Amikor a fotonok egy fekete lyuk felé száguldanak, a legtöbbet beszívják annak mélységébe, hogy soha többé ne térjenek vissza, vagy finoman eltérítik. Ritka kevesen azonban megkerülik a lyukat, és egy sor hirtelen visszafordulást hajtanak végre. Néhány ilyen foton gyakorlatilag örökké kering a fekete lyuk körül.
Az asztrofizikusok „kozmikus filmkamerának” és „végtelen fénycsapdának” nevezik az így létrejövő fotongyűrűt, amely a természet legfurcsább jelenségei közé tartozik. Ha észleli a fotonokat, „a világegyetem minden tárgyát végtelenül sokszor fog látni” – mondta. Sam Gralla, az Arizonai Egyetem fizikusa.
De ellentétben a fekete lyuk ikonikus eseményhorizontjával – amelyen belül a gravitáció olyan erős, hogy semmi sem tud kiszabadulni – a fotongyűrű, amely a lyuk körül távolabb kering, soha nem kapott különösebb figyelmet a teoretikusoktól. Érthető, hogy a kutatókat az eseményhorizont foglalkoztatja, mivel ez jelzi az univerzumról szerzett tudásuk határát. A kozmosz nagy részén a gravitáció térben és időben görbült, ahogy azt Albert Einstein általános relativitáselmélete írja le. De a téridő annyira megvetemedik a fekete lyukak belsejében, hogy az általános relativitáselmélet ott megbomlik. A gravitáció valódibb kvantumleírását kereső kvantumgravitációs teoretikusok ezért a horizonton keresték a válaszokat.
„Azt az álláspontot képviseltem, hogy az eseményhorizontot meg kell értenünk” – mondta Andrew Strominger, a Harvard Egyetem vezető fekete lyuk és kvantumgravitációs teoretikusa. "És én a fotongyűrűre úgy gondoltam, mint valami technikai, bonyolult dologra, aminek nincs mélyebb jelentősége."
Strominger most megteszi a fordulatot, és megpróbálja meggyőzni a többi teoretikust, hogy csatlakozzanak hozzá. "Izgatottan kutatjuk annak lehetőségét, hogy a fotongyűrű az a dolog, amit meg kell értened, hogy feltárd a Kerr fekete lyukak titkait" - mondta, utalva a forgó fekete lyukak fajtájára, amikor csillagok meghalnak és gravitációs összeomlásuk. . (A fotongyűrű egyidejűleg alakul ki.)
In egy papír májusban és a közelmúltban tette közzé az interneten közzétételre elfogadták in Klasszikus kvantumgravitáció, Strominger és munkatársai felfedték, hogy a forgó fekete lyuk körüli fotongyűrűnek váratlan szimmetriája van – így átalakítható, és ugyanaz marad. A szimmetria arra utal, hogy a gyűrű információkat kódolhat a lyuk kvantumszerkezetéről. "Ez a szimmetria olyan bűzlik, mintha valami köze lenne a fekete lyukak kvantumdinamikájának megértésének központi problémájához" - mondta. A felfedezés arra késztette a kutatókat, hogy megvitassák, vajon a fotongyűrű része lehet-e egyáltalán a fekete lyuk holografikus kettősének – egy olyan kvantumrendszernek, amely pontosan megegyezik magával a fekete lyukkal, és amelyből a fekete lyuk úgy képzelhető el egy hologram.
"Nagyon érdekes utat nyit meg e [fekete lyuk] geometriák holográfiájának megértéséhez" - mondta. Alex Maloney, a kanadai McGill Egyetem teoretikusa, aki nem vett részt a kutatásban. „Az új szimmetria az eseményhorizonttól távol rendezi a fekete lyukak szerkezetét, és szerintem ez nagyon izgalmas.”
Sokkal több elméleti tanulmányra van szükség ahhoz, hogy a kutatók biztosan meg tudják mondani, hogy a fotongyűrű kódolja-e a fekete lyuk belső tartalmát, és ha igen, milyen módon. A teoretikusok legalábbis azt mondják, hogy az új tanulmány precíz tesztet írt le minden olyan kvantumrendszerre, amely a fekete lyuk holografikus kettősének vallja magát. „Ez egy holografikus leírás célpontja” – mondta Juan Maldacena a Princetonban, New Jersey-ben található Institute for Advanced Study munkatársa, a holográfia egyik eredeti építésze.
A fotongyűrűben rejtőzködve
A fotongyűrűvel kapcsolatos izgalom része az, hogy az eseményhorizonttal ellentétben valójában látható. Valójában Strominger e gyűrűk felé fordult egy fénykép miatt történt: a első kép egy fekete lyukról. Amikor az Event Horizon Telescope (EHT) 2019-ben bemutatta, „sírtam” – mondta. – Elképesztően szép.
A lelkesedés hamarosan zűrzavarba torkollott. A képen látható fekete lyuk körül vastag fénygyűrű volt, de az EHT csapat fizikusai nem tudták, hogy ez a fény a lyukat körülvevő kaotikus környezet terméke, vagy a fekete lyuk fotongyűrűjét tartalmazza. Stromingerhez és teoretikus kollégáihoz fordultak segítségért a kép értelmezésében. Együtt böngészték a számítógépes szimulációk hatalmas adattárát, amelyet az EHT csapata használt a fekete lyukak körüli fényt termelő fizikai folyamatok szétválasztására. Ezeken a szimulált képeken láthatták a vékony, fényes gyűrűt a nagyobb, homályosabb narancssárga fényfánkba ágyazva.
"Ha megnézi az összes szimulációt, nem hagyhatja ki" - mondta Shahar Hadar az izraeli Haifa Egyetem munkatársa, aki Stromingerrel és az EHT fizikusaival együttműködött a kutatásban a Harvardon. Hadar szerint a fotongyűrű kialakulása „univerzális hatásnak” tűnik, amely minden fekete lyuk körül megtörténik.
A fekete lyukakat körülvevő, energetikailag ütköző részecskék és mezők forgatagától eltérően – állapították meg a teoretikusok – a fotongyűrű éles vonala közvetlen információt hordoz a fekete lyuk tulajdonságairól, beleértve a tömegét és a spin mértékét is. „Határozottan ez a legszebb és leglenyűgözőbb módja annak, hogy valóban meglássuk a fekete lyukat” – mondta Strominger.
Csillagászok, szimulátorok és teoretikusok együttműködése során kiderült, hogy az EHT tényleges fényképe, amelyen a közeli Messier 87 galaxis közepén lévő fekete lyuk látható, nem elég éles a fotongyűrű feloldásához, bár nincs is messze. Belevitatkoztak 2020 papír hogy a jövőbeli, nagyobb felbontású teleszkópoknak könnyen látniuk kell a fotongyűrűket. (A új lap azt állítja, hogy megtalálta a gyűrűt az EHT 2019-es képén egy algoritmus alkalmazásával, amely eltávolította a rétegeket az eredeti adatokból, de az állítást szkepticizmussal fogadták.)
Mégis, miután olyan sokáig bámulták a fotongyűrűket a szimulációk során, Strominger és kollégái elkezdtek azon töprengeni, hogy alakjuk még mélyebb jelentésre utal.
Meglepő szimmetria
Azok a fotonok, amelyek egyszeri fordulatot hajtanak végre egy fekete lyuk körül, majd a Föld felé cipzároznak, egyetlen fénygyűrűnek tűnnek számunkra. A lyuk körül kétszer megforduló fotonok halványabb, vékonyabb részgyűrűként jelennek meg az első gyűrűn belül. És a három U-fordulatot megtevő fotonok algyűrűként jelennek meg az algyűrűn belül, és így tovább, beágyazott gyűrűket hozva létre, amelyek mindegyike halványabb és vékonyabb, mint az előző.
A belső algyűrűk fénye több pályát tett meg, ezért a külső algyűrűk fénye előtt fogták fel, ami egy sor időkésleltetett pillanatfelvételt eredményezett a környező univerzumról. „Együtt az algyűrűk egy film képkockáihoz hasonlítanak, és a látható univerzum történetét rögzítik a fekete lyukból nézve” – írta az együttműködés a 2020-as tanulmányban.
Strominger azt mondta, hogy amikor ő és munkatársai megnézték az EHT-képeket, „úgy gondoltunk: „Hé, végtelen számú másolata van az univerzumnak azon a képernyőn? Nem lehet, hogy itt él a holografikus kettős?”
A kutatók rájöttek, hogy a gyűrű koncentrikus szerkezete a szimmetriák egy csoportjára utal, amelyet konformális szimmetriának neveznek. A konformális szimmetriával rendelkező rendszer „skálainvarianciát” mutat, ami azt jelenti, hogy ugyanúgy néz ki, amikor nagyít vagy kicsinyít. Ebben az esetben minden foton részgyűrű az előző részgyűrű pontos, denagyított másolata. Ezenkívül a konforman szimmetrikus rendszer ugyanaz marad, ha időben előre vagy hátra fordítjuk, és amikor minden térbeli koordinátát megfordítunk, eltolunk, majd ismét megfordítunk.
Strominger az 1990-es években találkozott a konformális szimmetriával, amikor az egy speciális ötdimenziós fekete lyukban bukkant fel, amelyet tanulmányozott. Ennek a szimmetriának a részleteinek pontos megértésével ő és Cumrun Vafa talált a újszerű módon hogy összekapcsoljuk az általános relativitáselméletet a kvantumvilággal, legalábbis ezeken az extrém típusú fekete lyukakon belül. Azt képzelték, hogy kivágják a fekete lyukat, és az eseményhorizontját egy holografikus lemezre cserélik, egy olyan felületre, amely részecskék kvantumrendszerét tartalmazza, amely tiszteletben tartja a konformális szimmetriát. Megmutatták, hogy a rendszer tulajdonságai megfelelnek a fekete lyuk tulajdonságainak, mintha a fekete lyuk a konformális kvantumrendszer magasabb dimenziós hologramja lenne. Ily módon hidat építettek egy fekete lyuk általános relativitáselmélet szerinti leírása és kvantummechanikai leírása között.
1997-ben a Maldacena ugyanezt a holografikus elvet kiterjesztette egy egész játékuniverzumra. Felfedezett egy "univerzum egy üvegben”, amelyben a palack felületén élő, konforman szimmetrikus kvantumrendszer pontosan leképeződik a tér-idő és a gravitáció tulajdonságaira a palack belsejében. Mintha a belső tér egy „univerzum” lett volna, amely hologramként vetül ki alsó dimenziós felületéről.
A felfedezés sok teoretikust arra késztetett, hogy elhiggye, hogy a valódi univerzum egy hologram. A baj az, hogy a Maldacena palackos univerzuma eltér a miénktől. Ez tele van egyfajta téridővel, amely negatívan ívelt, ami felületszerű külső határt ad neki. Az univerzumunkat laposnak tartják, és a teoretikusoknak aligha van fogalmuk arról, hogyan néz ki a lapos téridő holografikus kettőse. „Vissza kell térnünk a való világba, miközben ihletet merítünk abból, amit ezekből a hipotetikus világokból tanultunk” – mondta Strominger.
Ezért a csoport úgy döntött, hogy egy valósághű, forgó fekete lyukat tanulmányoznak, amelyek lapos téridőben ülnek, mint amilyeneket az Event Horizon Telescope fényképezett. „Az első kérdések, amelyeket fel kell tenni: Hol él a holografikus kettős? És mik a szimmetriák?” - mondta Hadar.
A holografikus kettős keresése
Történelmileg a konformális szimmetria megbízható útmutatónak bizonyult olyan kvantumrendszerek keresésében, amelyek holografikusan leképeznek gravitációs rendszereket. „Ha egy kvantumgravitációs teoretikusnak konformális szimmetriát és fekete lyukat mondunk ugyanabban a mondatban, az olyan, mintha vörös húst lengetnénk egy kutya előtt” – mondta Strominger.
Az általános relativitáselméletben forgó fekete lyukak leírásából kiindulva, amelyet Kerr-metrikának neveznek, a csoport elkezdte keresni a konformális szimmetria utalásait. Elképzelték, hogy kalapáccsal megütik a fekete lyukat, hogy az úgy szóljon, mint egy harang. Ezek a lassan elhalványuló rezgések olyanok, mint a gravitációs hullámok, amelyek akkor keletkeznek, amikor mondjuk két fekete lyuk összeütközik. A fekete lyuk bizonyos rezonanciafrekvenciákkal fog csörögni, amelyek a téridő alakjától (vagyis a Kerr-metrikától) függenek, ahogy a harang csengőhangja is az alakjától függ.
A rezgések pontos mintázatának kitalálása nem kivitelezhető, mert a Kerr-metrika olyan bonyolult. Tehát a csapat úgy közelítette meg a mintát, hogy csak a nagyfrekvenciás rezgéseket vette figyelembe, amelyek a fekete lyuk erős ütéséből származnak. Kapcsolatot észleltek a nagy energiájú hullámok mintázata és a fekete lyuk fotongyűrűinek szerkezete között. A mintát „kiderült, hogy teljes mértékben a fotongyűrű irányítja” – mondta Alex Lupsasca a Vanderbilt Initiative for Gravity, Waves and Fluids Tennessee-ben, aki Stromingerrel, Hadarral és Daniel Kapeccel a Harvardról közösen írta az új tanulmányt.
A Covid-2020 világjárvány idején 19 nyarán sorsdöntő pillanat következett. Táblákat és padokat állítottak fel a füvön a harvardi Jefferson fizikai labor előtt, és a kutatók végre személyesen is találkozhattak. Kidolgozták, hogy az egyes fotongyűrűket a következő algyűrűhöz viszonyító konformális szimmetriához hasonlóan a csengő fekete lyuk egymást követő hangjai is konform szimmetriával kapcsolódnak egymáshoz. A fotongyűrűk és a fekete lyuk rezgései közötti kapcsolat a holográfia "hírnöke" lehet, mondta Strominger.
Egy másik nyom arra nézve, hogy a fotongyűrű különleges jelentőséggel bírhat, abból ered, hogy a gyűrű a fekete lyuk geometriájával ellentétes módon kapcsolódik. – Nagyon-nagyon furcsa – mondta Hadar. „Amikor a fotongyűrű különböző pontjain haladsz, valójában különböző sugarakat vagy mélységeket tapogatsz a fekete lyukba.
Ezek az eredmények Strominger szerint arra utalnak, hogy a fotongyűrű, nem pedig az eseményhorizont, „természetes jelölt” egy forgó fekete lyuk holografikus lemezének egy részére.
Ha igen, akkor lehet, hogy új mód nyílik arra, hogy elképzeljük, mi történik a fekete lyukakba eső tárgyakkal kapcsolatos információkkal – ez a régóta fennálló rejtély, amelyet fekete lyuk információs paradoxonként ismernek. Friss számítások azt jelzik, hogy ezt az információt az univerzum valahogy megőrzi, ahogy egy fekete lyuk lassan elpárolog. Strominger most azt feltételezi, hogy az információt a holografikus lemezen lehet tárolni. "Talán az információ nem igazán esik a fekete lyukba, hanem egy felhőben marad a fekete lyukon kívül, amely valószínűleg a fotongyűrűig terjed" - mondta. "De nem értjük, hogyan van kódolva oda, vagy hogy ez pontosan hogyan működik."
Felhívás teoretikusokhoz
Strominger és cége azon sejtéseit, hogy a holografikus kettős a fotongyűrűben vagy körülötte él, szkepticizmussal fogadta néhány kvantumgravitációs teoretikus, akik szerint ez túl merész extrapoláció a gyűrű konformális szimmetriájából. "Hol a holografikus kettős élet sokkal mélyebb kérdés, mint: mi a szimmetria?" mondott Daniel Harlow, a Massachusetts Institute of Technology kvantumgravitációs és fekete lyukak elméleti kutatója. Bár támogatja a kérdés további kutatását, Harlow hangsúlyozza, hogy ebben az esetben a meggyőző holografikus kettősségnek meg kell mutatnia, hogy a fotongyűrű tulajdonságai, például az egyes fotonok pályája és frekvenciái hogyan illeszkednek matematikailag a finomszemcsés képre. a fekete lyuk kvantumrészletei.
Mindazonáltal több szakértő azt mondta, hogy az új kutatás hasznos tűt kínál, amelyet minden javasolt holografikus kettősnek be kell fűznie: a kettősnek képesnek kell lennie arra, hogy kódolja a forgó fekete lyuk szokatlan vibrációs mintáját, miután harangszerűen megütötte. "A fekete lyukat leíró kvantumrendszer megkövetelése ennek a komplexitásnak az egészét reprodukálja, ez egy hihetetlenül erős korlát - és olyan, amelyet korábban soha nem próbáltunk kiaknázni" - mondta Strominger. Éva Silverstein, a Stanford Egyetem elméleti fizikusa azt mondta: "Nagyon szép elméleti adatnak tűnik, hogy az emberek megpróbálják reprodukálni a holografikus kettős leírást."
Maldacena egyetértett, és azt mondta: „Szeretnénk megérteni, hogyan lehet ezt beépíteni egy holografikus duálba. Tehát valószínűleg ösztönözni fog néhány ilyen irányú kutatást."
Maloney gyanítja, hogy a fotongyűrű újonnan felfedezett szimmetriája felkelti az érdeklődést mind a teoretikusok, mind a megfigyelők körében. Ha az Event Horizon Telescope remélt fejlesztéseit finanszírozzák, néhány éven belül elkezdheti észlelni a fotongyűrűket.
Ezeknek a gyűrűknek a jövőbeni mérései azonban nem fogják közvetlenül a holográfiát tesztelni, hanem az adatok lehetővé teszik az általános relativitáselmélet extrém vizsgálatát a fekete lyukak közelében. A teoretikusok feladata, hogy tollas-papíros számításokkal megállapítsák, hogy a fekete lyukak körüli végtelen fénycsapdák szerkezete képes-e matematikailag titkosítani a benne rejlő titkokat.
