Quando i fotoni sfrecciano verso un buco nero, la maggior parte viene risucchiata nelle sue profondità, per non tornare mai più, o deviata delicatamente via. Alcuni rari, tuttavia, aggirano il buco, compiendo una serie di brusche inversioni a U. Alcuni di questi fotoni continuano a girare intorno al buco nero praticamente per sempre.
Descritto dagli astrofisici come una "cinepresa cosmica" e una "trappola di luce infinita", l'anello risultante di fotoni orbitanti è tra i fenomeni più strani in natura. Se rilevi i fotoni, "vedrai ogni oggetto nell'universo infinite volte", ha detto Sam Gralla, fisico dell'Università dell'Arizona.
Ma a differenza dell'iconico orizzonte degli eventi di un buco nero - il confine entro il quale la gravità è così forte che nulla può sfuggire - l'anello fotonico, che orbita attorno al buco più lontano, non ha mai ricevuto molta attenzione dai teorici. Ha senso che i ricercatori si siano occupati dell'orizzonte degli eventi, poiché segna il limite della loro conoscenza dell'universo. In gran parte del cosmo, la gravità segue curve nello spazio e nel tempo, come descritto dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein. Ma lo spazio-tempo si deforma così tanto all'interno dei buchi neri che la relatività generale si rompe lì. I teorici della gravità quantistica alla ricerca di una descrizione quantistica più vera della gravità hanno quindi cercato risposte all'orizzonte.
"Avevo ritenuto che l'orizzonte degli eventi fosse ciò che dovevamo capire", ha detto Andrea Strominger, uno dei principali teorici del buco nero e della gravità quantistica presso l'Università di Harvard. "E ho pensato all'anello fotonico come a una specie di cosa tecnica e complicata che non aveva alcun significato profondo."
Ora Strominger sta facendo la sua inversione a U e sta cercando di convincere altri teorici a unirsi a lui. "Stiamo esplorando, con entusiasmo, la possibilità che l'anello fotonico sia la cosa che devi capire per svelare i segreti dei buchi neri di Kerr", ha detto, riferendosi al tipo di buchi neri rotanti creati quando le stelle muoiono e collassano gravitazionalmente . (L'anello fotonico si forma contemporaneamente.)
In un documento pubblicato online a maggio e di recente accettato per la pubblicazione in Gravità quantistica classica, Strominger e i suoi collaboratori hanno rivelato che l'anello fotonico attorno a un buco nero rotante ha un tipo inaspettato di simmetria, un modo in cui può essere trasformato e rimanere lo stesso. La simmetria suggerisce che l'anello può codificare informazioni sulla struttura quantistica del buco. "Questa simmetria ha l'odore di qualcosa che ha a che fare con il problema centrale della comprensione della dinamica quantistica dei buchi neri", ha detto. La scoperta ha portato i ricercatori a discutere se l'anello fotonico potrebbe anche essere parte del "doppio olografico" di un buco nero, un sistema quantistico che è esattamente equivalente al buco nero stesso e che si può pensare che il buco nero emerga da simili un ologramma.
"Apre una strada molto interessante per comprendere l'olografia di queste geometrie [del buco nero]", ha affermato Alex Malney, un teorico della McGill University in Canada che non è stato coinvolto nella ricerca. "La nuova simmetria organizza la struttura dei buchi neri lontano dall'orizzonte degli eventi e penso che sia molto eccitante".
Sono necessari molti più studi teorici prima che i ricercatori possano dire con certezza se, o in che modo, l'anello fotonico codifica il contenuto interno di un buco nero. Ma per lo meno, i teorici affermano che il nuovo articolo ha dettagliato un test preciso per qualsiasi sistema quantistico che afferma di essere il duale olografico del buco nero. "È un obiettivo per una descrizione olografica", ha detto Giovanni Maldacena dell'Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, uno degli architetti originali dell'olografia.
Nascondersi nell'anello fotonico
Parte dell'eccitazione per l'anello fotonico è che, a differenza dell'orizzonte degli eventi, è effettivamente visibile. In effetti, l'inversione a U di Strominger verso questi anelli è avvenuta a causa di una fotografia: il prima immagine in assoluto di un buco nero. Quando l'Event Horizon Telescope (EHT) lo ha svelato nel 2019, "ho pianto", ha detto. “È incredibilmente bello.”
L'euforia presto si trasformò in confusione. Il buco nero nell'immagine aveva uno spesso anello di luce intorno, ma i fisici del team EHT non sapevano se questa luce fosse il prodotto del caotico ambiente circostante del buco, o se includesse l'anello fotonico del buco nero. Si sono rivolti a Strominger e ai suoi colleghi teorici per un aiuto nell'interpretazione dell'immagine. Insieme, hanno esplorato l'enorme banca dati di simulazioni al computer che il team EHT stava utilizzando per districare i processi fisici che producono luce attorno ai buchi neri. In queste immagini simulate, potevano vedere l'anello sottile e luminoso incorporato nella ciambella di luce arancione più grande e sfocata.
"Quando guardi tutte le simulazioni, non puoi perderlo", ha detto Shahar Hadar dell'Università di Haifa in Israele, che ha collaborato con Strominger e i fisici EHT alla ricerca mentre era ad Harvard. La formazione dell'anello fotonico sembra essere un "effetto universale" che si verifica intorno a tutti i buchi neri, ha detto Hadar.
A differenza del vortice di particelle e campi energetici in collisione che circonda i buchi neri, hanno determinato i teorici, la linea netta dell'anello fotonico trasporta informazioni dirette sulle proprietà del buco nero, inclusa la sua massa e la quantità di rotazione. "È sicuramente il modo più bello e avvincente per vedere davvero il buco nero", ha affermato Strominger.
La collaborazione di astronomi, simulatori e teorici ha scoperto che la fotografia reale dell'EHT, che mostra il buco nero al centro della vicina galassia Messier 87, non è abbastanza nitida per risolvere l'anello fotonico, sebbene non sia lontano. Hanno litigato una carta 2020 che i futuri telescopi ad alta risoluzione dovrebbero facilmente vedere gli anelli di fotoni. (UN nuovo documento afferma di aver trovato l'anello nell'immagine dell'EHT del 2019 applicando un algoritmo per rimuovere i livelli dai dati originali, ma l'affermazione è stata accolta con scetticismo.)
Tuttavia, dopo aver fissato gli anelli di fotoni per così tanto tempo nelle simulazioni, Strominger e i suoi colleghi hanno iniziato a chiedersi se la loro forma suggerisse un significato ancora più profondo.
Una sorprendente simmetria
I fotoni che fanno un'unica inversione a U attorno a un buco nero e poi sfrecciano verso la Terra ci apparirebbero come un unico anello di luce. I fotoni che fanno due inversioni a U attorno al foro appaiono come un sottoanello più debole e sottile all'interno del primo anello. E i fotoni che fanno tre inversioni a U appaiono come un sottoanello all'interno di quel sottoanello, e così via, creando anelli annidati, ciascuno più debole e più sottile dell'ultimo.
La luce dei sottoanelli interni ha fatto più orbite ed è stata quindi catturata prima della luce dei sottoanelli esterni, risultando in una serie di istantanee ritardate dell'universo circostante. "Insieme, l'insieme dei sotto-anelli è simile ai fotogrammi di un film, catturando la storia dell'universo visibile vista dal buco nero", ha scritto la collaborazione nel documento del 2020.
Strominger ha detto che quando lui ei suoi collaboratori hanno guardato le immagini di EHT, "ci siamo stati come: 'Ehi, c'è un numero infinito di copie dell'universo proprio lì su quello schermo? Non potrebbe essere lì che vive la doppia olografica?'”
I ricercatori si sono resi conto che la struttura concentrica dell'anello suggerisce un gruppo di simmetrie chiamato simmetria conforme. Un sistema con simmetria conforme mostra "invarianza di scala", il che significa che ha lo stesso aspetto quando si ingrandisce o rimpicciolisce. In questo caso, ogni sottoanello di fotoni è una copia esatta e smagnetizzata del sottoanello precedente. Inoltre, un sistema simmetrico conforme rimane lo stesso quando viene traslato avanti o indietro nel tempo e quando tutte le coordinate spaziali vengono invertite, spostate e quindi nuovamente invertite.
Strominger ha incontrato la simmetria conforme negli anni '1990 quando si è rivelata in un tipo speciale di buco nero a cinque dimensioni che stava studiando. Comprendendo con precisione i dettagli di questa simmetria, lui e Cumrun Vafa trovato un modo nuovo per collegare la relatività generale al mondo quantistico, almeno all'interno di questi tipi estremi di buchi neri. Hanno immaginato di ritagliare il buco nero e di sostituire il suo orizzonte degli eventi con quella che chiamavano una lastra olografica, una superficie contenente un sistema quantistico di particelle che rispettano la simmetria conforme. Hanno mostrato che le proprietà del sistema corrispondono alle proprietà del buco nero, come se il buco nero fosse un ologramma di dimensioni superiori del sistema quantistico conforme. In questo modo hanno costruito un ponte tra la descrizione di un buco nero secondo la relatività generale e la sua descrizione quantomeccanica.
Nel 1997 Maldacena ha esteso questo stesso principio olografico a un intero universo di giocattoli. Ha scoperto un “universo in una bottiglia”, in cui un sistema quantistico simmetrico conforme che vive sulla superficie della bottiglia ha mappato esattamente le proprietà dello spazio-tempo e della gravità all'interno della bottiglia. Era come se l'interno fosse un "universo" che si proiettava dalla sua superficie a dimensione inferiore come un ologramma.
La scoperta ha portato molti teorici a credere che l'universo reale sia un ologramma. Il problema è che l'universo di Maldacena in una bottiglia è diverso dal nostro. È riempito con un tipo di spazio-tempo che è curvo negativamente, che gli conferisce un confine esterno simile a una superficie. Si pensa che il nostro universo sia piatto e i teorici non hanno idea di come sia il duale olografico dello spazio-tempo piatto. "Dobbiamo tornare al mondo reale, prendendo ispirazione da ciò che abbiamo imparato da questi mondi ipotetici", ha detto Strominger.
E così il gruppo ha deciso di studiare un buco nero rotante realistico situato in uno spazio-tempo piatto, come quelli fotografati dall'Event Horizon Telescope. “Le prime domande da porsi sono: dove vive il duale olografico? E quali sono le simmetrie?” disse Hadar.
Alla ricerca del duale olografico
Storicamente, la simmetria conforme si è rivelata una guida affidabile nella ricerca di sistemi quantistici che mappano olograficamente su sistemi con gravità. "Dire simmetria conforme e buco nero nella stessa frase a un teorico della gravità quantistica è come sventolare carne rossa davanti a un cane", ha detto Strominger.
Partendo dalla descrizione dei buchi neri rotanti nella relatività generale, chiamata metrica di Kerr, il gruppo ha iniziato a cercare accenni di simmetria conforme. Hanno immaginato di colpire il buco nero con un martello per farlo suonare come una campana. Queste vibrazioni che svaniscono lentamente sono come le onde gravitazionali create quando, diciamo, due buchi neri si scontrano. Il buco nero suonerà con alcune frequenze di risonanza che dipendono dalla forma dello spazio-tempo (cioè dalla metrica di Kerr) proprio come i toni di chiamata di una campana dipendono dalla sua forma.
Capire lo schema esatto delle vibrazioni non è fattibile perché la metrica di Kerr è così complicata. Quindi il team ha approssimato il modello considerando solo le vibrazioni ad alta frequenza, che risultano dal colpire molto duramente il buco nero. Hanno notato una relazione tra lo schema delle onde a queste alte energie e la struttura degli anelli fotonici del buco nero. Il modello "risulta essere completamente governato dall'anello fotonico", ha detto Alessio Lussasca della Vanderbilt Initiative for Gravity, Waves and Fluids nel Tennessee, co-autore del nuovo articolo con Strominger, Hadar e Daniel Kapec di Harvard.
Un momento cruciale è arrivato nell'estate del 2020 durante la pandemia di Covid-19. Lavagne e panchine sono state allestite sull'erba fuori dal laboratorio di fisica Jefferson di Harvard e i ricercatori hanno finalmente potuto incontrarsi di persona. Hanno scoperto che, come la simmetria conforme che mette in relazione ciascun anello fotonico con il sottoanello successivo, i toni successivi di un buco nero squillante sono correlati tra loro dalla simmetria conforme. Questa relazione tra gli anelli fotonici e le vibrazioni del buco nero potrebbe essere un "precursore" dell'olografia, ha affermato Strominger.
Un altro indizio che l'anello fotonico può avere un significato speciale viene dal modo controintuitivo in cui l'anello si relaziona con la geometria del buco nero. "È molto, molto strano", ha detto Hadar. "Mentre ti muovi lungo diversi punti dell'anello fotonico, stai effettivamente sondando diversi raggi" o profondità nel buco nero.
Questi risultati implicano per Strominger che l'anello fotonico, piuttosto che l'orizzonte degli eventi, è un "candidato naturale" per parte della lastra olografica di un buco nero rotante.
Se è così, potrebbe esserci un nuovo modo di immaginare cosa succede alle informazioni sugli oggetti che cadono nei buchi neri, un mistero di vecchia data noto come il paradosso dell'informazione del buco nero. Calcoli recenti indicano che questa informazione è in qualche modo preservata dall'universo mentre un buco nero evapora lentamente. Strominger ora ipotizza che le informazioni potrebbero essere memorizzate nella lastra olografica. "Forse le informazioni non cadono davvero nel buco nero, ma rimangono in una sorta di nuvola attorno al buco nero, che probabilmente si estende all'anello fotonico", ha detto. "Ma non capiamo come è codificato lì, o esattamente come funziona."
Un appello ai teorici
L'idea di Strominger e della compagnia che il duale olografico viva dentro o intorno all'anello fotonico è stata accolta con scetticismo da alcuni teorici della gravità quantistica, che la vedono come un'estrapolazione troppo audace dalla simmetria conforme dell'anello. "Dove la doppia vita olografica è una domanda molto più profonda di: qual è la simmetria?" disse Daniele Harlow, un teorico della gravità quantistica e dei buchi neri presso il Massachusetts Institute of Technology. Sebbene sia favorevole a ulteriori ricerche sulla questione, Harlow sottolinea che una convincente dualità olografica, in questo caso, deve mostrare come le proprietà dell'anello fotonico, come le orbite e le frequenze dei singoli fotoni, si mappano matematicamente sulla grana fine dettagli quantistici del buco nero.
Tuttavia, diversi esperti hanno affermato che la nuova ricerca offre un ago utile che qualsiasi duale olografico proposto deve infilare: il duale deve essere in grado di codificare l'insolito modello di vibrazione di un buco nero rotante dopo che è stato colpito come una campana. "Esigere che il sistema quantistico che descrive il buco nero riproduca tutta quella complessità è un vincolo incredibilmente potente, e uno che non abbiamo mai provato a sfruttare prima", ha affermato Strominger. Eva Silverstein, un fisico teorico della Stanford University, ha dichiarato: "Sembra un bel pezzo di dati teorici che le persone cercano di riprodurre quando tentano una doppia descrizione olografica".
Maldacena ha convenuto, dicendo: “Vorremmo capire come incorporare questo in un duale olografico. Quindi probabilmente stimolerà alcune ricerche in quella direzione”.
Maloney sospetta che la ritrovata simmetria dell'anello fotonico stimolerà l'interesse sia tra i teorici che tra gli osservatori. Se gli aggiornamenti sperati dell'Event Horizon Telescope venissero finanziati, potrebbe iniziare a rilevare anelli di fotoni entro pochi anni.
Le misurazioni future di questi anelli non metteranno alla prova direttamente l'olografia, tuttavia, i dati consentiranno test estremi di relatività generale vicino ai buchi neri. Spetta ai teorici determinare con calcoli carta e penna se la struttura delle infinite trappole di luce attorno ai buchi neri può crittografare matematicamente i segreti all'interno.
