광자가 블랙홀을 향해 돌진할 때 대부분은 블랙홀의 깊이로 빨려들어가서 다시는 돌아오지 않거나 부드럽게 빗나가게 됩니다. 그러나 드물지만 홀을 둘러싸고 일련의 갑작스러운 U턴을 합니다. 이 광자 중 일부는 블랙홀을 거의 영원히 계속 돌고 있습니다.
천체 물리학자들에 의해 "우주 영화 카메라"와 "무한한 빛의 덫"으로 묘사된, 궤도를 도는 광자의 고리는 자연에서 가장 기이한 현상 중 하나입니다. 광자를 감지하면 "우주의 모든 물체를 무한히 여러 번 보게 될 것"이라고 말했습니다. 샘 그랄라, 애리조나 대학의 물리학자.
그러나 블랙홀의 상징적인 사건 지평선(중력이 너무 강해서 어떤 것도 빠져나갈 수 없는 경계)과 달리 구멍을 더 멀리 공전하는 광자 고리는 이론가들로부터 많은 관심을 받은 적이 없습니다. 연구원들이 사건의 지평선에 몰두해 온 것은 이치에 맞습니다. 사건의 지평선은 우주에 대한 지식의 가장자리를 표시하기 때문입니다. 대부분의 우주에서 중력은 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 의해 설명된 바와 같이 시공간의 곡선을 따라 움직입니다. 그러나 시공간은 블랙홀 내부에서 너무 많이 휘어져서 일반 상대성 이론이 무너집니다. 따라서 중력에 대한 보다 진실되고 양자적인 설명을 추구하는 양자 중력 이론가들은 해답을 찾기 위해 지평선을 바라보았습니다.
"나는 사건의 지평선이 우리가 이해해야 하는 것이라고 생각했습니다." 앤드류 스트 로밍 거, 하버드 대학의 선도적인 블랙홀 및 양자 중력 이론가. "그리고 저는 광자 고리를 깊은 의미가 없는 일종의 기술적이고 복잡한 것으로 생각했습니다."
이제 Strominger는 자신의 유턴을 하고 다른 이론가들이 그와 합류하도록 설득하려고 합니다. 그는 별이 죽고 중력에 의해 붕괴될 때 생성되는 회전하는 블랙홀의 종류를 언급하며 "우리는 광자 고리가 Kerr 블랙홀의 비밀을 풀기 위해 이해해야 하는 것의 가능성을 흥미롭게 탐구하고 있습니다."라고 말했습니다. . (광자 고리가 동시에 형성됩니다.)
In 종이 XNUMX월과 최근에 온라인에 게시됨 출판 승인 in 고전 양자 중력, Strominger와 그의 동료들은 회전하는 블랙홀 주위의 광자 고리가 예상치 못한 종류의 대칭을 가지고 있음을 밝혔습니다. 대칭성은 고리가 구멍의 양자 구조에 대한 정보를 인코딩할 수 있음을 시사합니다. "이 대칭성은 블랙홀의 양자 역학을 이해하는 핵심 문제와 관련이 있는 것 같습니다."라고 그는 말했습니다. 이 발견으로 연구자들은 광자 고리가 블랙홀의 "홀로그램 이중(holographic dual)"의 일부일 수 있는지 여부에 대해 토론하게 되었습니다. 이는 블랙홀 자체와 정확히 동일하며 블랙홀이 블랙홀에서 나오는 것으로 생각할 수 있는 양자 시스템입니다. 홀로그램.
"블랙홀 기하학의 홀로그래피를 이해하는 데 매우 흥미로운 길을 열어줍니다."라고 말했습니다. 알렉스 말로니, 연구에 참여하지 않은 캐나다 McGill University의 이론가. "새로운 대칭은 사건의 지평선에서 멀리 떨어진 블랙홀의 구조를 조직하고, 나는 그것이 매우 흥미진진하다고 생각합니다."
연구자들이 광자 고리가 블랙홀의 내부 내용을 암호화하는지 또는 어떤 방식으로 암호화하는지 확실히 말하기 전에 훨씬 더 많은 이론적 연구가 필요합니다. 그러나 최소한 이론가들은 새 논문이 블랙홀의 홀로그램 이중이라고 주장하는 모든 양자 시스템에 대한 정확한 테스트를 자세히 설명했다고 말합니다. "홀로그램 설명의 대상입니다."라고 말했습니다. 후안 말다 세나 홀로그래피의 최초 건축가 중 한 명인 뉴저지 주 프린스턴에 있는 고급 연구 연구소의 박사입니다.
광자 고리에 숨어
광자 고리에 대한 흥분의 일부는 사건의 지평선과 달리 실제로 볼 수 있다는 것입니다. 사실, 이 고리를 향한 스트로밍거의 유턴은 사진 때문에 발생했습니다. 최초의 블랙홀 이미지. 그는 2019년 이벤트 호라이즌 망원경(EHT)이 이를 공개했을 때 “나는 울었다”고 말했다. “놀라울 정도로 아름답습니다.”
의기양양함은 곧 혼란에 빠졌습니다. 이미지의 블랙홀은 주위에 두꺼운 빛의 고리를 가지고 있었지만 EHT 팀의 물리학자들은 이 빛이 홀의 혼란스러운 주변 환경의 산물인지 아니면 블랙홀의 광자 고리를 포함하는지 알지 못했습니다. 그들은 이미지를 해석하는 데 도움을 받기 위해 Strominger와 그의 이론가 동료들에게 갔다. 그들은 함께 EHT 팀이 블랙홀 주변에서 빛을 생성하는 물리적 프로세스를 풀기 위해 사용하고 있던 거대한 컴퓨터 시뮬레이션 데이터뱅크를 탐색했습니다. 이 시뮬레이션된 이미지에서 그들은 더 크고 흐릿한 주황색 빛의 도넛에 박힌 얇고 밝은 고리를 볼 수 있었습니다.
"모든 시뮬레이션을 보면 놓칠 수 없습니다."라고 말했습니다. 샤하르 하다르 하버드에 있는 동안 연구에 대해 스트로밍거 및 EHT 물리학자들과 협력한 이스라엘 하이파 대학의. 광자 고리의 형성은 모든 블랙홀 주변에서 발생하는 "보편적인 효과"인 것으로 보인다고 Hadar는 말했습니다.
블랙홀을 둘러싸고 있는 에너지 충돌 입자와 자기장의 소용돌이와 달리 광자 고리의 날카로운 선은 질량과 회전량을 비롯한 블랙홀의 속성에 대한 직접적인 정보를 전달합니다. "블랙홀을 실제로 보는 가장 아름답고 매력적인 방법입니다."라고 Strominger가 말했습니다.
천문학 자, 시뮬레이터 및 이론가의 협력은 가까운 은하 Messier 87의 중심에 블랙홀을 보여주는 EHT의 실제 사진이 멀리 떨어져 있지는 않지만 광자 고리를 해결할만큼 선명하지 않다는 것을 발견했습니다. 그들은 주장했다 2020 논문 미래의 고해상도 망원경은 광자 고리를 쉽게 볼 수 있을 것입니다. (ㅏ 새 용지 원본 데이터에서 레이어를 제거하는 알고리즘을 적용하여 EHT의 2019 이미지에서 고리를 찾았다고 주장하지만 그 주장은 회의론에 직면했습니다.)
그러나 시뮬레이션에서 너무 오랫동안 광자 고리를 응시한 Strominger와 그의 동료들은 그들의 형태가 더 깊은 의미를 암시하는지 궁금해하기 시작했습니다.
놀라운 대칭
블랙홀 주위를 한 번 U턴한 다음 지구를 향해 압축하는 광자는 우리에게 하나의 빛의 고리로 보일 것입니다. 구멍 주위에 두 번 U-턴을 만드는 광자는 첫 번째 고리 내에서 더 희미하고 더 얇은 부분 고리로 나타납니다. 그리고 XNUMX개의 U-턴을 만드는 광자는 그 하위 고리 내에서 하위 고리로 나타나며, 중첩된 고리를 생성하며, 각각은 마지막 고리보다 더 희미하고 얇습니다.
내부 하위 고리의 빛은 더 많은 궤도를 만들었으므로 외부 하위 고리의 빛보다 먼저 포착되어 주변 우주의 일련의 시간 지연 스냅샷이 생성됩니다. 공동 작업은 2020년 논문에서 "서브링 세트는 함께 블랙홀에서 본 가시 우주의 역사를 포착하는 영화의 프레임과 유사합니다."라고 썼습니다.
Strominger는 그와 그의 동료들이 EHT 사진을 보았을 때 “우리는 '이 화면에 우주의 무한한 사본이 있습니까? 홀로그램 듀얼이 사는 곳이 아닐까요?'
연구원들은 링의 동심 구조가 등각 대칭이라고 불리는 대칭 그룹을 암시한다는 것을 깨달았습니다. 등각 대칭이 있는 시스템은 "스케일 불변성"을 나타냅니다. 즉, 확대 또는 축소할 때 동일하게 보입니다. 이 경우 각 광자 하위 링은 이전 하위 링의 축소된 정확한 복사본입니다. 더욱이, 등각 대칭 시스템은 시간에 따라 앞뒤로 변환될 때와 모든 공간 좌표가 반전되고, 이동된 다음 다시 반전될 때 동일하게 유지됩니다.
Strominger는 1990년대에 그가 연구하고 있던 특별한 종류의 XNUMX차원 블랙홀에서 등각 대칭성을 발견했습니다. 이 대칭의 세부 사항을 정확하게 이해함으로써 그는 컴런 바파 발견했다. 참신한 방법 적어도 이러한 극단적인 종류의 블랙홀 내부에서 일반 상대성 이론을 양자 세계에 연결하는 것입니다. 그들은 블랙홀을 잘라내고 그것의 사건 지평선을 그들이 등각 대칭을 존중하는 입자의 양자 시스템을 포함하는 표면인 홀로그램 판이라고 부르는 것으로 교체하는 것을 상상했습니다. 그들은 블랙홀이 컨포멀 양자 시스템의 고차원 홀로그램인 것처럼 시스템의 속성이 블랙홀의 속성과 일치한다는 것을 보여주었습니다. 이렇게 하여 일반 상대성 이론에 따른 블랙홀의 설명과 양자역학적 설명 사이에 다리를 놓았습니다.
1997년 Maldacena는 동일한 홀로그램 원리를 전체 장난감 우주로 확장했습니다. 그는 "병 속의 우주,” 병의 표면에 살고 있는 등각 대칭 양자 시스템이 병 내부의 시공간 및 중력 속성에 정확히 매핑됩니다. 내부는 마치 홀로그램처럼 저차원 표면에서 투사된 "우주"와 같았습니다.
이 발견으로 많은 이론가들은 실제 우주가 홀로그램이라고 믿게 되었습니다. 문제는 병에 담긴 Maldacena의 우주가 우리 우주와 다르다는 것입니다. 그것은 음으로 구부러진 일종의 시공간으로 채워져 표면과 같은 외부 경계를 제공합니다. 우리 우주는 평평한 것으로 생각되며 이론가들은 평평한 시공간의 홀로그램 이중이 어떻게 생겼는지 거의 알지 못합니다. Strominger는 "이 가상의 세계에서 배운 것에서 영감을 얻으면서 현실 세계로 돌아가야 합니다."라고 말했습니다.
그래서 이 그룹은 이벤트 호라이즌 망원경으로 촬영한 것과 같은 평평한 시공간에 앉아 있는 사실적인 회전하는 블랙홀을 연구하기로 결정했습니다. "첫 번째 질문은 홀로그램 듀얼이 어디에 살고 있습니까? 그리고 대칭은 무엇입니까?” 하다르가 말했다.
홀로그램 듀얼을 찾아서
역사적으로 등각 대칭은 중력이 있는 시스템에 홀로그램으로 매핑되는 양자 시스템을 검색하는 데 신뢰할 수 있는 지침임이 입증되었습니다. Strominger는 "양자 중력 이론가에게 같은 문장에서 등각 대칭과 블랙홀을 말하는 것은 개 앞에서 붉은 고기를 흔드는 것과 같습니다."라고 말했습니다.
Kerr 메트릭이라고 불리는 일반 상대성 이론에서 회전하는 블랙홀에 대한 설명에서 시작하여 그룹은 등각 대칭의 힌트를 찾기 시작했습니다. 그들은 블랙홀을 망치로 쳐서 종처럼 울리도록 상상했습니다. 이 천천히 사라지는 진동은 두 개의 블랙홀이 충돌할 때 생성되는 중력파와 같습니다. 종의 벨소리가 모양에 따라 달라지는 것처럼 블랙홀은 시공간의 모양(즉, Kerr 메트릭)에 따라 달라지는 일부 공명 주파수로 울릴 것입니다.
Kerr 메트릭이 너무 복잡하기 때문에 정확한 진동 패턴을 파악하는 것은 불가능합니다. 그래서 연구팀은 블랙홀을 아주 세게 때릴 때 발생하는 고주파 진동만을 고려하여 패턴을 근사화했습니다. 그들은 이러한 높은 에너지에서의 파동 패턴과 블랙홀의 광자 고리 구조 사이의 관계를 알아차렸습니다. 패턴은 "광자 고리에 의해 완전히 지배되는 것으로 판명되었습니다"라고 말했습니다. 알렉스 루프사스카 테네시 주의 중력, 파동 및 유체에 대한 Vanderbilt Initiative의 스트로밍거, 하다르 및 하버드의 다니엘 카펙과 함께 새 논문을 공동 저술했습니다.
2020년 여름, 코로나19 팬데믹(세계적 대유행) 기간에 결정적인 순간이 찾아왔습니다. 칠판과 벤치는 하버드 제퍼슨 물리학 연구소 외부 잔디에 설치되었고 연구원들은 마침내 직접 만날 수 있었습니다. 그들은 각 광자 고리를 다음 하위 고리에 연결하는 등각 대칭과 마찬가지로, 울리는 블랙홀의 연속적인 톤이 등각 대칭에 의해 서로 관련되어 있다는 사실을 알아냈습니다. 광자 고리와 블랙홀 진동 사이의 이러한 관계는 홀로그래피의 "선구자"가 될 수 있다고 Strominger는 말했습니다.
광자 고리가 특별한 의미를 가질 수 있다는 또 다른 단서는 고리가 블랙홀의 기하학과 관련되는 반직관적인 방식에서 비롯됩니다. Hadar는 "매우 매우 이상합니다. "광자 고리의 다른 지점을 따라 이동할 때 실제로 다른 반지름 또는 깊이를 블랙홀로 조사하고 있습니다."
이러한 발견은 스트로밍거에게 사건의 지평선이 아니라 광자 고리가 회전하는 블랙홀의 홀로그램 판의 일부에 대한 "천연 후보"임을 암시합니다.
그렇다면 블랙홀에 떨어지는 물체에 대한 정보에 어떤 일이 일어나는지 그리는 새로운 방법이 있을 수 있습니다. 이는 블랙홀 정보 역설로 알려진 오랜 미스터리입니다. 최근 계산 이 정보는 블랙홀이 천천히 증발함에 따라 우주에 의해 어떻게든 보존된다는 것을 나타냅니다. Strominger는 이제 정보가 홀로그램 판에 저장될 수 있다고 추측합니다. "아마도 정보는 실제로 블랙홀에 떨어지지는 않지만, 블랙홀 외부 주변의 구름에 머물며 아마도 광자 고리까지 확장될 것입니다."라고 그는 말했습니다. "하지만 우리는 그것이 어떻게 거기에 코딩되어 있는지 또는 그것이 정확히 어떻게 작동하는지 이해하지 못합니다."
이론가들을 향한 부름
홀로그램 이중 생명체가 광자 고리 내부 또는 주변에 있다는 스트로밍거와 회사의 직감은 일부 양자 중력 이론가들에 의해 회의론에 직면했는데, 이들은 고리의 등각 대칭에서 너무 대담한 외삽으로 간주합니다. "홀로그램 이중 생활은 대칭이 무엇보다 훨씬 더 깊은 질문인 곳입니다." 말했다 다니엘 할로우, 매사추세츠 공과 대학의 양자 중력 및 블랙홀 이론가. 이 문제에 대한 추가 연구에 찬성하지만 Harlow는 이 경우에 설득력 있는 홀로그램 이중성이 개별 광자의 궤도 및 주파수와 같은 광자 고리의 속성이 미세 입자에 수학적으로 매핑되는 방법을 보여야 한다고 강조합니다. 블랙홀의 양자 세부 사항.
그럼에도 불구하고, 몇몇 전문가들은 새로운 연구가 제안된 홀로그램 듀얼이 실을 꿰어야 하는 유용한 바늘을 제공한다고 말했습니다. 듀얼은 종처럼 쳐진 회전하는 블랙홀의 비정상적인 진동 패턴을 인코딩할 수 있어야 합니다. Strominger는 "블랙홀을 설명하는 양자 시스템을 요구하는 것은 그 모든 복잡성을 재현하는 매우 강력한 제약이며 우리가 이전에 이용하려고 시도한 적이 없는 제약입니다."라고 말했습니다. 에바 실버스타인스탠포드 대학의 이론 물리학자인 '홀로그램 이중 기술을 시도할 때 사람들이 재현하려고 시도하는 것은 매우 좋은 이론 데이터인 것 같다'고 말했다.
Maldacena는 "이를 홀로그램 듀얼에 통합하는 방법을 이해하고 싶습니다. 그래서 아마도 그 방향으로의 연구를 자극할 것입니다.”
Maloney는 광자 고리의 새로 발견된 대칭이 이론가와 관찰자 모두에게 관심을 불러일으킬 것이라고 생각합니다. 이벤트 호라이즌 망원경에 대한 업그레이드가 자금 지원을 받으면 몇 년 이내에 광자 고리를 감지하기 시작할 수 있습니다.
이 고리의 미래 측정은 홀로그래피를 직접 테스트하지 않을 것입니다. 오히려 데이터는 블랙홀 근처에서 일반 상대성 이론의 극단적인 테스트를 허용할 것입니다. 블랙홀 주변의 무한한 빛 덫의 구조가 내부의 비밀을 수학적으로 암호화할 수 있는지 여부를 펜과 종이 계산으로 결정하는 것은 이론가의 몫입니다.
