de fois », a déclaré Sam Gralla, physicien à l'Université de l'Arizona.
Mais contrairement à l’horizon emblématique des événements d’un trou noir – la limite à l’intérieur de laquelle la gravité est si forte que rien ne peut s’échapper – l’anneau de photons, qui orbite autour du trou plus loin, n’a jamais reçu beaucoup d’attention de la part des théoriciens. Il est logique que les chercheurs se soient préoccupés de l’horizon des événements, car il marque la limite de leurs connaissances sur l’univers. Dans la majeure partie du cosmos, la gravité suit des courbes dans l’espace et dans le temps, comme le décrit la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Mais l’espace-temps se déforme tellement à l’intérieur des trous noirs que la relativité générale s’y effondre. Les théoriciens de la gravité quantique, à la recherche d’une description quantique plus vraie de la gravité, se sont donc tournés vers l’horizon pour trouver des réponses.
"J'avais pensé que l'horizon des événements était ce que nous devions comprendre", a déclaré Andrew Strominger, un éminent théoricien des trous noirs et de la gravité quantique à l'Université Harvard. "Et je considérais l'anneau de photons comme une sorte de chose technique et compliquée qui n'avait pas de signification profonde."
Aujourd’hui, Strominger fait volte-face et tente de convaincre d’autres théoriciens de le rejoindre. "Nous explorons avec enthousiasme la possibilité que l'anneau de photons soit ce qu'il faut comprendre pour percer les secrets des trous noirs de Kerr", a-t-il déclaré, faisant référence au type de trous noirs en rotation créés lorsque les étoiles meurent et s'effondrent gravitationnellement. . (L'anneau de photons se forme simultanément.)
In un document mis en ligne en mai et récemment accepté pour publication in Gravité quantique classique, Strominger et ses collaborateurs ont révélé que l'anneau de photons autour d'un trou noir en rotation présente une sorte de symétrie inattendue – une façon dont il peut être transformé tout en restant le même. La symétrie suggère que l’anneau pourrait coder des informations sur la structure quantique du trou. "Cette symétrie semble avoir quelque chose à voir avec le problème central de la compréhension de la dynamique quantique des trous noirs", a-t-il déclaré. Cette découverte a conduit les chercheurs à se demander si l'anneau de photons pourrait même faire partie du « double holographique » d'un trou noir – un système quantique qui est exactement équivalent au trou noir lui-même, et dont le trou noir peut être considéré comme émergeant. un hologramme.
"Cela ouvre une voie très intéressante pour comprendre l'holographie de ces géométries [de trous noirs]", a déclaré Alex Maloney, un théoricien de l'Université McGill au Canada qui n'a pas participé à la recherche. "La nouvelle symétrie organise la structure des trous noirs loin de l'horizon des événements, et je pense que c'est très excitant."
Des études théoriques beaucoup plus approfondies sont nécessaires avant que les chercheurs puissent dire avec certitude si, ou de quelle manière, l’anneau de photons code le contenu interne d’un trou noir. Mais à tout le moins, les théoriciens affirment que le nouvel article a détaillé un test précis pour tout système quantique prétendant être le double holographique du trou noir. "C'est une cible pour une description holographique", a déclaré Juan Maldacena de l'Institute for Advanced Study de Princeton, New Jersey, l'un des premiers architectes de l'holographie.
Se cacher dans l'anneau photonique
Une partie de l’enthousiasme suscité par l’anneau de photons réside dans le fait que, contrairement à l’horizon des événements, il est réellement visible. En fait, le revirement de Strominger vers ces anneaux s’est produit à cause d’une photographie : le première image d'un trou noir. Lorsque l’Event Horizon Telescope (EHT) l’a dévoilé en 2019, « j’ai pleuré », a-t-il déclaré. "C'est incroyablement beau."
L’exaltation a rapidement dégénéré en confusion. Le trou noir sur l’image était entouré d’un épais anneau de lumière, mais les physiciens de l’équipe EHT ne savaient pas si cette lumière était le produit de l’environnement chaotique du trou ou si elle incluait l’anneau de photons du trou noir. Ils se sont adressés à Strominger et à ses collègues théoriciens pour les aider à interpréter l'image. Ensemble, ils ont parcouru l’immense banque de données de simulations informatiques que l’équipe EHT utilisait pour démêler les processus physiques qui produisent de la lumière autour des trous noirs. Dans ces images simulées, ils pouvaient voir l’anneau fin et brillant intégré dans le beignet de lumière orange plus grand et plus flou.
"Quand vous regardez toutes les simulations, vous ne pouvez pas les manquer", a déclaré Shahar Hadar de l'Université de Haïfa en Israël, qui a collaboré avec Strominger et les physiciens de l'EHT sur la recherche alors qu'il était à Harvard. La formation de l’anneau de photons semble être un « effet universel » qui se produit autour de tous les trous noirs, a déclaré Hadar.
Contrairement au maelström de particules et de champs énergétiques en collision qui entoure les trous noirs, ont déterminé les théoriciens, la ligne nette de l'anneau de photons transporte des informations directes sur les propriétés du trou noir, notamment sa masse et sa quantité de spin. "C'est certainement la façon la plus belle et la plus fascinante de vraiment voir le trou noir", a déclaré Strominger.
La collaboration d’astronomes, de simulateurs et de théoriciens a révélé que la photographie réelle de l’EHT, qui montre le trou noir au centre de la galaxie voisine Messier 87, n’est pas assez nette pour résoudre l’anneau de photons, même s’il n’en est pas loin. Ils se disputèrent dans un papier 2020 que les futurs télescopes à plus haute résolution devraient facilement voir les anneaux de photons. (UN nouveau papier prétend avoir trouvé l’anneau dans l’image 2019 de l’EHT en appliquant un algorithme pour supprimer des couches des données originales, mais cette affirmation a été accueillie avec scepticisme.)
Pourtant, après avoir observé les anneaux de photons pendant si longtemps dans les simulations, Strominger et ses collègues ont commencé à se demander si leur forme faisait allusion à une signification encore plus profonde.
Une symétrie surprenante
Les photons qui font un demi-tour autour d’un trou noir puis se dirigent vers la Terre nous apparaîtraient comme un seul anneau de lumière. Les photons qui font deux demi-tours autour du trou apparaissent comme un sous-anneau plus faible et plus fin à l'intérieur du premier anneau. Et les photons qui font trois demi-tours apparaissent comme un sous-anneau au sein de ce sous-anneau, et ainsi de suite, créant des anneaux imbriqués, chacun plus faible et plus fin que le précédent.
La lumière des sous-anneaux intérieurs a effectué davantage d'orbites et a donc été capturée avant la lumière des sous-anneaux extérieurs, ce qui a donné lieu à une série d'instantanés différés de l'univers environnant. "Ensemble, l'ensemble des sous-anneaux s'apparente aux images d'un film, capturant l'histoire de l'univers visible vu du trou noir", écrit la collaboration dans l'article de 2020.
Strominger a déclaré que lorsque lui et ses collaborateurs ont regardé les images de l'EHT, « nous nous sommes dit : « Hé, il y a un nombre infini de copies de l'univers juste là, sur cet écran ? Ne pourrait-il pas être là que réside le double holographique ?
Les chercheurs ont réalisé que la structure concentrique de l’anneau suggère un groupe de symétries appelé symétrie conforme. Un système qui a une symétrie conforme présente une « invariance d'échelle », ce qui signifie qu'il a la même apparence lorsque vous effectuez un zoom avant ou arrière. Dans ce cas, chaque sous-anneau de photons est une copie exacte et dégrossie du sous-anneau précédent. De plus, un système conformement symétrique reste le même lorsqu’il est traduit vers l’avant ou vers l’arrière dans le temps et lorsque toutes les coordonnées spatiales sont inversées, décalées puis inversées à nouveau.
Strominger a découvert la symétrie conforme dans les années 1990 lorsqu'elle est apparue dans un type particulier de trou noir à cinq dimensions qu'il étudiait. En comprenant précisément les détails de cette symétrie, lui et Cumrun Vafa trouvé un Nouvelle façon pour relier la relativité générale au monde quantique, du moins à l’intérieur de ces types extrêmes de trous noirs. Ils ont imaginé découper le trou noir et remplacer son horizon des événements par ce qu’ils ont appelé une plaque holographique, une surface contenant un système quantique de particules respectant la symétrie conforme. Ils ont montré que les propriétés du système correspondent aux propriétés du trou noir, comme si le trou noir était un hologramme de dimension supérieure du système quantique conforme. Ils ont ainsi construit un pont entre la description d’un trou noir selon la relativité générale et sa description par la mécanique quantique.
En 1997, Maldacena a étendu ce même principe holographique à tout un univers de jouets. Il a découvert un «l'univers dans une bouteille", dans lequel un système quantique conformement symétrique vivant à la surface de la bouteille correspondait exactement aux propriétés de l'espace-temps et de la gravité à l'intérieur de la bouteille. C’était comme si l’intérieur était un « univers » projeté depuis sa surface de dimension inférieure comme un hologramme.
Cette découverte a amené de nombreux théoriciens à croire que l’univers réel est un hologramme. Le problème, c’est que l’univers de Maldacena en bouteille est différent du nôtre. Il est rempli d’un type d’espace-temps incurvé négativement, ce qui lui donne une limite extérieure semblable à une surface. On pense que notre univers est plat et les théoriciens n’ont aucune idée de ce à quoi ressemble le double holographique de l’espace-temps plat. "Nous devons revenir au monde réel, tout en nous inspirant de ce que nous avons appris de ces mondes hypothétiques", a déclaré Strominger.
Le groupe a donc décidé d’étudier un trou noir en rotation réaliste situé dans un espace-temps plat, comme ceux photographiés par le télescope Event Horizon. « Les premières questions à se poser sont : où vit le double holographique ? Et quelles sont les symétries ? dit Hadar.
À la recherche du double holographique
Historiquement, la symétrie conforme s’est révélée un guide fiable dans la recherche de systèmes quantiques qui se mappent de manière holographique sur des systèmes gravitationnels. "Dire symétrie conforme et trou noir dans la même phrase à un théoricien de la gravité quantique, c'est comme agiter de la viande rouge devant un chien", a déclaré Strominger.
Partant de la description des trous noirs en rotation dans la relativité générale, appelée métrique de Kerr, le groupe a commencé à rechercher des indices de symétrie conforme. Ils imaginaient frapper le trou noir avec un marteau pour le faire sonner comme une cloche. Ces vibrations qui s’estompent lentement sont comme les ondes gravitationnelles créées lorsque, par exemple, deux trous noirs entrent en collision. Le trou noir sonnera avec certaines fréquences de résonance qui dépendent de la forme de l'espace-temps (c'est-à-dire de la métrique de Kerr), tout comme les sonneries d'une cloche dépendent de sa forme.
Déterminer le modèle exact des vibrations est impossible car la métrique Kerr est très compliquée. L’équipe a donc approximé le modèle en considérant uniquement les vibrations à haute fréquence, qui résultent d’un impact très violent sur le trou noir. Ils ont remarqué une relation entre la configuration des ondes à ces hautes énergies et la structure des anneaux de photons du trou noir. Le motif « s’avère être entièrement régi par l’anneau de photons », a déclaré Alex Lupsasca de la Vanderbilt Initiative for Gravity, Waves and Fluids au Tennessee, qui a co-écrit le nouvel article avec Strominger, Hadar et Daniel Kapec de Harvard.
Un moment charnière s’est produit à l’été 2020, lors de la pandémie de Covid-19. Des tableaux noirs et des bancs ont été installés sur l’herbe à l’extérieur du laboratoire de physique Jefferson de Harvard, et les chercheurs ont enfin pu se rencontrer en personne. Ils ont découvert que, tout comme la symétrie conforme qui relie chaque anneau de photons au sous-anneau suivant, les tons successifs d'un trou noir sonnant sont liés les uns aux autres par une symétrie conforme. Cette relation entre les anneaux de photons et les vibrations des trous noirs pourrait être un « signe avant-coureur » de l’holographie, a déclaré Strominger.
Un autre indice selon lequel l’anneau de photons pourrait avoir une signification particulière vient de la manière contre-intuitive entre l’anneau et la géométrie du trou noir. "C'est très, très bizarre", a déclaré Hadar. "Lorsque vous vous déplacez le long de différents points de l'anneau de photons, vous sondez en fait différents rayons" ou profondeurs dans le trou noir.
Ces découvertes impliquent pour Strominger que l’anneau de photons, plutôt que l’horizon des événements, est un « candidat naturel » pour une partie de la plaque holographique d’un trou noir en rotation.
Si tel est le cas, il existe peut-être une nouvelle façon d’imaginer ce qui arrive aux informations sur les objets qui tombent dans les trous noirs – un mystère de longue date connu sous le nom de paradoxe de l’information sur les trous noirs. Calculs récents indiquent que cette information est en quelque sorte préservée par l'univers alors qu'un trou noir s'évapore lentement. Strominger spécule maintenant que les informations pourraient être stockées dans la plaque holographique. "Peut-être que les informations ne tombent pas vraiment dans le trou noir, mais elles restent en quelque sorte dans un nuage à l'extérieur du trou noir, qui s'étend probablement jusqu'à l'anneau de photons", a-t-il déclaré. "Mais nous ne comprenons pas comment c'est codé là-dedans, ni comment cela fonctionne exactement."
Un appel aux théoriciens
L’intuition de Strominger et compagnie selon laquelle le double holographique vit dans ou autour de l’anneau de photons a été accueillie avec scepticisme par certains théoriciens de la gravité quantique, qui y voient une extrapolation trop audacieuse de la symétrie conforme de l’anneau. « Là où la double vie holographique est une question bien plus profonde que : quelle est la symétrie ? dit Daniel Harlow, théoricien de la gravité quantique et des trous noirs au Massachusetts Institute of Technology. Bien qu'il soit favorable à des recherches plus approfondies sur la question, Harlow souligne qu'une dualité holographique convaincante, dans ce cas, doit montrer comment les propriétés de l'anneau de photons, telles que les orbites et les fréquences des photons individuels, sont mathématiquement mappées sur l'anneau à grain fin. détails quantiques du trou noir.
Néanmoins, plusieurs experts ont déclaré que la nouvelle recherche offre une aiguille utile que tout double holographique proposé doit enfiler : le double doit être capable de coder le modèle de vibration inhabituel d'un trou noir en rotation après avoir été frappé comme une cloche. "Exiger que le système quantique qui décrit le trou noir reproduise toute cette complexité est une contrainte incroyablement puissante - et que nous n'avons jamais essayé d'exploiter auparavant", a déclaré Strominger. Eva Silverstein, physicien théoricien à l’Université de Stanford, a déclaré : « Cela semble être une très belle donnée théorique que les gens peuvent essayer de reproduire lorsqu’ils tentent une double description holographique. »
Maldacena a accepté, en disant : « On aimerait comprendre comment intégrer cela dans un duel holographique. Cela stimulera donc probablement certaines recherches dans cette direction.
Maloney soupçonne que la nouvelle symétrie de l’anneau de photons suscitera l’intérêt des théoriciens et des observateurs. Si les améliorations espérées du télescope Event Horizon sont financées, il pourrait commencer à détecter des anneaux de photons d’ici quelques années.
Cependant, les mesures futures de ces anneaux ne testeront pas directement l’holographie – les données permettront plutôt des tests extrêmes de relativité générale à proximité des trous noirs. C’est aux théoriciens de déterminer, à l’aide de calculs au stylo et sur papier, si la structure des pièges lumineux infinis autour des trous noirs peut chiffrer mathématiquement les secrets qu’ils contiennent.
