כאשר הפוטונים זורמים לעבר חור שחור, רובם נשאבים למעמקיו, לא חוזרים לעולם, או מוסטים בעדינות. עם זאת, מעטים נדירים עוקפים את החור ומבצעים סדרה של פניות פרסה פתאומיות. חלק מהפוטונים האלה ממשיכים להקיף את החור השחור כמעט לנצח.
מתוארת על ידי אסטרופיזיקאים כ"מצלמת קולנוע קוסמית" וכ"מלכודת אור אינסופית", הטבעת שנוצרה של פוטונים סובבים היא בין התופעות המוזרות בטבע. אם תזהה את הפוטונים, "אתה הולך לראות כל עצם ביקום אינסוף פעמים", אמר סם גראלה, פיזיקאי באוניברסיטת אריזונה.
אבל בניגוד לאופק האירועים האיקוני של חור שחור - הגבול שבתוכו כוח הכבידה כל כך חזק ששום דבר לא יכול לברוח - טבעת הפוטונים, שמקיפה את החור רחוק יותר, מעולם לא זכתה לתשומת לב רבה מצד תיאורטיקנים. הגיוני שחוקרים היו עסוקים באופק האירועים, מכיוון שהוא מסמן את קצה הידע שלהם על היקום. לאורך רוב הקוסמוס, כוח הכבידה עוקב עם עקומות במרחב ובזמן כפי שמתואר על ידי תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין. אבל המרחב-זמן מתעוות כל כך בתוך חורים שחורים שתורת היחסות הכללית מתפרקת שם. תיאורטיקנים של כבידה קוונטית המחפשים תיאור קוונטי אמיתי יותר של כוח הכבידה, הסתכלו אפוא אל האופק כדי לקבל תשובות.
"לקחתי את הדעה שאופק האירועים הוא מה שהיינו צריכים להבין", אמר אנדרו סטרומינגר, חוקר שחור ותיאוריית כבידה קוונטית מובילה באוניברסיטת הרווארד. "וחשבתי על טבעת הפוטון כעל איזשהו דבר טכני, מסובך שלא היה לו שום משמעות עמוקה."
כעת סטרומינגר עושה פניית פרסה משלו ומנסה לשכנע תיאורטיקנים אחרים להצטרף אליו. "אנחנו בוחנים, בהתרגשות, את האפשרות שטבעת הפוטון היא הדבר שאתה צריך להבין כדי לגלות את סודות החורים השחורים של קר", הוא אמר, בהתייחס לסוג החורים השחורים המסתחררים שנוצרים כאשר כוכבים מתים ומתמוטטים מבחינה כבידתית. . (טבעת הפוטונים נוצרת במקביל.)
In נייר פורסם באינטרנט בחודש מאי ולאחרונה התקבל לפרסום in כבידה קוונטית קלאסית, סטרומינגר ומשתפי הפעולה שלו חשפו שלטבעת הפוטון סביב חור שחור מסתובב יש סוג בלתי צפוי של סימטריה - דרך שניתן לשנות אותה ועדיין להישאר זהה. הסימטריה מעידה על כך שהטבעת עשויה לקודד מידע על המבנה הקוונטי של החור. "לסימטריה זו יש ריח של משהו שקשור לבעיה המרכזית של הבנת הדינמיקה הקוונטית של חורים שחורים", אמר. התגלית הובילה את החוקרים להתלבט אם טבעת הפוטון עשויה להיות חלק מה"כפול ההולוגרפי" של חור שחור - מערכת קוונטית המקבילה בדיוק לחור השחור עצמו, ואשר ניתן לחשוב על החור השחור כמגיח מתוך דומה. הולוגרמה.
"זה פותח שדרה מעניינת מאוד להבנת ההולוגרפיה של הגיאומטריות הללו [חור שחור]", אמר אלכס מאלוני, תיאורטיקן באוניברסיטת מקגיל בקנדה שלא היה מעורב במחקר. "הסימטריה החדשה מארגנת את המבנה של חורים שחורים הרחק מאופק האירועים, ואני חושב שזה מאוד מרגש".
יש צורך במחקר תיאורטי רב יותר לפני שהחוקרים יוכלו לומר בוודאות אם, או באיזו דרך, טבעת הפוטון מקודדת את התוכן הפנימי של חור שחור. אבל לכל הפחות, תיאורטיקנים אומרים שהמאמר החדש פירט בדיקה מדויקת לכל מערכת קוונטית הטוענת שהיא הדואל ההולוגרפי של החור השחור. "זה מטרה לתיאור הולוגרפי," אמר חואן מלדצ'נה מהמכון ללימודים מתקדמים בפרינסטון, ניו ג'רזי, אחד מהאדריכלים המקוריים של ההולוגרפיה.
מתחבא בטבעת הפוטון
חלק מההתרגשות מטבעת הפוטון היא שבניגוד לאופק האירועים, היא למעשה גלויה. למעשה, פניית הפרסה של סטרומינגר לכיוון הטבעות הללו התרחשה בגלל צילום: ה תמונה ראשונה אי פעם של חור שחור. כאשר טלסקופ אופק האירועים (EHT) חשף אותו ב-2019, "בכיתי", אמר. "זה מדהים ביופיו."
התרוממות הרוח החלה במהרה לבלבול. לחור השחור בתמונה הייתה טבעת אור עבה סביבו, אך פיזיקאים בצוות ה-EHT לא ידעו אם האור הזה הוא תוצר של הסביבה הכאוטית הסובבת של החור, או שהוא כולל את טבעת הפוטונים של החור השחור. הם הלכו לסטרומינגר ולעמיתיו התיאורטיים לעזרה בפירוש התמונה. יחד, הם דפדפו במאגר הנתונים העצום של הדמיות ממוחשבות שצוות ה-EHT השתמש בו כדי להפריד בין התהליכים הפיזיים שמייצרים אור סביב חורים שחורים. בתמונות המדומות הללו, הם יכלו לראות את הטבעת הדקה והבהירה המוטבעת בסופגניית האור הכתומה הגדולה והמטושטשת יותר.
"כשאתה מסתכל על כל הסימולציות, אתה לא יכול לפספס את זה," אמר שחר הדר מאוניברסיטת חיפה בישראל, ששיתפה פעולה עם סטרומינגר ופיזיקאי EHT במחקר בזמן שהותו בהרווארד. נראה כי היווצרות טבעת הפוטון היא "אפקט אוניברסלי" המתרחש סביב כל החורים השחורים, אמר הדר.
בניגוד למערבולת של חלקיקים ושדות מתנגשים אנרגטיים המקיפה חורים שחורים, קבעו התיאורטיקנים, הקו החד של טבעת הפוטון נושא מידע ישיר על תכונות החור השחור, כולל המסה וכמות הספין שלו. "זו ללא ספק הדרך היפה והמושכת ביותר לראות באמת את החור השחור," אמר סטרומינגר.
שיתוף הפעולה של אסטרונומים, סימולטורים ותיאורטיקנים גילה שהתצלום האמיתי של ה-EHT, המציג את החור השחור במרכז הגלקסיה הסמוכה Messier 87, אינו חד מספיק כדי לפתור את טבעת הפוטונים, למרות שהוא לא רחוק. הם התווכחו נייר 2020 שטלסקופים עתידיים ברזולוציה גבוהה יותר צריכים לראות בקלות טבעות פוטון. (א מאמר חדש טוען שמצא את הטבעת בתמונת ה-EHT של 2019 על ידי יישום אלגוריתם להסרת שכבות מהנתונים המקוריים, אך הטענה נתקלה בספקנות.)
ובכל זאת, לאחר שהביטו בטבעות פוטון כל כך הרבה זמן בסימולציות, סטרומינגר ועמיתיו החלו לתהות אם צורתם מרמזת על משמעות עמוקה עוד יותר.
סימטריה מפתיעה
פוטונים שמבצעים סיבוב פרסה בודד סביב חור שחור ואז רוכסים לכיוון כדור הארץ ייראו לנו כטבעת אור אחת. פוטונים שמבצעים שני פניות פרסה מסביב לחור מופיעים כסאב חלש ודקה יותר בתוך הטבעת הראשונה. ופוטונים שמבצעים שלוש פניות פרסה מופיעים כתת-טבעת בתוך אותו תת-מעגל, וכן הלאה, יוצרים טבעות מקוננות, כל אחת קלושה ודקה יותר מהקודמת.
אור מתת-הטבעות הפנימיות עשה יותר מסלולים ולכן נלכד לפני האור מתת-הטבעות החיצוניות, וכתוצאה מכך סדרה של תצלומים מושהים בזמן של היקום שמסביב. "יחד, סט טבעות המשנה דומה לפריימים של סרט, לוכדים את ההיסטוריה של היקום הנראה מהחור השחור", נכתב בשיתוף הפעולה בעיתון משנת 2020.
סטרומינגר אמר שכאשר הוא ומשתפי הפעולה שלו הסתכלו על תמונות ה-EHT, "היינו כמו: 'היי, יש מספר אינסופי של עותקים של היקום ממש על המסך הזה? האם לא יכול להיות ששם חי הדואל ההולוגרפי?'"
החוקרים הבינו שהמבנה הקונצנטרי של הטבעת מעיד על קבוצת סימטריות הנקראות סימטריה קונפורמית. מערכת שיש לה סימטריה קונפורמית מציגה "אינווריאנטיות בקנה מידה", כלומר היא נראית אותו הדבר כאשר אתה מתקרב או מתרחק. במקרה זה, כל תת-צלצול פוטון הוא עותק מדויק ומופחת של המשנה הקודמת. יתר על כן, מערכת סימטרית קונפורמית נשארת זהה כאשר מתורגמים קדימה או אחורה בזמן וכאשר כל הקואורדינטות המרחביות הופכות, מוזזות ואז הופכות שוב.
סטרומינגר נתקל בסימטריה קונפורמית בשנות ה-1990 כשהיא הופיעה בסוג מיוחד של חור שחור חמישה ממדי שהוא חקר. על ידי הבנה מדויקת של הפרטים של סימטריה זו, הוא ו קומרון ואפה מצא דרך חדשה לחבר את תורת היחסות הכללית לעולם הקוונטי, לפחות בתוך סוגים קיצוניים אלה של חורים שחורים. הם דמיינו לחתוך את החור השחור ולהחליף את אופק האירועים שלו במה שהם כינו לוח הולוגרפי, משטח המכיל מערכת קוונטית של חלקיקים המכבדים סימטריה קונפורמית. הם הראו שתכונות המערכת תואמות למאפיינים של החור השחור, כאילו החור השחור הוא הולוגרמה בממדים גבוהים יותר של המערכת הקוונטית הקונפורמית. כך בנו גשר בין תיאור חור שחור על פי תורת היחסות הכללית לבין התיאור המכני הקוונטי שלו.
בשנת 1997, מלדצ'נה הרחיבה את אותו עיקרון הולוגרפי ליקום צעצוע שלם. הוא גילה "יקום בבקבוק," שבו מערכת קוונטית סימטרית קונפורמית שחיה על פני הבקבוק ממופה בדיוק על תכונות של מרחב-זמן וכוח משיכה בחלק הפנימי של הבקבוק. זה היה כאילו הפנים היה "יקום" שמקרין מהמשטח התחתון שלו כמו הולוגרמה.
התגלית הביאה תיאורטיקנים רבים להאמין שהיקום האמיתי הוא הולוגרמה. הבעיה היא שהיקום של מלדצ'נה בבקבוק שונה משלנו. הוא מלא בסוג של מרחב-זמן מעוקל שלילי, מה שנותן לו גבול חיצוני דמוי משטח. היקום שלנו נחשב שטוח, ולתיאורטיקנים אין מושג קטן איך נראה הדואל ההולוגרפי של מרחב-זמן שטוח. "אנחנו צריכים לחזור לעולם האמיתי, תוך כדי השראה ממה שלמדנו מהעולמות ההיפותטיים האלה", אמר סטרומינגר.
וכך החליטה הקבוצה לחקור חור שחור מסתובב מציאותי היושב במרחב-זמן שטוח, כמו אלה שצולמו על ידי טלסקופ אופק אירועים. "השאלות הראשונות שיש לשאול הן: היכן חי הדואל ההולוגרפי? ומהן הסימטריות?" אמרה הדר.
מחפש את הדואל ההולוגרפי
היסטורית, סימטריה קונפורמית הוכיחה את עצמה כמדריך אמין בחיפוש אחר מערכות קוונטיות הממפות באופן הולוגרפי על מערכות עם כוח הכבידה. "לומר סימטריה קונפורמית וחור שחור באותו משפט לתאורטיקן כבידה קוונטית זה כמו לנפנף בבשר אדום מול כלב", אמר סטרומינגר.
החל מהתיאור של חורים שחורים מסתובבים בתורת היחסות הכללית, הנקרא מדד קר, הקבוצה החלה לחפש רמזים לסימטריה קונפורמית. הם דמיינו להכות את החור השחור בפטיש כדי לגרום לו לצלצל כמו פעמון. תנודות אלה שמתפוגגות לאט הן כמו גלי הכבידה שנוצרו כאשר, נניח, שני חורים שחורים מתנגשים. החור השחור יצלצל עם כמה תדרי תהודה התלויים בצורת המרחב-זמן (כלומר, במדד Kerr) בדיוק כפי שצלצול הצלצול של פעמון תלוי בצורתו.
לא ניתן להבין את דפוס הרעידות המדויק מכיוון שמדד Kerr הוא כל כך מסובך. אז הצוות התקרב לתבנית על ידי התחשבות רק בתנודות בתדר גבוה, הנובעות מפגיעה קשה מאוד בחור השחור. הם הבחינו בקשר בין תבנית הגלים באנרגיות גבוהות אלו לבין מבנה טבעות הפוטונים של החור השחור. הדפוס "מתברר כנשלט לחלוטין על ידי טבעת הפוטון", אמר אלכס לופססקה של יוזמת Vanderbilt for Gravity, Waves and Fluids בטנסי, שכתבה את המאמר החדש יחד עם סטרומינגר, הדר ודניאל קאפק מהרווארד.
רגע מרכזי הגיע בקיץ 2020 במהלך מגיפת קוביד-19. לוחות וספסלים הוצבו על הדשא מחוץ למעבדת הפיזיקה של ג'פרסון בהרווארד, והחוקרים יכלו סוף סוף להיפגש באופן אישי. הם גילו שבדומה לסימטריה הקונפורמית שמקשרת כל טבעת פוטון לטבעת המשנה הבאה, הטונים העוקבים של חור שחור מצלצל קשורים זה לזה על ידי סימטריה קונפורמית. מערכת היחסים הזו בין טבעות הפוטון לתנודות החורים השחורים יכולה להיות "מבשר" של הולוגרפיה, אמר סטרומינגר.
רמז נוסף לכך שלטבעת הפוטון עשויה להיות משמעות מיוחדת מגיע מהאופן המנוגד לאינטואיציה שבה הטבעת מתייחסת לגיאומטריה של החור השחור. "זה מאוד מאוד מוזר", אמרה הדר. "כאשר אתה נע לאורך נקודות שונות על טבעת הפוטון, אתה למעשה חוקר רדיוסים שונים" או עומקים לתוך החור השחור.
ממצאים אלה מרמזים לסטרומינגר כי טבעת הפוטונים, ולא אופק האירועים, היא "מועמד טבעי" לחלק מהלוח ההולוגרפי של חור שחור מסתובב.
אם כן, ייתכן שיש דרך חדשה לדמיין מה קורה למידע על עצמים שנופלים לחורים שחורים - תעלומה ארוכת שנים המכונה פרדוקס המידע של החורים השחורים. חישובים אחרונים מצביעים על כך שהמידע הזה נשמר איכשהו על ידי היקום כאשר חור שחור מתאדה באיטיות. סטרומינגר משער כעת שהמידע עשוי להיות מאוחסן בלוח ההולוגרפי. "אולי מידע לא באמת נופל לתוך החור השחור, אבל הוא מעין נשאר בענן מסביב לחור השחור, שכנראה מגיע עד לטבעת הפוטונים", אמר. "אבל אנחנו לא מבינים איך זה מקודד שם, או בדיוק איך זה עובד."
קריאה לתיאורטיקנים
התחושה של סטרומינגר והחברה כי הדואל ההולוגרפי חי בתוך או סביב טבעת הפוטונים נתקלה בספקנות על ידי כמה תיאורטיקנים של כוח הכבידה הקוונטית, שרואים בה אקסטרפולציה נועזת מדי מהסימטריה הקונפורמית של הטבעת. "היכן חי הכפול ההולוגרפי זו שאלה הרבה יותר עמוקה מאשר: מהי הסימטריה?" אמר דניאל הארלו, תיאורטיקן כבידה קוונטית וחורים שחורים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. למרות שהוא בעד מחקר נוסף בנושא, הארלו מדגיש כי דואליות הולוגרפית משכנעת, במקרה זה, חייבת להראות כיצד המאפיינים של טבעת הפוטונים, כמו מסלולים ותדרים של פוטונים בודדים, ממפות מתמטית על דק הגרגר. פרטים קוונטיים של החור השחור.
עם זאת, מספר מומחים אמרו שהמחקר החדש מציע מחט שימושית שכל דואל הולוגרפי מוצע חייב להשחיל: הדואל חייב להיות מסוגל לקודד את תבנית הרטט הבלתי רגילה של חור שחור מסתובב לאחר שנפגע כמו פעמון. "דרישת המערכת הקוונטית שמתארת את החור השחור משחזרת את כל המורכבות הזו היא אילוץ חזק להפליא - וכזה שמעולם לא ניסינו לנצל בעבר", אמר סטרומינגר. אווה סילברשטיין, פיזיקאי תיאורטי מאוניברסיטת סטנפורד, אמר, "זה נראה כמו פיסת נתונים תיאורטית נחמדה מאוד שאנשים מנסים לשחזר כאשר מנסים תיאור כפול הולוגרפי."
מלדצ'נה הסכימה ואמרה, "רוצה להבין איך לשלב את זה בדואלי הולוגרפי. אז זה כנראה יעורר קצת מחקר בכיוון הזה".
מלוני חושד שהסימטריה החדשה של טבעת הפוטונים תעורר עניין בקרב תיאורטיקנים ומשקיפים כאחד. אם ימומנו שדרוגים המיוחלים לטלסקופ אופק האירועים, הוא יכול להתחיל לזהות טבעות פוטון בתוך כמה שנים.
מדידות עתידיות של הטבעות הללו לא יבדקו ישירות הולוגרפיה - אלא, הנתונים יאפשרו בדיקות קיצוניות של תורת היחסות הכללית ליד חורים שחורים. זה תלוי בתיאורטיקנים לקבוע באמצעות חישובי עט ונייר אם המבנה של מלכודות האור האינסופיות סביב חורים שחורים יכול להצפין מתמטית את הסודות שבתוכם.
