जब फोटॉन ब्लैक होल की ओर बढ़ते हैं, तो अधिकांश इसकी गहराई में चूस जाते हैं, कभी वापस नहीं आते, या धीरे से विक्षेपित हो जाते हैं। हालांकि, कुछ दुर्लभ, अचानक यू-टर्न की एक श्रृंखला बनाने, छेद को स्कर्ट करते हैं। इनमें से कुछ फोटॉन व्यावहारिक रूप से हमेशा के लिए ब्लैक होल का चक्कर लगाते रहते हैं।
खगोल भौतिकीविदों द्वारा "कॉस्मिक मूवी कैमरा" और "अनंत प्रकाश जाल" के रूप में वर्णित किया गया है, जिसके परिणामस्वरूप फोटॉनों की परिक्रमा प्रकृति की सबसे अजीब घटनाओं में से एक है। यदि आप फोटॉन का पता लगाते हैं, "आप ब्रह्मांड में हर वस्तु को अनंत बार कई बार देखने जा रहे हैं," ने कहा सैम ग्रेलाएरिज़ोना विश्वविद्यालय में एक भौतिक विज्ञानी।
लेकिन एक ब्लैक होल के प्रतिष्ठित घटना क्षितिज के विपरीत - वह सीमा जिसके भीतर गुरुत्वाकर्षण इतना मजबूत है कि कुछ भी बच नहीं सकता - फोटॉन रिंग, जो कि छेद को दूर से परिक्रमा करता है, ने कभी भी सिद्धांतकारों से ज्यादा ध्यान नहीं दिया है। यह समझ में आता है कि शोधकर्ताओं को घटना क्षितिज के साथ व्यस्त रखा गया है, क्योंकि यह ब्रह्मांड के बारे में उनके ज्ञान के किनारे को चिह्नित करता है। अधिकांश ब्रह्मांड में, गुरुत्वाकर्षण अंतरिक्ष और समय में घटता के साथ ट्रैक करता है जैसा कि अल्बर्ट आइंस्टीन के सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत द्वारा वर्णित है। लेकिन स्पेस-टाइम ब्लैक होल के अंदर इतना अधिक विकृत हो जाता है कि सामान्य सापेक्षता वहां टूट जाती है। क्वांटम गुरुत्वाकर्षण सिद्धांतकारों ने गुरुत्वाकर्षण के एक सच्चे, क्वांटम विवरण की तलाश में उत्तर के लिए क्षितिज को देखा है।
"मैंने यह विचार लिया था कि घटना क्षितिज वह था जिसे हमें समझने की आवश्यकता थी," ने कहा एंड्रयू स्ट्रोमिंगर, हार्वर्ड विश्वविद्यालय में एक प्रमुख ब्लैक होल और क्वांटम गुरुत्व सिद्धांतकार। "और मैंने फोटॉन रिंग को किसी प्रकार की तकनीकी, जटिल चीज के रूप में सोचा जिसका कोई गहरा महत्व नहीं था।"
अब स्ट्रोमिंगर अपना यू-टर्न ले रहा है और अन्य सिद्धांतकारों को उससे जुड़ने के लिए मनाने की कोशिश कर रहा है। "हम तलाश कर रहे हैं, उत्साह से, संभावना है कि फोटॉन रिंग वह चीज है जिसे आपको केर ब्लैक होल के रहस्यों को अनलॉक करने के लिए समझना होगा," उन्होंने कहा, जब सितारों के मरने और गुरुत्वाकर्षण के पतन के दौरान बनाए गए कताई ब्लैक होल के प्रकार का जिक्र करते हैं . (फोटॉन रिंग समवर्ती रूप से बनता है।)
In एक पेपर मई और हाल ही में ऑनलाइन पोस्ट किया गया प्रकाशन के लिए स्वीकृत in शास्त्रीय क्वांटम गुरुत्वाकर्षण, स्ट्रोमिंगर और उनके सहयोगियों ने खुलासा किया कि एक कताई ब्लैक होल के चारों ओर फोटॉन रिंग में एक अप्रत्याशित प्रकार की समरूपता है - एक ऐसा तरीका जिससे इसे रूपांतरित किया जा सकता है और फिर भी वही बना रह सकता है। समरूपता से पता चलता है कि अंगूठी छेद की क्वांटम संरचना के बारे में जानकारी को एन्कोड कर सकती है। "यह समरूपता ब्लैक होल की क्वांटम गतिशीलता को समझने की केंद्रीय समस्या के साथ कुछ करने की तरह गंध करती है," उन्होंने कहा। इस खोज ने शोधकर्ताओं को यह बहस करने के लिए प्रेरित किया है कि क्या फोटॉन रिंग ब्लैक होल के "होलोग्राफिक डुअल" का भी हिस्सा हो सकता है - एक क्वांटम सिस्टम जो ब्लैक होल के बिल्कुल बराबर है, और जिसे ब्लैक होल की तरह बाहर निकलने के बारे में सोचा जा सकता है एक होलोग्राम।
"यह इन [ब्लैक होल] ज्यामिति की होलोग्राफी को समझने के लिए एक बहुत ही दिलचस्प मार्ग खोलता है," ने कहा एलेक्स मैलोनी, कनाडा में मैकगिल विश्वविद्यालय के एक सिद्धांतकार जो शोध में शामिल नहीं थे। "नई समरूपता घटना क्षितिज से दूर ब्लैक होल की संरचना को व्यवस्थित करती है, और मुझे लगता है कि यह बहुत रोमांचक है।"
इससे पहले कि शोधकर्ता निश्चित रूप से कह सकें कि क्या, या किस तरह से, फोटॉन रिंग ब्लैक होल की आंतरिक सामग्री को एन्कोड करता है, इससे पहले बहुत अधिक सैद्धांतिक अध्ययन की आवश्यकता है। लेकिन बहुत कम से कम, सिद्धांतकारों का कहना है कि नए पेपर ने ब्लैक होल के होलोग्राफिक दोहरे होने का दावा करने वाले किसी भी क्वांटम सिस्टम के लिए एक सटीक परीक्षण का विस्तृत विवरण दिया है। "यह एक होलोग्राफिक विवरण के लिए एक लक्ष्य है," ने कहा जुआन मालडेसेना प्रिंसटन, न्यू जर्सी में उन्नत अध्ययन संस्थान, होलोग्राफी के मूल वास्तुकारों में से एक।
फोटॉन रिंग में छिपना
फोटॉन रिंग के बारे में उत्साह का एक हिस्सा यह है कि घटना क्षितिज के विपरीत, यह वास्तव में दिखाई देता है। वास्तव में, इन छल्लों की ओर स्ट्रोमिंगर का यू-टर्न एक तस्वीर के कारण हुआ: ब्लैक होल की पहली तस्वीर. जब इवेंट होराइजन टेलीस्कोप (EHT) ने 2019 में इसका अनावरण किया, "मैं रोया," उन्होंने कहा। "यह आश्चर्यजनक रूप से सुंदर है।"
उत्साह जल्द ही भ्रम में बदल गया। छवि में ब्लैक होल के चारों ओर प्रकाश की एक मोटी अंगूठी थी, लेकिन ईएचटी टीम के भौतिकविदों को यह नहीं पता था कि यह प्रकाश होल के अराजक आसपास के वातावरण का उत्पाद था, या इसमें ब्लैक होल की फोटॉन रिंग शामिल थी। वे छवि की व्याख्या करने में मदद के लिए स्ट्रोमिंगर और उनके सिद्धांतवादी सहयोगियों के पास गए। साथ में, उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन के विशाल डेटाबैंक को ब्राउज़ किया जिसका उपयोग ईएचटी टीम ब्लैक होल के चारों ओर प्रकाश उत्पन्न करने वाली भौतिक प्रक्रियाओं को अलग करने के लिए कर रही थी। इन नकली छवियों में, वे प्रकाश के बड़े, अस्पष्ट नारंगी डोनट में एम्बेडेड पतली, चमकदार अंगूठी देख सकते थे।
"जब आप सभी सिमुलेशन को देखते हैं, तो आप इसे याद नहीं कर सकते," ने कहा शहर हदरी इज़राइल में हाइफ़ा विश्वविद्यालय के, जिन्होंने हार्वर्ड में शोध पर स्ट्रोमिंगर और ईएचटी भौतिकविदों के साथ सहयोग किया। हैदर ने कहा कि फोटॉन रिंग का निर्माण एक "सार्वभौमिक प्रभाव" प्रतीत होता है जो सभी ब्लैक होल के आसपास होता है।
ब्लैक होल को घेरने वाले ऊर्जावान टकराने वाले कणों और क्षेत्रों के माइलस्ट्रॉम के विपरीत, सिद्धांतकारों ने निर्धारित किया, फोटॉन रिंग की तेज रेखा ब्लैक होल के गुणों के बारे में प्रत्यक्ष जानकारी रखती है, जिसमें इसके द्रव्यमान और स्पिन की मात्रा शामिल है। "यह निश्चित रूप से ब्लैक होल को देखने का सबसे सुंदर और सम्मोहक तरीका है," स्ट्रोमिंगर ने कहा।
खगोलविदों, सिमुलेटर और सिद्धांतकारों के सहयोग ने पाया कि ईएचटी की वास्तविक तस्वीर, जो पास की आकाशगंगा मेसियर 87 के केंद्र में ब्लैक होल दिखाती है, फोटॉन रिंग को हल करने के लिए पर्याप्त तेज नहीं है, हालांकि यह बहुत दूर नहीं है। उन्होंने तर्क दिया एक 2020 पेपर भविष्य में, उच्च-रिज़ॉल्यूशन दूरबीनों को आसानी से फोटॉन के छल्ले देखना चाहिए। (ए नया कागज मूल डेटा से परतों को हटाने के लिए एक एल्गोरिथ्म लागू करके ईएचटी की 2019 की छवि में अंगूठी खोजने का दावा किया गया है, लेकिन इस दावे को संदेह के साथ पूरा किया गया है।)
फिर भी, सिमुलेशन में इतने लंबे समय तक फोटॉन के छल्ले को देखने के बाद, स्ट्रोमिंगर और उनके सहयोगियों ने आश्चर्य करना शुरू कर दिया कि क्या उनका रूप और भी गहरे अर्थ की ओर इशारा करता है।
एक आश्चर्यजनक समरूपता
फोटॉन जो एक ब्लैक होल के चारों ओर एक यू-टर्न बनाते हैं और फिर पृथ्वी की ओर ज़िप करते हैं, वे हमें प्रकाश की एक अंगूठी के रूप में दिखाई देंगे। छेद के चारों ओर दो यू-मोड़ बनाने वाले फोटॉन पहली रिंग के भीतर एक फीके, पतले सबरिंग के रूप में दिखाई देते हैं। और फोटॉन जो तीन यू-टर्न बनाते हैं, उस सबरिंग के भीतर एक सबरिंग के रूप में दिखाई देते हैं, और इसी तरह, नेस्टेड रिंग बनाते हैं, प्रत्येक फीके और पिछले की तुलना में पतले होते हैं।
आंतरिक सबरिंग्स से प्रकाश ने अधिक परिक्रमाएँ की हैं और इसलिए बाहरी सबरिंग्स से प्रकाश से पहले कब्जा कर लिया गया था, जिसके परिणामस्वरूप आसपास के ब्रह्मांड के समय-विलंबित स्नैपशॉट की एक श्रृंखला थी। सहयोग ने 2020 के पेपर में लिखा, "एक साथ, सबरिंग्स का सेट एक फिल्म के फ्रेम के समान है, जो दृश्य ब्रह्मांड के इतिहास को ब्लैक होल से देखा जाता है।"
स्ट्रोमिंगर ने कहा कि जब उन्होंने और उनके सहयोगियों ने ईएचटी चित्रों को देखा, "हम इस तरह थे: 'अरे, उस स्क्रीन पर ब्रह्मांड की अनंत संख्या में प्रतियां हैं? क्या यह वह जगह नहीं हो सकती जहां होलोग्राफिक ड्यूल रहता है?'”
शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि रिंग की संकेंद्रित संरचना समरूपता के एक समूह का सूचक है जिसे अनुरूप समरूपता कहा जाता है। एक प्रणाली जिसमें अनुरूप समरूपता होती है, "स्केल इनवेरिएंस" प्रदर्शित करती है, जिसका अर्थ है कि जब आप ज़ूम इन या आउट करते हैं तो यह समान दिखता है। इस मामले में, प्रत्येक फोटान सबरिंग पिछले सबरिंग की एक सटीक, डिमैग्निफाइड कॉपी है। इसके अलावा, एक अनुरूप रूप से सममित प्रणाली वही रहती है जब समय में आगे या पीछे अनुवाद किया जाता है और जब सभी स्थानिक निर्देशांक उल्टे, स्थानांतरित और फिर उल्टे होते हैं।
1990 के दशक में स्ट्रोमिंगर को अनुरूप समरूपता का सामना करना पड़ा जब यह एक विशेष प्रकार के पांच-आयामी ब्लैक होल में बदल गया जिसका वह अध्ययन कर रहा था। इस समरूपता के विवरण को ठीक से समझकर, वह और कमरुन वफ़ा मिला नया तरीका सामान्य सापेक्षता को क्वांटम दुनिया से जोड़ने के लिए, कम से कम इन चरम प्रकार के ब्लैक होल के अंदर। उन्होंने ब्लैक होल को काटने और उसके घटना क्षितिज को बदलने की कल्पना की, जिसे वे एक होलोग्राफिक प्लेट कहते हैं, एक सतह जिसमें कणों की एक क्वांटम प्रणाली होती है जो अनुरूप समरूपता का सम्मान करती है। उन्होंने दिखाया कि सिस्टम के गुण ब्लैक होल के गुणों के अनुरूप हैं, जैसे कि ब्लैक होल अनुरूप क्वांटम सिस्टम का एक उच्च-आयामी होलोग्राम है। इस तरह उन्होंने सामान्य सापेक्षता के अनुसार ब्लैक होल के विवरण और उसके क्वांटम यांत्रिक विवरण के बीच एक सेतु का निर्माण किया।
1997 में, मालदासेना ने इसी होलोग्राफिक सिद्धांत को एक संपूर्ण खिलौना ब्रह्मांड में विस्तारित किया। उन्होंने एक "एक बोतल में ब्रह्मांड", जिसमें बोतल की सतह पर रहने वाला एक अनुरूप रूप से सममित क्वांटम सिस्टम बोतल के इंटीरियर में स्पेस-टाइम और गुरुत्वाकर्षण के गुणों पर बिल्कुल मैप किया जाता है। यह ऐसा था जैसे इंटीरियर एक "ब्रह्मांड" था जो होलोग्राम की तरह इसकी निचली-आयामी सतह से प्रक्षेपित होता था।
इस खोज ने कई सिद्धांतकारों को यह विश्वास दिलाया कि वास्तविक ब्रह्मांड एक होलोग्राम है। अड़चन यह है कि एक बोतल में मालदासेना का ब्रह्मांड हमारे अपने से अलग है। यह एक प्रकार के स्पेस-टाइम से भरा है जो नकारात्मक रूप से घुमावदार है, जो इसे सतह जैसी बाहरी सीमा देता है। हमारे ब्रह्मांड को सपाट माना जाता है, और सिद्धांतकारों को इस बात का बहुत कम पता है कि फ्लैट स्पेस-टाइम का होलोग्राफिक ड्यूल कैसा दिखता है। स्ट्रोमिंगर ने कहा, "हमें वास्तविक दुनिया में वापस आने की जरूरत है, जबकि हमने इन काल्पनिक दुनिया से जो सीखा है, उससे प्रेरणा लेते हुए।"
और इसलिए समूह ने फ्लैट स्पेस-टाइम में बैठे एक यथार्थवादी कताई ब्लैक होल का अध्ययन करने का फैसला किया, जैसे कि इवेंट होराइजन टेलीस्कोप द्वारा फोटो खिंचवाया गया था। "पूछने वाले पहले प्रश्न हैं: होलोग्राफिक ड्यूल कहाँ रहता है? और समरूपता क्या हैं?" हैदर ने कहा।
होलोग्राफिक डुअल के लिए खोज रहे हैं
ऐतिहासिक रूप से, अनुरूप समरूपता क्वांटम सिस्टम की खोज में एक भरोसेमंद मार्गदर्शक साबित हुई है जो गुरुत्वाकर्षण के साथ सिस्टम पर होलोग्राफिक रूप से मैप करती है। स्ट्रोमिंगर ने कहा, "क्वांटम ग्रेविटी सिद्धांतकार को एक ही वाक्य में अनुरूप समरूपता और ब्लैक होल कहना कुत्ते के सामने लाल मांस लहराने जैसा है।"
सामान्य सापेक्षता में ब्लैक होल को कताई के विवरण से शुरू करते हुए, जिसे केर मीट्रिक कहा जाता है, समूह ने अनुरूप समरूपता के संकेतों की तलाश शुरू की। उन्होंने ब्लैक होल को हथौड़े से मारने की कल्पना की ताकि वह घंटी की तरह बज सके। ये धीरे-धीरे लुप्त होने वाले कंपन गुरुत्वाकर्षण तरंगों की तरह होते हैं, जब दो ब्लैक होल टकराते हैं। ब्लैक होल कुछ गुंजयमान आवृत्तियों के साथ रिंग करेगा जो स्पेस-टाइम के आकार पर निर्भर करता है (अर्थात केर मीट्रिक पर) जैसे घंटी के बजने वाले स्वर उसके आकार पर निर्भर करते हैं।
कंपन के सटीक पैटर्न का पता लगाना असंभव है क्योंकि केर मीट्रिक इतना जटिल है। इसलिए टीम ने केवल उच्च-आवृत्ति कंपनों पर विचार करके पैटर्न का अनुमान लगाया, जो ब्लैक होल को बहुत मुश्किल से मारने के परिणामस्वरूप होता है। उन्होंने इन उच्च ऊर्जाओं पर तरंगों के पैटर्न और ब्लैक होल के फोटॉन के छल्ले की संरचना के बीच एक संबंध देखा। पैटर्न "फोटॉन रिंग द्वारा पूरी तरह से शासित हो जाता है," ने कहा एलेक्स लुप्सस्का टेनेसी में वेंडरबिल्ट इनिशिएटिव फॉर ग्रेविटी, वेव्स एंड फ्लूड्स, जिन्होंने स्ट्रोमिंगर, हैदर और हार्वर्ड के डैनियल कपेक के साथ नए पेपर का सह-लेखन किया।
2020 की गर्मियों में कोविड-19 महामारी के दौरान एक महत्वपूर्ण क्षण आया। हार्वर्ड के जेफरसन भौतिकी प्रयोगशाला के बाहर घास पर ब्लैकबोर्ड और बेंच स्थापित किए गए थे, और शोधकर्ता अंततः व्यक्तिगत रूप से मिल सकते थे। उन्होंने काम किया कि, अनुरूप समरूपता की तरह, जो प्रत्येक फोटॉन रिंग को अगले सबरिंग से जोड़ता है, रिंगिंग ब्लैक होल के क्रमिक स्वर एक दूसरे से अनुरूप समरूपता से संबंधित होते हैं। स्ट्रोमिंगर ने कहा, फोटॉन के छल्ले और ब्लैक होल कंपन के बीच यह संबंध होलोग्राफी का "अग्रदूत" हो सकता है।
एक और संकेत है कि फोटॉन रिंग का विशेष महत्व हो सकता है, जो कि ब्लैक होल की ज्यामिति से संबंधित है। "यह बहुत, बहुत अजीब है," हैदर ने कहा। "जैसा कि आप फोटॉन रिंग पर विभिन्न बिंदुओं के साथ आगे बढ़ते हैं, आप वास्तव में अलग-अलग त्रिज्या की जांच कर रहे हैं" या ब्लैक होल में गहराई।
इन निष्कर्षों का अर्थ स्ट्रोमिंगर से है कि घटना क्षितिज के बजाय फोटॉन रिंग, कताई ब्लैक होल की होलोग्राफिक प्लेट के हिस्से के लिए एक "प्राकृतिक उम्मीदवार" है।
यदि ऐसा है, तो ब्लैक होल में गिरने वाली वस्तुओं के बारे में जानकारी का क्या होता है, इसे चित्रित करने का एक नया तरीका हो सकता है - एक लंबे समय तक चलने वाला रहस्य जिसे ब्लैक होल सूचना विरोधाभास के रूप में जाना जाता है। हाल की गणना इंगित करता है कि यह जानकारी किसी तरह ब्रह्मांड द्वारा संरक्षित है क्योंकि ब्लैक होल धीरे-धीरे वाष्पित हो जाता है। स्ट्रोमिंगर अब अनुमान लगाता है कि जानकारी होलोग्राफिक प्लेट में संग्रहीत की जा सकती है। "शायद जानकारी वास्तव में ब्लैक होल में नहीं आती है, लेकिन यह ब्लैक होल के बाहर एक बादल में रहती है, जो शायद फोटॉन रिंग तक फैली हुई है," उन्होंने कहा। "लेकिन हम यह नहीं समझते हैं कि यह वहां कैसे कोडित है, या वास्तव में यह कैसे काम करता है।"
सिद्धांतकारों के लिए एक कॉल
स्ट्रोमिंगर और कंपनी का कूबड़ कि होलोग्राफिक ड्यूल फोटॉन रिंग में या उसके आस-पास रहता है, कुछ क्वांटम ग्रेविटी सिद्धांतकारों द्वारा संदेह के साथ मुलाकात की गई है, जो इसे रिंग के अनुरूप समरूपता से बहुत बोल्ड एक एक्सट्रपलेशन के रूप में देखते हैं। "जहां होलोग्राफिक दोहरे जीवन की तुलना में बहुत गहरा प्रश्न है: समरूपता क्या है?" कहा डैनियल हार्लोमैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में क्वांटम ग्रेविटी और ब्लैक होल सिद्धांतकार। हालांकि वह इस मुद्दे पर आगे के शोध के पक्ष में हैं, हार्लो ने जोर देकर कहा कि एक ठोस होलोग्राफिक द्वंद्व, इस मामले में, यह दिखाना चाहिए कि फोटॉन रिंग के गुण, जैसे कि व्यक्तिगत फोटॉन की कक्षाओं और आवृत्तियों, गणितीय रूप से ठीक-ठीक पर मैप करते हैं। ब्लैक होल का क्वांटम विवरण।
फिर भी, कई विशेषज्ञों ने कहा कि नया शोध एक उपयोगी सुई प्रदान करता है जिसे किसी भी प्रस्तावित होलोग्राफिक दोहरे को थ्रेड करना चाहिए: दोहरी को एक कताई ब्लैक होल के असामान्य कंपन पैटर्न को घंटी की तरह मारने के बाद एन्कोड करने में सक्षम होना चाहिए। स्ट्रोमिंगर ने कहा, "ब्लैक होल का वर्णन करने वाली क्वांटम प्रणाली की मांग करना उस सभी जटिलता को पुन: उत्पन्न करता है जो एक अविश्वसनीय रूप से शक्तिशाली बाधा है - और एक जिसे हमने पहले कभी शोषण करने की कोशिश नहीं की है।" ईवा सिल्वरस्टीनस्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी के एक सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी ने कहा, "यह लोगों के लिए सैद्धांतिक डेटा का एक बहुत अच्छा टुकड़ा लगता है जब एक होलोग्राफिक दोहरे विवरण का प्रयास करते समय पुन: पेश करने का प्रयास किया जाता है।"
मालदासेना ने सहमति व्यक्त करते हुए कहा, "कोई यह समझना चाहेगा कि इसे होलोग्राफिक ड्यूल में कैसे शामिल किया जाए। तो यह शायद उस दिशा में कुछ शोध को प्रोत्साहित करेगा।"
मैलोनी को संदेह है कि फोटॉन रिंग की नई समरूपता सिद्धांतकारों और पर्यवेक्षकों दोनों के बीच रुचि पैदा करेगी। अगर इवेंट होराइजन टेलीस्कोप के उन्नयन की उम्मीद है, तो यह कुछ वर्षों के भीतर फोटॉन के छल्ले का पता लगाना शुरू कर सकता है।
इन छल्लों के भविष्य के माप सीधे होलोग्राफी का परीक्षण नहीं करेंगे, हालांकि - बल्कि, डेटा ब्लैक होल के पास सामान्य सापेक्षता के चरम परीक्षणों की अनुमति देगा। यह सिद्धांतकारों पर निर्भर है कि वे पेन-एंड-पेपर गणनाओं के साथ निर्धारित करें कि क्या ब्लैक होल के चारों ओर अनंत प्रकाश जाल की संरचना गणितीय रूप से रहस्यों को एन्क्रिप्ट कर सकती है।
