Når fotoner suser mot et svart hull, suges de fleste ned i dets dybder, for aldri å komme tilbake, eller de bøyes forsiktig bort. Noen få skjørter imidlertid hullet og gjør en serie brå U-svinger. Noen av disse fotonene fortsetter å sirkle rundt det sorte hullet praktisk talt for alltid.
Beskrevet av astrofysikere som et "kosmisk filmkamera" og en "uendelig lysfelle", er den resulterende ringen av kretsende fotoner blant de rareste fenomenene i naturen. Hvis du oppdager fotonene, "kommer du til å se hvert objekt i universet uendelig mange ganger," sa Sam Gralla, fysiker ved University of Arizona.
Men i motsetning til den ikoniske hendelseshorisonten til et svart hull – grensen innenfor hvilken tyngdekraften er så sterk at ingenting kan unnslippe – har fotonringen, som kretser rundt hullet lenger unna, aldri fått mye oppmerksomhet fra teoretikere. Det er fornuftig at forskere har vært opptatt av hendelseshorisonten, siden den markerer kanten av deres kunnskap om universet. Gjennom det meste av kosmos sporer tyngdekraften med kurver i rom og tid som beskrevet av Albert Einsteins generelle relativitetsteori. Men rom-tid vrir seg så mye inne i sorte hull at generell relativitet bryter sammen der. Kvantegravitasjonsteoretikere som søker en sannere, kvantebeskrivelse av gravitasjon har derfor sett mot horisonten for å finne svar.
"Jeg hadde sett på at hendelseshorisonten var det vi trengte å forstå," sa Andrew Strominger, en ledende sort hull og kvantegravitasjonsteoretiker ved Harvard University. "Og jeg tenkte på fotonringen som en slags teknisk, komplisert ting som ikke hadde noen dyp betydning."
Nå gjør Strominger sin egen helomvending og prøver å overbevise andre teoretikere om å bli med ham. "Vi utforsker, spent, muligheten for at fotonringen er tingen du må forstå for å låse opp hemmelighetene til Kerr sorte hull," sa han, og refererte til den typen spinnende sorte hull som skapes når stjerner dør og gravitasjonsmessig kollapser . (Fotonringen dannes samtidig.)
In et papir lagt ut på nett i mai og nylig akseptert for publisering in Klassisk kvantegravitasjon, avslørte Strominger og hans samarbeidspartnere at fotonringen rundt et spinnende sort hull har en uventet form for symmetri - en måte at den kan transformeres og fortsatt forbli den samme. Symmetrien antyder at ringen kan kode informasjon om hullets kvantestruktur. "Denne symmetrien lukter som noe å gjøre med det sentrale problemet med å forstå kvantedynamikken til sorte hull," sa han. Oppdagelsen har ført til at forskere diskuterer om fotonringen til og med kan være en del av et svart hulls "holografiske dual" - et kvantesystem som er nøyaktig ekvivalent med selve det sorte hullet, og som det sorte hullet kan tenkes å dukke opp ut av. et hologram.
"Det åpner opp en veldig interessant vei for å forstå holografien til disse [svarte hull] geometriene," sa Alex Maloney, en teoretiker ved McGill University i Canada som ikke var involvert i forskningen. "Den nye symmetrien organiserer strukturen til sorte hull langt fra hendelseshorisonten, og jeg synes det er veldig spennende."
Mye mer teoretisk studie er nødvendig før forskere kan si sikkert om, eller på hvilken måte, fotonringen koder for det indre innholdet i et svart hull. Men i det minste sier teoretikere at det nye papiret har detaljert en nøyaktig test for ethvert kvantesystem som hevder å være det sorte hullets holografiske dual. "Det er et mål for en holografisk beskrivelse," sa Juan Maldacena fra Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, en av de opprinnelige arkitektene for holografi.
Gjemte seg i fotonringen
En del av spenningen rundt fotonringen er at den, i motsetning til hendelseshorisonten, faktisk er synlig. Faktisk skjedde Stromingers u-sving mot disse ringene på grunn av et fotografi: første gangs bilde av et sort hull. Da Event Horizon Telescope (EHT) avduket det i 2019, "Jeg gråt," sa han. "Det er utrolig vakkert."
Oppstemthet ble snart forvirret. Det sorte hullet i bildet hadde en tykk ring av lys rundt seg, men fysikere på EHT-teamet visste ikke om dette lyset var et produkt av hullets kaotiske omgivelser, eller om det inkluderte det sorte hullets fotonring. De gikk til Strominger og hans teoretikerkolleger for å få hjelp til å tolke bildet. Sammen bladde de i den enorme databanken med datasimuleringer som EHT-teamet brukte for å skille de fysiske prosessene som produserer lys rundt sorte hull. I disse simulerte bildene kunne de se den tynne, lyse ringen innebygd i den større, uklare oransje smultringen av lys.
"Når du ser på alle simuleringene, kan du ikke gå glipp av det," sa Shahar Hadar fra University of Haifa i Israel, som samarbeidet med Strominger og EHT-fysikerne om forskningen mens de var ved Harvard. Dannelsen av fotonringen ser ut til å være en "universell effekt" som skjer rundt alle sorte hull, sa Hadar.
I motsetning til malstrømmen av energiske kolliderende partikler og felt som omgir sorte hull, bestemte teoretikerne, den skarpe linjen til fotonringen bærer direkte informasjon om det sorte hullets egenskaper, inkludert dets masse og spinnmengde. "Det er definitivt den vakreste og mest overbevisende måten å virkelig se det sorte hullet på," sa Strominger.
Samarbeidet mellom astronomer, simulatorer og teoretikere fant at EHTs faktiske fotografi, som viser det sorte hullet i sentrum av den nærliggende galaksen Messier 87, ikke er skarpt nok til å løse fotonringen, selv om det ikke er langt unna. De argumenterte i et 2020-papir at fremtidige teleskoper med høyere oppløsning lett bør se fotonringer. (EN nytt papir hevder å ha funnet ringen i EHTs 2019-bilde ved å bruke en algoritme for å fjerne lag fra de originale dataene, men påstanden har blitt møtt med skepsis.)
Likevel, etter å ha stirret på fotonringer så lenge i simuleringene, begynte Strominger og kollegene hans å lure på om formen deres antydet en enda dypere mening.
En overraskende symmetri
Fotoner som gjør en enkelt U-sving rundt et svart hull og deretter glider mot jorden, vil fremstå for oss som en enkelt ring av lys. Fotoner som gjør to U-sving rundt hullet vises som en svakere, tynnere subring innenfor den første ringen. Og fotoner som gjør tre U-svinger vises som en subring innenfor den subringen, og så videre, og skaper nestede ringer, hver svakere og tynnere enn den forrige.
Lys fra de indre underringene har laget flere baner og ble derfor fanget før lyset fra de ytre underringene, noe som resulterte i en serie med tidsforsinkede øyeblikksbilder av universet rundt. "Sammen er settet med underringer beslektet med rammene til en film, og fanger historien til det synlige universet sett fra det sorte hullet," skrev samarbeidet i 2020-avisen.
Strominger sa at da han og hans samarbeidspartnere så på EHT-bildene, "var vi sånn:" Hei, det er et uendelig antall kopier av universet der på skjermen? Kan det ikke være der den holografiske dualen bor?’»
Forskerne innså at ringens konsentriske struktur antyder en gruppe symmetrier kalt konform symmetri. Et system som har konform symmetri viser "skalainvarians", noe som betyr at det ser likt ut når du zoomer inn eller ut. I dette tilfellet er hver fotonsubring en eksakt, forstørret kopi av forrige subring. Dessuten forblir et konformt symmetrisk system det samme når det oversettes forover eller bakover i tid og når alle romlige koordinater er invertert, forskjøvet og deretter invertert igjen.
Strominger møtte konform symmetri på 1990-tallet da den dukket opp i en spesiell type femdimensjonalt sort hull han studerte. Ved nøyaktig å forstå detaljene i denne symmetrien, han og Cumrun Vafa fant en ny måte å koble generell relativitet til kvanteverdenen, i det minste innenfor disse ekstreme sorte hullene. De så for seg å kutte ut det sorte hullet og erstatte dets hendelseshorisont med det de kalte en holografisk plate, en overflate som inneholder et kvantesystem av partikler som respekterer konform symmetri. De viste at systemets egenskaper samsvarer med egenskapene til det sorte hullet, som om det sorte hullet er et høyere dimensjonalt hologram av det konforme kvantesystemet. På denne måten bygde de en bro mellom beskrivelsen av et sort hull i henhold til generell relativitetsteori og dets kvantemekaniske beskrivelse.
I 1997 utvidet Maldacena det samme holografiske prinsippet til et helt leketøysunivers. Han oppdaget en "univers i en flaske", der et konformt symmetrisk kvantesystem som lever på flaskens overflate nøyaktig kartlagt egenskapene til rom-tid og tyngdekraft i flaskens indre. Det var som om interiøret var et "univers" som projiserte fra sin lavere dimensjonale overflate som et hologram.
Oppdagelsen fikk mange teoretikere til å tro at det virkelige universet er et hologram. Problemet er at Maldacenas univers i en flaske skiller seg fra vårt eget. Den er fylt med en type rom-tid som er negativt buet, noe som gir den en overflatelignende ytre grense. Universet vårt antas å være flatt, og teoretikere har liten anelse om hvordan den holografiske dualen av flat romtid ser ut. "Vi må komme tilbake til den virkelige verden, samtidig som vi tar inspirasjon fra det vi har lært fra disse hypotetiske verdenene," sa Strominger.
Og så bestemte gruppen seg for å studere et realistisk spinnende sort hull i flat romtid, som de som ble fotografert av Event Horizon Telescope. "De første spørsmålene å stille er: Hvor bor den holografiske dualen? Og hva er symmetriene?" sa Hadar.
Søker etter den holografiske dualen
Historisk sett har konform symmetri vist seg å være en pålitelig guide i søket etter kvantesystemer som holografisk kartlegger systemer med gravitasjon. "Å si konform symmetri og svart hull i samme setning til en kvantegravitasjonsteoretiker er som å vinke rødt kjøtt foran en hund," sa Strominger.
Med utgangspunkt i beskrivelsen av spinnende sorte hull i generell relativitet, kalt Kerr-metrikken, begynte gruppen å lete etter hint av konform symmetri. De så for seg å slå det sorte hullet med en hammer for å få det til å ringe som en bjelle. Disse sakte falmende vibrasjonene er som gravitasjonsbølgene som skapes når for eksempel to sorte hull kolliderer. Det sorte hullet vil ringe med noen resonansfrekvenser som avhenger av formen til rom-tid (det vil si Kerr-metrikken) akkurat som ringetonene til en klokke avhenger av formen.
Å finne ut det nøyaktige mønsteret av vibrasjoner er umulig fordi Kerr-metrikken er så komplisert. Så teamet tilnærmet mønsteret ved kun å vurdere høyfrekvente vibrasjoner, som er et resultat av å treffe det sorte hullet veldig hardt. De la merke til et forhold mellom bølgemønsteret ved disse høye energiene og strukturen til det sorte hullets fotonringer. Mønsteret "viser seg å være fullstendig styrt av fotonringen," sa Alex Lupsasca fra Vanderbilt Initiative for Gravity, Waves and Fluids i Tennessee, som var medforfatter av det nye papiret sammen med Strominger, Hadar og Daniel Kapec fra Harvard.
Et sentralt øyeblikk kom sommeren 2020 under Covid-19-pandemien. Tavler og benker ble satt opp på gresset utenfor Harvards Jefferson fysikklaboratorium, og forskerne kunne endelig møte opp personlig. De fant ut at, i likhet med den konforme symmetrien som relaterer hver fotonring til neste subring, er de påfølgende tonene til et ringende svart hull relatert til hverandre ved konform symmetri. Dette forholdet mellom fotonringene og svarte hulls vibrasjoner kan være en "bebuder" av holografi, sa Strominger.
En annen anelse om at fotonringen kan ha spesiell betydning kommer fra den kontraintuitive måten ringen forholder seg til det sorte hullets geometri. "Det er veldig, veldig rart," sa Hadar. "Når du beveger deg langs forskjellige punkter på fotonringen, sonderer du faktisk forskjellige radier" eller dybder inn i det sorte hullet.
Disse funnene antyder for Strominger at fotonringen, snarere enn hendelseshorisonten, er en "naturlig kandidat" for en del av den holografiske platen til et spinnende svart hull.
I så fall kan det være en ny måte å forestille seg hva som skjer med informasjon om gjenstander som faller inn i sorte hull - et langvarig mysterium kjent som informasjonsparadokset for det svarte hull. Nylige beregninger indikerer at denne informasjonen på en eller annen måte blir bevart av universet når et svart hull sakte fordamper. Strominger spekulerer nå i at informasjonen kan være lagret i den holografiske platen. "Kanskje informasjon egentlig ikke faller inn i det sorte hullet, men den forblir på en måte i en sky rundt utenfor det sorte hullet, som sannsynligvis strekker seg til fotonringen," sa han. "Men vi forstår ikke hvordan det er kodet der inne, eller nøyaktig hvordan det fungerer."
En oppfordring til teoretikere
Strominger og selskapets anelse om at den holografiske dualen bor i eller rundt fotonringen har blitt møtt med skepsis av noen kvantegravitasjonsteoretikere, som ser det som en for dristig ekstrapolering fra ringens konforme symmetri. "Hvor den holografiske dualen lever er et mye dypere spørsmål enn: Hva er symmetrien?" sa Daniel Harlow, en kvantegravitasjons- og svartehullteoretiker ved Massachusetts Institute of Technology. Selv om han går inn for ytterligere forskning på spørsmålet, understreker Harlow at en overbevisende holografisk dualitet, i dette tilfellet, må vise hvordan egenskapene til fotonringen, slik som individuelle fotoners baner og frekvenser, matematisk kartlegges på finkornet. kvantedetaljer i det sorte hullet.
Ikke desto mindre sa flere eksperter at den nye forskningen tilbyr en nyttig nål som enhver foreslått holografisk dual må tre: Dualen må være i stand til å kode det uvanlige vibrasjonsmønsteret til et spinnende sort hull etter at det har blitt slått som en klokke. "Å kreve kvantesystemet som beskriver det sorte hullet reproduserer all den kompleksiteten er en utrolig kraftig begrensning - og en som vi aldri har prøvd å utnytte før," sa Strominger. Eva Silverstein, en teoretisk fysiker ved Stanford University, sa: "Det virker som et veldig fint stykke teoretiske data for folk å prøve å reprodusere når de prøver en holografisk dobbel beskrivelse."
Maldacena var enig og sa: "Man vil gjerne forstå hvordan man kan inkorporere dette i en holografisk dual. Så det vil nok stimulere til litt forskning i den retningen.»
Maloney mistenker at den nyoppdagede symmetrien til fotonringen vil vekke interesse blant både teoretikere og observatører. Hvis håpet på oppgraderinger av Event Horizon-teleskopet blir finansiert, kan det begynne å oppdage fotonringer i løpet av få år.
Fremtidige målinger av disse ringene vil imidlertid ikke teste holografi direkte - snarere vil dataene tillate ekstreme tester av generell relativitet nær sorte hull. Det er opp til teoretikere å avgjøre med penn-og-papir-beregninger om strukturen til de uendelige lysfellene rundt sorte hull kan matematisk kryptere hemmelighetene innenfor.
