Ketika foton meluncur cepat menuju lubang hitam, sebagian besar tersedot ke kedalamannya, tidak pernah kembali, atau dibelokkan dengan lembut. Namun, beberapa yang jarang melewati lubang, membuat serangkaian putaran U yang tiba-tiba. Beberapa foton ini terus mengitari lubang hitam hampir selamanya.
Digambarkan oleh astrofisikawan sebagai "kamera film kosmik" dan "perangkap cahaya tak terbatas", cincin yang dihasilkan dari foton yang mengorbit adalah salah satu fenomena paling aneh di alam. Jika Anda mendeteksi foton, "Anda akan melihat setiap objek di alam semesta berkali-kali tanpa batas," kata Sam Gralla, seorang fisikawan di University of Arizona.
Tapi tidak seperti cakrawala peristiwa ikonik dari lubang hitam — batas di mana gravitasi begitu kuat sehingga tidak ada yang bisa lolos — cincin foton, yang mengorbit lubang lebih jauh, tidak pernah mendapat banyak perhatian dari para ahli teori. Masuk akal bahwa para peneliti telah disibukkan dengan cakrawala peristiwa, karena itu menandai ujung pengetahuan mereka tentang alam semesta. Di sebagian besar kosmos, gravitasi mengikuti kurva dalam ruang dan waktu seperti yang dijelaskan oleh teori relativitas umum Albert Einstein. Tapi ruang-waktu membelok begitu banyak di dalam lubang hitam sehingga relativitas umum rusak di sana. Oleh karena itu, para ahli teori gravitasi kuantum yang mencari deskripsi gravitasi kuantum yang lebih benar telah melihat ke cakrawala untuk mencari jawaban.
“Saya telah mengambil pandangan bahwa cakrawala peristiwa adalah apa yang perlu kita pahami,” kata Andrew Strominger, seorang ahli teori lubang hitam dan gravitasi kuantum terkemuka di Universitas Harvard. "Dan saya menganggap cincin foton sebagai semacam teknis, hal rumit yang tidak memiliki makna mendalam."
Sekarang Strominger membuat putaran baliknya sendiri dan mencoba meyakinkan ahli teori lain untuk bergabung dengannya. “Kami sedang mengeksplorasi, dengan penuh semangat, kemungkinan bahwa cincin foton adalah hal yang harus Anda pahami untuk membuka rahasia lubang hitam Kerr,” katanya, mengacu pada jenis lubang hitam berputar yang tercipta ketika bintang mati dan runtuh secara gravitasi. . (Cincin foton terbentuk secara bersamaan.)
In kertas diposting online pada bulan Mei dan baru-baru ini diterima untuk diterbitkan in Gravitasi Kuantum Klasik, Strominger dan kolaboratornya mengungkapkan bahwa cincin foton di sekitar lubang hitam yang berputar memiliki jenis simetri yang tidak terduga — cara yang dapat diubah dan tetap sama. Simetri menunjukkan bahwa cincin dapat mengkodekan informasi tentang struktur kuantum lubang itu. “Simetri ini berbau seperti ada hubungannya dengan masalah utama dalam memahami dinamika kuantum lubang hitam,” katanya. Penemuan ini telah menyebabkan para peneliti memperdebatkan apakah cincin foton bahkan mungkin menjadi bagian dari "ganda holografik" lubang hitam - sistem kuantum yang persis setara dengan lubang hitam itu sendiri, dan lubang hitam dapat dianggap muncul dari luar. sebuah hologram.
“Ini membuka jalan yang sangat menarik untuk memahami holografi dari geometri [lubang hitam] ini,” kata Alex Maloney, seorang ahli teori di McGill University di Kanada yang tidak terlibat dalam penelitian ini. "Simetri baru mengatur struktur lubang hitam jauh dari cakrawala peristiwa, dan saya pikir itu sangat menarik."
Diperlukan lebih banyak studi teoretis sebelum para peneliti dapat mengatakan dengan pasti apakah, atau dengan cara apa, cincin foton mengkodekan isi dalam lubang hitam. Tapi paling tidak, para ahli teori mengatakan makalah baru ini telah merinci tes yang tepat untuk setiap sistem kuantum yang mengklaim sebagai dual holografik lubang hitam. "Ini adalah target untuk deskripsi holografik," kata Juan Maldacena dari Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, salah satu arsitek asli holografi.
Bersembunyi di Cincin Foton
Bagian dari kegembiraan tentang cincin foton adalah, tidak seperti cakrawala peristiwa, cincin itu benar-benar terlihat. Faktanya, putaran U Strominger ke arah cincin ini terjadi karena sebuah foto: gambar pertama lubang hitam. Ketika Event Horizon Telescope (EHT) meluncurkannya pada 2019, "Saya menangis," katanya. “Ini luar biasa indah.”
Kegembiraan segera berubah menjadi kebingungan. Lubang hitam pada gambar memiliki cincin cahaya tebal di sekitarnya, tetapi fisikawan di tim EHT tidak tahu apakah cahaya ini adalah produk dari lingkungan sekitar lubang yang kacau, atau apakah itu termasuk cincin foton lubang hitam. Mereka pergi ke Strominger dan rekan ahli teorinya untuk membantu menafsirkan gambar. Bersama-sama, mereka menelusuri bank data besar simulasi komputer yang digunakan tim EHT untuk menguraikan proses fisik yang menghasilkan cahaya di sekitar lubang hitam. Dalam gambar simulasi ini, mereka dapat melihat cincin tipis dan terang yang tertanam di donat cahaya oranye yang lebih besar dan lebih kabur.
“Ketika Anda melihat semua simulasi, Anda tidak dapat melewatkannya,” kata Shahar Hadar dari Universitas Haifa di Israel, yang bekerja sama dengan Strominger dan fisikawan EHT dalam penelitian saat di Harvard. Pembentukan cincin foton tampaknya menjadi "efek universal" yang terjadi di sekitar semua lubang hitam, kata Hadar.
Tidak seperti pusaran partikel bertabrakan energik dan medan yang mengelilingi lubang hitam, para ahli teori menentukan, garis tajam cincin foton membawa informasi langsung tentang sifat lubang hitam, termasuk massa dan jumlah putarannya. “Ini jelas merupakan cara yang paling indah dan menarik untuk benar-benar melihat lubang hitam,” kata Strominger.
Kolaborasi para astronom, simulator, dan ahli teori menemukan bahwa foto aktual EHT, yang menunjukkan lubang hitam di pusat galaksi terdekat Messier 87, tidak cukup tajam untuk memecahkan cincin foton, meskipun jaraknya tidak terlalu jauh. Mereka berdebat di sebuah kertas 2020 bahwa teleskop masa depan dengan resolusi lebih tinggi akan dengan mudah melihat cincin foton. (SEBUAH kertas baru mengklaim telah menemukan cincin dalam gambar EHT 2019 dengan menerapkan algoritme untuk menghapus lapisan dari data asli, tetapi klaim tersebut ditanggapi dengan skeptis.)
Namun, setelah menatap cincin foton begitu lama dalam simulasi, Strominger dan rekan-rekannya mulai bertanya-tanya apakah bentuk mereka mengisyaratkan makna yang lebih dalam.
Simetri yang Mengejutkan
Foton yang membuat satu putaran U di sekitar lubang hitam dan kemudian meluncur menuju Bumi akan tampak bagi kita sebagai satu cincin cahaya. Foton yang membuat dua putaran U di sekitar lubang muncul sebagai subring yang lebih redup dan tipis di dalam cincin pertama. Dan foton yang membuat tiga putaran U muncul sebagai subring di dalam subring itu, dan seterusnya, menciptakan cincin bersarang, masing-masing lebih redup dan lebih tipis daripada yang terakhir.
Cahaya dari subring bagian dalam telah membuat lebih banyak orbit dan oleh karena itu ditangkap sebelum cahaya dari subring bagian luar, menghasilkan serangkaian cuplikan waktu tunda dari alam semesta di sekitarnya. “Bersama-sama, set subring mirip dengan bingkai film, menangkap sejarah alam semesta yang terlihat seperti yang terlihat dari lubang hitam,” tulis kolaborasi itu di koran 2020.
Strominger mengatakan bahwa ketika dia dan rekan-rekannya melihat gambar-gambar EHT, “kami seperti: 'Hei, ada salinan alam semesta dalam jumlah tak terbatas di sana, di layar itu? Bukankah itu tempat tinggal ganda holografik?'”
Para peneliti menyadari bahwa struktur konsentris cincin menunjukkan sekelompok simetri yang disebut simetri konformal. Sebuah sistem yang memiliki simetri konformal menunjukkan "invarians skala", yang berarti terlihat sama saat Anda memperbesar atau memperkecil. Dalam hal ini, setiap subring foton adalah salinan yang tepat dan diperkecil dari subring sebelumnya. Selain itu, sistem simetris konformal tetap sama ketika diterjemahkan ke depan atau ke belakang dalam waktu dan ketika semua koordinat spasial dibalik, digeser, dan kemudian dibalik lagi.
Strominger menemukan simetri konformal pada 1990-an ketika muncul dalam jenis khusus lubang hitam lima dimensi yang dia pelajari. Dengan memahami secara tepat detail simetri ini, dia dan— Cumrun Vafa menemukan sebuah cara baru untuk menghubungkan relativitas umum ke dunia kuantum, setidaknya di dalam lubang hitam jenis ekstrim ini. Mereka membayangkan memotong lubang hitam dan mengganti cakrawala peristiwanya dengan apa yang mereka sebut pelat holografik, permukaan yang berisi sistem kuantum partikel yang menghormati simetri konformal. Mereka menunjukkan bahwa sifat sistem sesuai dengan sifat lubang hitam, seolah-olah lubang hitam adalah hologram berdimensi lebih tinggi dari sistem kuantum konformal. Dengan cara ini, mereka membangun jembatan antara deskripsi lubang hitam menurut relativitas umum dan deskripsi mekanika kuantumnya.
Pada tahun 1997, Maldacena memperluas prinsip holografik yang sama ini ke seluruh alam semesta mainan. Dia menemukan sebuah “alam semesta dalam botol”, di mana sistem kuantum simetris konformal yang hidup di permukaan botol secara tepat dipetakan ke sifat-sifat ruang-waktu dan gravitasi di bagian dalam botol. Seolah-olah interiornya adalah "alam semesta" yang diproyeksikan dari permukaan dimensi yang lebih rendah seperti hologram.
Penemuan ini membuat banyak ahli teori percaya bahwa alam semesta yang sebenarnya adalah hologram. Halangannya adalah bahwa alam semesta Maldacena dalam botol berbeda dari alam semesta kita. Itu diisi dengan jenis ruang-waktu yang melengkung negatif, yang memberinya batas luar seperti permukaan. Alam semesta kita dianggap datar, dan para ahli teori tidak tahu persis seperti apa rupa holografik dual ruang-waktu. “Kita perlu kembali ke dunia nyata, sambil mengambil inspirasi dari apa yang kita pelajari dari dunia hipotetis ini,” kata Strominger.
Maka kelompok itu memutuskan untuk mempelajari lubang hitam berputar realistis yang berada di ruang-waktu datar, seperti yang difoto oleh Event Horizon Telescope. “Pertanyaan pertama yang harus diajukan adalah: Di mana dual holografik itu tinggal? Dan apa simetrinya?” kata Hadar.
Mencari Dual Holografik
Secara historis, simetri konformal telah terbukti sebagai panduan yang dapat dipercaya dalam mencari sistem kuantum yang secara holografis dipetakan ke sistem dengan gravitasi. "Mengatakan simetri konformal dan lubang hitam dalam kalimat yang sama kepada ahli teori gravitasi kuantum seperti melambaikan daging merah di depan seekor anjing," kata Strominger.
Mulai dari deskripsi lubang hitam berputar dalam relativitas umum, yang disebut metrik Kerr, kelompok itu mulai mencari petunjuk tentang simetri konformal. Mereka membayangkan memukul lubang hitam dengan palu untuk membuatnya berdering seperti bel. Getaran yang perlahan memudar ini seperti gelombang gravitasi yang tercipta ketika, katakanlah, dua lubang hitam bertabrakan. Lubang hitam akan berdering dengan beberapa frekuensi resonansi yang bergantung pada bentuk ruang-waktu (yaitu, pada metrik Kerr) seperti halnya nada dering lonceng bergantung pada bentuknya.
Mencari tahu pola getaran yang tepat tidak mungkin dilakukan karena metrik Kerr sangat rumit. Jadi, tim memperkirakan polanya dengan hanya mempertimbangkan getaran frekuensi tinggi, yang dihasilkan dari menabrak lubang hitam dengan sangat keras. Mereka melihat hubungan antara pola gelombang pada energi tinggi ini dan struktur cincin foton lubang hitam. Polanya “ternyata sepenuhnya diatur oleh cincin foton”, kata Alex Lupsasca dari Vanderbilt Initiative for Gravity, Waves and Fluids di Tennessee, yang ikut menulis makalah baru dengan Strominger, Hadar dan Daniel Kapec dari Harvard.
Momen penting datang pada musim panas 2020 selama pandemi Covid-19. Papan tulis dan bangku didirikan di atas rumput di luar laboratorium fisika Jefferson di Harvard, dan para peneliti akhirnya bisa bertemu langsung. Mereka menemukan bahwa, seperti simetri konformal yang menghubungkan setiap cincin foton ke subring berikutnya, nada berurutan dari lubang hitam cincin terkait satu sama lain dengan simetri konformal. Hubungan antara cincin foton dan getaran lubang hitam ini bisa menjadi "pertanda" holografi, kata Strominger.
Petunjuk lain bahwa cincin foton mungkin memiliki arti khusus berasal dari cara cincin yang berlawanan dengan intuisi terkait dengan geometri lubang hitam. "Ini sangat, sangat aneh," kata Hadar. “Saat Anda bergerak di sepanjang titik yang berbeda pada cincin foton, Anda sebenarnya sedang menyelidiki jari-jari yang berbeda” atau kedalaman ke dalam lubang hitam.
Temuan ini menyiratkan kepada Strominger bahwa cincin foton, bukan cakrawala peristiwa, adalah "kandidat alami" untuk bagian dari pelat holografik lubang hitam yang berputar.
Jika demikian, mungkin ada cara baru untuk menggambarkan apa yang terjadi pada informasi tentang objek yang jatuh ke dalam lubang hitam — misteri lama yang dikenal sebagai paradoks informasi lubang hitam. Perhitungan terbaru menunjukkan bahwa informasi ini entah bagaimana diawetkan oleh alam semesta saat lubang hitam perlahan-lahan menguap. Strominger sekarang berspekulasi bahwa informasi tersebut mungkin disimpan di pelat holografik. “Mungkin informasi tidak benar-benar jatuh ke dalam lubang hitam, tetapi itu tetap berada di awan di sekitar di luar lubang hitam, yang mungkin meluas ke cincin foton,” katanya. "Tapi kami tidak mengerti bagaimana itu dikodekan di sana, atau tepatnya bagaimana cara kerjanya."
Panggilan untuk Para Ahli Teori
Firasat Strominger dan perusahaan bahwa dual holografik hidup di dalam atau di sekitar cincin foton telah ditanggapi dengan skeptis oleh beberapa ahli teori gravitasi kuantum, yang melihatnya sebagai ekstrapolasi yang terlalu berani dari simetri konformal cincin. "Di mana kehidupan ganda holografik adalah pertanyaan yang jauh lebih dalam daripada: Apa simetrinya?" dikatakan Daniel Harlow, seorang ahli teori gravitasi kuantum dan lubang hitam di Massachusetts Institute of Technology. Meskipun ia mendukung penelitian lebih lanjut tentang masalah ini, Harlow menekankan bahwa dualitas holografik yang meyakinkan, dalam hal ini, harus menunjukkan bagaimana sifat-sifat cincin foton, seperti orbit dan frekuensi foton individu, secara matematis dipetakan ke bidang berbutir halus. detail kuantum lubang hitam.
Namun demikian, beberapa ahli mengatakan bahwa penelitian baru ini menawarkan jarum yang berguna yang harus dijalin oleh dual holografik yang diusulkan: Dual harus dapat mengkodekan pola getaran yang tidak biasa dari lubang hitam yang berputar setelah dipukul seperti bel. “Menuntut sistem kuantum yang menggambarkan lubang hitam mereproduksi semua kompleksitas itu adalah kendala yang sangat kuat — dan salah satu yang belum pernah kami coba eksploitasi sebelumnya,” kata Strominger. Eva Silverstein, seorang fisikawan teoretis di Universitas Stanford, mengatakan, "Sepertinya ini adalah bagian data teoretis yang sangat bagus bagi orang untuk mencoba mereproduksi ketika mencoba deskripsi ganda holografik."
Maldacena setuju, dengan mengatakan, “Seseorang ingin memahami bagaimana memasukkan ini ke dalam dual holografik. Jadi itu mungkin akan merangsang beberapa penelitian ke arah itu.”
Maloney menduga bahwa simetri cincin foton yang baru ditemukan akan memacu minat di antara para ahli teori dan pengamat. Jika upgrade yang diharapkan ke Event Horizon Telescope didanai, itu bisa mulai mendeteksi cincin foton dalam beberapa tahun.
Pengukuran cincin ini di masa depan tidak akan secara langsung menguji holografi — melainkan, data akan memungkinkan pengujian relativitas umum yang ekstrem di dekat lubang hitam. Terserah ahli teori untuk menentukan dengan perhitungan pena-dan-kertas apakah struktur perangkap cahaya tak terbatas di sekitar lubang hitam dapat secara matematis mengenkripsi rahasia di dalamnya.
