光子がブラック ホールに向かって突進するとき、ほとんどはブラック ホールの深部に吸い込まれ、二度と戻らないか、そっとそらされます。 ただし、まれに、一連の突然の U ターンを行って穴を回避する人もいます。 これらの光子の一部は、事実上永遠にブラック ホールを周回し続けます。
天体物理学者によって「宇宙映画カメラ」および「無限光トラップ」と表現された、結果として生じる軌道を周回する光子のリングは、自然界で最も奇妙な現象の XNUMX つです。 光子を検出すると、「宇宙のすべての物体を無限に何度も見ることになります」と彼は言いました。 サム・グララ、アリゾナ大学の物理学者。
しかし、ブラック ホールの象徴的な事象の地平線 (重力が非常に強いため、何も逃げることができない境界) とは異なり、ホールのさらに遠くを周回するフォトン リングは、理論家からあまり注目されていません。 事象の地平線は宇宙に関する彼らの知識の限界を示しているため、研究者が事象の地平線に夢中になっていることは理にかなっています。 アルバート・アインシュタインの一般相対性理論で説明されているように、宇宙の大部分を通じて、重力は空間と時間の曲線を描いて追跡します。 しかし、時空はブラックホールの内部で大きくゆがみ、そこで一般相対性理論は破綻します。 したがって、重力のより正確な量子的記述を求める量子重力理論家は、答えを求めて地平線に目を向けてきました。
「私は事象の地平線が私たちが理解する必要があるものであるという見解を持っていました. アンドリュー・ストロミンガー、ハーバード大学の主要なブラックホールおよび量子重力理論家。 「そして、私はフォトンリングをある種の技術的で複雑なものと考えていましたが、深い意味はありませんでした.」
現在、ストロミンジャーは自分自身の方向転換を行い、他の理論家たちに彼に加わるよう説得しようとしています。 「私たちは興奮して、光子リングがカー ブラック ホールの秘密を解き明かすために理解する必要があるものである可能性を探っています」 . (フォトンリングは同時に形成されます。)
In 紙 XNUMX 月と最近のオンライン投稿 出版が承認されました in 古典量子重力、Strominger と彼の共同研究者は、回転するブラック ホールの周りの光子リングが予想外の種類の対称性を持っていることを明らかにしました。 この対称性は、リングがホールの量子構造に関する情報をエンコードしている可能性があることを示唆しています。 「この対称性は、ブラック ホールの量子ダイナミクスを理解するという中心的な問題と関係があるようです」と彼は言いました。 この発見により、研究者はフォトン リングがブラック ホールの「ホログラフィック デュアル」の一部であるかどうかについて議論するようになりました。この量子システムは、ブラック ホール自体とまったく同等であり、ブラック ホールは同様のものから出現すると考えられます。ホログラム。
「これらの [ブラック ホール] ジオメトリのホログラフィーを理解するための非常に興味深い道が開かれます。」 アレックスマロニー、カナダのマギル大学の理論家で、研究には関与していませんでした。 「新しい対称性は、事象の地平線から遠く離れたブラック ホールの構造を整理します。これは非常に興味深いことだと思います。」
光子リングがブラック ホールの内部内容をエンコードしているかどうか、またはどのような方法でエンコードされているかを研究者が確実に判断するには、さらに多くの理論的研究が必要です。 しかし、少なくとも理論家たちは、この新しい論文は、ブラック ホールのホログラフィック デュアルであると主張するあらゆる量子システムの正確なテストを詳述していると述べています。 「これはホログラフィック描写のターゲットです」と彼は言った ファン・マルダセナ ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の XNUMX 人であり、ホログラフィーの最初の設計者の XNUMX 人です。
フォトンリングに隠れる
フォトン リングの楽しみの XNUMX つは、事象の地平線とは異なり、実際に目に見えることです。 実際、ストロミンジャーがこれらの環に向かって U ターンしたのは、ある写真が原因でした。 ブラックホールの初めての画像. イベント ホライズン テレスコープ (EHT) が 2019 年にそれを公開したとき、「私は泣きました」と彼は言いました。 「驚くほど美しいです。」
高揚感はすぐに混乱に陥りました。 画像のブラック ホールの周りには太い光の輪がありましたが、EHT チームの物理学者は、この光が穴の混沌とした周囲環境の産物なのか、それともブラック ホールのフォトン リングが含まれているのかを知りませんでした。 彼らは、ストロミンジャーと彼の理論家の同僚に、画像の解釈を手伝ってもらいました。 彼らは一緒に、EHT チームがブラック ホールの周りで光を生成する物理プロセスを解明するために使用していたコンピューター シミュレーションの膨大なデータバンクを参照しました。 これらのシミュレートされた画像では、大きくてぼんやりしたオレンジ色のドーナツ状の光に埋め込まれた、薄くて明るい輪を見ることができました。
「すべてのシミュレーションを見ると、見逃すことはできません」と彼は言いました。 シャハル・ハダル イスラエルのハイファ大学の教授で、ハーバード在学中にストロミンジャーや EHT の物理学者と共同研究を行いました。 フォトン リングの形成は、すべてのブラック ホールの周囲で起こる「普遍的な効果」のように思われる、と Hadar 氏は述べています。
ブラック ホールを取り囲むエネルギッシュな衝突粒子とフィールドの大混乱とは異なり、理論家は、光子リングの鋭い線が、ブラック ホールの質量やスピン量などの特性に関する直接的な情報を運ぶと判断しました。 「これは間違いなく、ブラック ホールを実際に見るための最も美しく説得力のある方法です」と Strominger 氏は述べています。
天文学者、シミュレーター、理論家の協力により、近くの銀河メシエ 87 の中心にあるブラック ホールを示す EHT の実際の写真は、遠く離れていませんが、光子リングを解決するのに十分なほど鮮明ではないことがわかりました。 彼らは主張した 2020論文 将来のより高解像度の望遠鏡は、光子リングを簡単に見ることができるはずです。 (A 新しい紙 は、アルゴリズムを適用して元のデータからレイヤーを削除することにより、EHT の 2019 年の画像でリングを見つけたと主張していますが、この主張には懐疑的な意見が寄せられています。)
それでも、シミュレーションで長い間光子リングを見つめてきた Strominger と彼の同僚は、その形状がさらに深い意味を暗示しているのではないかと考え始めました。
驚くべき対称性
ブラック ホールの周りを XNUMX 回 U ターンしてから地球に向かう光子は、私たちには XNUMX つの光の輪のように見えます。 穴の周りを XNUMX 回 U ターンする光子は、最初のリング内のより薄く薄いサブリングとして表示されます。 そして、XNUMX 回の U ターンを行う光子は、そのサブリング内のサブリングとして表示され、同様に、ネストされたリングが作成され、それぞれが最後のリングよりも薄く、薄くなります。
内側のサブリングからの光はより多くの軌道を作ったため、外側のサブリングからの光よりも前に捕捉され、周囲の宇宙の一連の時間遅延スナップショットが得られました。 「一緒に、サブリングのセットは映画のフレームに似ており、ブラックホールから見た目に見える宇宙の歴史を捉えています」とコラボレーションは2020年の論文に書いています.
ストロミンジャー氏は、彼と彼の共同研究者が EHT の写真を見たとき、次のように言いました。 ホログラフィック デュアルが住んでいる場所ではありませんか?」
研究者たちは、リングの同心構造が共形対称性と呼ばれる一連の対称性を示唆していることに気付きました。 共形対称性を持つシステムは「スケール不変性」を示します。つまり、ズームインしてもズームアウトしても同じように見えます。 この場合、各光子サブリングは、前のサブリングの正確な縮小コピーです。 さらに、共形対称システムは、時間的に前方または後方に変換された場合、およびすべての空間座標が反転され、シフトされてから再び反転された場合でも同じままです。
ストロミンジャーは、1990 年代に、彼が研究していた特別な種類の XNUMX 次元ブラック ホールで共形対称性が現れたときに、共形対称性に遭遇しました。 この対称性の詳細を正確に理解することで、 クムルン・ファファ 見つけた 斬新な方法 少なくともこれらの極端な種類のブラックホールの内部で、一般相対性理論を量子世界に接続します。 彼らは、ブラック ホールを切り取り、その事象の地平線をホログラフィック プレートと呼ばれるもの、共形対称性を尊重する粒子の量子システムを含む表面に置き換えることを想像しました。 彼らは、あたかもブラック ホールが等角量子系の高次元ホログラムであるかのように、系の特性がブラック ホールの特性に対応することを示しました。 このようにして、彼らは一般相対性理論によるブラックホールの記述とその量子力学的記述との間に架け橋を築きました。
1997 年、Maldacena はこの同じホログラフィック原理をおもちゃの世界全体に拡張しました。 彼は「瓶の中の宇宙」では、ボトルの表面に存在する等角対称の量子システムが、ボトルの内部の時空と重力の特性に正確にマッピングされています。 まるで内部がホログラムのように低次元の表面から投影された「宇宙」であるかのようでした。
この発見により、多くの理論家は、現実の宇宙はホログラムであると信じるようになりました。 問題は、ボトル内のマルダセナの宇宙が私たちのものとは異なることです. 負に曲がったタイプの時空で満たされているため、表面のような外側の境界が得られます。 私たちの宇宙は平らであると考えられており、理論家は平らな時空のホログラフィック双対がどのように見えるかについてほとんどわかっていません. 「これらの仮想世界から学んだことからインスピレーションを得ながら、現実の世界に戻る必要があります」とストロミンジャーは言いました。
そこでグループは、イベント ホライズン テレスコープで撮影されたもののように、平らな時空にある現実的な回転ブラック ホールを研究することにしました。 「最初に尋ねる質問は、ホログラフィック デュアルはどこにあるのかということです。 そして、対称性は何ですか？」 ハダーは言った。
ホログラフィック デュアルを探して
歴史的に、共形対称性は、重力のあるシステムにホログラフィックにマッピングされる量子システムの検索における信頼できるガイドであることが証明されています。 「共形対称性とブラック ホールを同じ文で量子重力理論家に言うのは、犬の前で赤身の肉を振るようなものです」と Strominger 氏は述べています。
カー計量と呼ばれる一般相対性理論における回転するブラック ホールの記述から始めて、グループは共形対称性のヒントを探し始めました。 彼らは、ブラックホールをハンマーで叩いてベルのように鳴らすことを想像しました。 これらのゆっくりと減衰する振動は、たとえば XNUMX つのブラック ホールが衝突したときに生じる重力波のようなものです。 ブラック ホールは、ベルの鳴る音がその形状に依存するのと同様に、時空の形状 (つまり、カー計量) に依存するいくつかの共鳴周波数で鳴ります。
カー計量は非常に複雑であるため、振動の正確なパターンを把握することは不可能です。 そのためチームは、ブラック ホールに非常に強く衝突することによって生じる高周波振動のみを考慮して、パターンを概算しました。 彼らは、これらの高エネルギーでの波のパターンとブラック ホールのフォトン リングの構造との間に関係があることに気付きました。 パターンは「フォトンリングによって完全に支配されていることが判明した」と述べた. アレックス・ルプサスカ ハーバード大学の Strominger、Hadar、Daniel Kapec と新しい論文を共著した、テネシー州の Vanderbilt Initiative for Gravity, Waves and Fluids の博士。
2020 年の夏、Covid-19 パンデミックの最中に極めて重要な瞬間が訪れました。 ハーバード大学のジェファーソン物理学研究室の外の芝生に黒板とベンチが設置され、研究者たちはついに直接会うことができました。 彼らは、各フォトンリングを次のサブリングに関連付ける等角対称性と同様に、リングブラックホールの連続するトーンが等角対称性によって互いに関連していることを発見しました。 このフォトン リングとブラック ホールの振動との関係は、ホログラフィーの「前触れ」になる可能性があると Strominger 氏は述べています。
光子リングが特別な意味を持っている可能性を示すもう XNUMX つの手がかりは、リングがブラック ホールの幾何学に関連する直感に反する方法から得られます。 「とても、とても奇妙です」とHadarは言いました。 「フォトン リング上のさまざまなポイントに沿って移動すると、実際にはさまざまな半径」またはブラック ホールの深さを調べていることになります。
これらの発見は、事象の地平線ではなく、フォトン リングが、回転するブラック ホールのホログラフィック プレートの一部の「自然な候補」であることをストロミンガーに示唆しています。
もしそうなら、ブラック ホールに落ちた物体に関する情報に何が起こるかを描く新しい方法があるかもしれません。これは、ブラック ホール情報のパラドックスとして知られる長年の謎です。 最近の計算 ブラックホールがゆっくりと蒸発するにつれて、この情報が宇宙によって何らかの形で保存されていることを示しています。 Strominger は現在、情報がホログラフィック プレートに保存されている可能性があると推測しています。 「おそらく、情報は実際にはブラック ホールには落ちませんが、ブラック ホールの外側にある雲の中にとどまり、おそらく光子リングまで広がっているのでしょう」と彼は言いました。 「しかし、そこにどのようにコード化されているか、または正確にどのように機能するかはわかりません。」
理論家への呼びかけ
ホログラフィック双対がフォトン リング内またはその周辺に存在するというストロミンジャーと会社の予感は、一部の量子重力理論家によって懐疑的に受け止められています。 「ホログラフィックの二重生活は、対称性とは何かよりもはるかに深い問題です。」 言った ダニエル・ハーロウ、マサチューセッツ工科大学の量子重力とブラック ホールの理論家。 彼はこの問題に関するさらなる研究に賛成していますが、この場合、説得力のあるホログラフィック二重性は、個々の光子の軌道や周波数などの光子リングの特性がどのように微細化されたリングに数学的にマッピングされるかを示さなければならないことを強調しています。ブラックホールの量子詳細。
それにもかかわらず、何人かの専門家は、新しい研究は、提案されたホログラフィックデュアルが通さなければならない有用な針を提供する. 「ブラック ホールを説明する量子システムがその複雑さをすべて再現することを要求することは、信じられないほど強力な制約であり、これまで悪用しようとしたことはありません」と Strominger 氏は述べています。 エバシルバースタインスタンフォード大学の理論物理学者である博士は、「ホログラフィック二重記述を試みるときに、人々が再現しようとする非常に優れた理論データのように思えます」と述べています。
Maldacena 氏は、「これをホログラフィック デュアルに組み込む方法を理解したいと考えています。 そのため、おそらくその方向の研究が刺激されるでしょう。」
Maloney は、フォトン リングの新たな対称性が、理論家と観測者の両方の関心を刺激するのではないかと考えています。 イベント ホライズン テレスコープへの期待されるアップグレードに資金が提供されれば、数年以内にフォトン リングの検出が開始される可能性があります。
ただし、これらのリングの将来の測定では、ホログラフィーを直接テストすることはできません。むしろ、データにより、ブラック ホールの近くでの一般相対性理論の極端なテストが可能になります。 ブラックホールの周りの無限の光トラップの構造が内部の秘密を数学的に暗号化できるかどうかをペンと紙の計算で判断するのは理論家次第です.
