Kiedy fotony pędzą w kierunku czarnej dziury, większość jest wsysana w jej głębiny i nigdy nie wraca lub delikatnie odchylana. Jednak nieliczni omijają dziurę, robiąc serię gwałtownych zwrotów. Niektóre z tych fotonów krążą wokół czarnej dziury praktycznie bez końca.
Opisany przez astrofizyków jako „kosmiczna kamera filmowa” i „nieskończona pułapka świetlna”, powstały pierścień orbitujących fotonów jest jednym z najdziwniejszych zjawisk w przyrodzie. Jeśli wykryjesz fotony, „będziesz widział każdy obiekt we wszechświecie nieskończenie wiele razy”, powiedział Sam Gralla, fizyk z Uniwersytetu Arizony.
Ale w przeciwieństwie do kultowego horyzontu zdarzeń czarnej dziury – granicy, w której grawitacja jest tak silna, że nic nie może uciec – pierścień fotonowy, który krąży dalej wokół dziury, nigdy nie był przedmiotem zainteresowania teoretyków. Ma sens, że badacze zajmowali się horyzontem zdarzeń, ponieważ wyznacza on granicę ich wiedzy o wszechświecie. Przez większość kosmosu grawitacja porusza się z krzywymi w przestrzeni i czasie, zgodnie z ogólną teorią względności Alberta Einsteina. Ale czasoprzestrzeń tak bardzo wypacza się w czarnych dziurach, że ogólna teoria względności się tam załamuje. Teoretycy grawitacji kwantowej poszukujący prawdziwszego, kwantowego opisu grawitacji szukali odpowiedzi w horyzoncie.
„Wyszedłem z założenia, że musimy zrozumieć horyzont zdarzeń” — powiedział Andrzeja Stromingera, wiodący teoretyk czarnej dziury i grawitacji kwantowej na Uniwersytecie Harvarda. „Pomyślałem o pierścieniu fotonowym jako o jakiejś technicznej, skomplikowanej rzeczy, która nie miała żadnego głębokiego znaczenia”.
Teraz Strominger dokonuje własnego zwrotu i próbuje przekonać innych teoretyków, by do niego dołączyli. „Z podekscytowaniem badamy możliwość, że pierścień fotonowy jest rzeczą, którą musisz zrozumieć, aby odkryć tajemnice czarnych dziur Kerra”, powiedział, odnosząc się do rodzaju wirujących czarnych dziur, które powstają, gdy gwiazdy umierają i zapadają się grawitacyjnie. . (Pierścień fotonowy tworzy się jednocześnie.)
In papier opublikowane online w maju i ostatnio przyjęty do publikacji in Klasyczna grawitacja kwantowaStrominger i jego współpracownicy ujawnili, że pierścień fotonowy wokół wirującej czarnej dziury ma nieoczekiwany rodzaj symetrii — sposób, w jaki może zostać przekształcony i nadal pozostać taki sam. Symetria sugeruje, że pierścień może kodować informacje o strukturze kwantowej dziury. „Ta symetria pachnie jak coś związanego z głównym problemem zrozumienia dynamiki kwantowej czarnych dziur” – powiedział. Odkrycie skłoniło naukowców do debaty, czy pierścień fotonowy może być nawet częścią „holograficznego duala” czarnej dziury – układu kwantowego, który jest dokładnie równoważny samej czarnej dziurze i o którym czarna dziura może być uważana za wyłaniającą się z podobnego hologram.
„Otwiera bardzo interesującą drogę do zrozumienia holografii tych [czarnych dziur] geometrii” — powiedział Alexa Maloneya, teoretyk z McGill University w Kanadzie, który nie był zaangażowany w badania. „Nowa symetria porządkuje strukturę czarnych dziur daleko od horyzontu zdarzeń i myślę, że to bardzo ekscytujące”.
Potrzeba znacznie więcej badań teoretycznych, zanim naukowcy będą mogli stwierdzić z całą pewnością, czy iw jaki sposób pierścień fotonowy koduje wewnętrzną zawartość czarnej dziury. Ale przynajmniej teoretycy twierdzą, że nowy artykuł szczegółowo opisuje dokładny test dla dowolnego układu kwantowego, który twierdzi, że jest holograficznym dualem czarnej dziury. „To cel dla opisu holograficznego”, powiedział Juana Maldaceny z Institute for Advanced Study w Princeton, New Jersey, jednego z oryginalnych architektów holografii.
Ukrywanie się w pierścieniu fotonów
Częścią podekscytowania pierścieniem fotonowym jest to, że w przeciwieństwie do horyzontu zdarzeń, jest on faktycznie widoczny. W rzeczywistości zwrot Stromingera w kierunku tych pierścieni nastąpił z powodu zdjęcia: pierwszy w historii obraz czarnej dziury. Kiedy Teleskop Event Horizon (EHT) ujawnił go w 2019 r., „Płakałem” – powiedział. „Jest niesamowicie piękny”.
Uniesienie wkrótce pogrążyło się w zamieszaniu. Czarna dziura na zdjęciu miała wokół siebie gruby pierścień światła, ale fizycy z zespołu EHT nie wiedzieli, czy to światło było produktem chaotycznego otoczenia otaczającego dziurę, czy też zawierało pierścień fotonowy czarnej dziury. Poszli do Stromingera i jego kolegów teoretyków o pomoc w interpretacji obrazu. Razem przejrzeli ogromny bank danych symulacji komputerowych, którego zespół EHT używał do rozplątywania fizycznych procesów, które wytwarzają światło wokół czarnych dziur. Na tych symulowanych obrazach mogli zobaczyć cienki, jasny pierścień osadzony w większym, bardziej rozmytym pomarańczowym pączku światła.
„Kiedy patrzysz na wszystkie symulacje, nie możesz tego przegapić” – powiedział Szahar Hadar z University of Haifa w Izraelu, który współpracował ze Stromingerem i fizykami EHT nad badaniami na Harvardzie. Jak powiedział Hadar, tworzenie pierścienia fotonowego wydaje się być „efektem uniwersalnym”, który ma miejsce wokół wszystkich czarnych dziur.
W przeciwieństwie do wiru energetycznych zderzających się cząstek i pól, które otaczają czarne dziury, teoretycy ustalili, ostra linia pierścienia fotonowego niesie bezpośrednie informacje o właściwościach czarnej dziury, w tym o jej masie i ilości spinu. „To zdecydowanie najpiękniejszy i najbardziej fascynujący sposób, aby naprawdę zobaczyć czarną dziurę” – powiedział Strominger.
Współpraca astronomów, symulatorów i teoretyków odkryła, że rzeczywiste zdjęcie EHT, które pokazuje czarną dziurę w centrum pobliskiej galaktyki Messier 87, nie jest wystarczająco ostre, aby rozdzielić pierścień fotonowy, chociaż nie jest daleko. Kłócili się w papier 2020 że przyszłe teleskopy o wyższej rozdzielczości powinny z łatwością dostrzec pierścienie fotonowe. (A nowy papier twierdzi, że znalazł pierścień na obrazie EHT z 2019 roku, stosując algorytm do usuwania warstw z oryginalnych danych, ale twierdzenie to spotkało się ze sceptycyzmem.)
Mimo to, po tak długim przyglądaniu się pierścieniom fotonowym w symulacjach, Strominger i jego koledzy zaczęli się zastanawiać, czy ich forma wskazuje na jeszcze głębsze znaczenie.
Zaskakująca symetria
Fotony, które wykonują pojedynczy obrót wokół czarnej dziury, a następnie lecą w kierunku Ziemi, wydawałyby się nam jako pojedynczy pierścień światła. Fotony, które wykonują dwa zawracanie wokół otworu, wyglądają jak słabszy, cieńszy podpierścień w obrębie pierwszego pierścienia. A fotony, które wykonują trzy zwroty w kształcie litery U, pojawiają się jako podpierścień w tym podpierścieniu i tak dalej, tworząc zagnieżdżone pierścienie, każdy słabszy i cieńszy od poprzedniego.
Światło z wewnętrznych podpierścieni wykonało więcej orbit i dlatego zostało uchwycone przed światłem z zewnętrznych podpierścieni, co dało serię opóźnionych w czasie migawek otaczającego wszechświata. „Razem zestaw podpierścieni jest podobny do klatek filmu, utrwalając historię widzialnego wszechświata widzianego z czarnej dziury” – napisała współpraca w gazecie z 2020 roku.
Strominger powiedział, że kiedy on i jego współpracownicy spojrzeli na zdjęcia EHT, „pomyśleliśmy: 'Hej, na tym ekranie jest nieskończona liczba kopii wszechświata? Czy to nie może być miejsce, w którym żyje dualizm holograficzny?'”
Naukowcy zdali sobie sprawę, że koncentryczna struktura pierścienia sugeruje grupę symetrii zwaną symetrią konformalną. System, który ma symetrię konforemną, wykazuje „niezmienność skali”, co oznacza, że wygląda tak samo podczas powiększania lub pomniejszania. W tym przypadku każdy podpierścień fotonów jest dokładną, pozbawioną powiększenia kopią poprzedniego podpierścienia. Co więcej, system konforemnie symetryczny pozostaje taki sam po przesunięciu w przód lub w tył w czasie oraz gdy wszystkie współrzędne przestrzenne są odwrócone, przesunięte, a następnie ponownie odwrócone.
Strominger napotkał symetrię konforemną w latach 1990., kiedy pojawiła się w specjalnym rodzaju pięciowymiarowej czarnej dziury, którą badał. Dzięki dokładnemu zrozumieniu szczegółów tej symetrii, on i Cumrun Vafa znaleźć nowatorski sposób połączyć ogólną teorię względności ze światem kwantowym, przynajmniej wewnątrz tych ekstremalnych rodzajów czarnych dziur. Wyobrazili sobie wycięcie czarnej dziury i zastąpienie jej horyzontu zdarzeń czymś, co nazwali płytą holograficzną, powierzchnią zawierającą układ kwantowy cząstek, który respektuje symetrię konforemną. Wykazali, że właściwości układu odpowiadają właściwościom czarnej dziury, tak jakby czarna dziura była hologramem wyższego wymiaru konforemnego układu kwantowego. W ten sposób zbudowali pomost między opisem czarnej dziury według ogólnej teorii względności a jej opisem mechaniki kwantowej.
W 1997 roku Maldacena rozszerzyła tę samą holograficzną zasadę na cały wszechświat zabawek. Odkrył „wszechświat w butelce”, w którym konformalnie symetryczny układ kwantowy żyjący na powierzchni butelki dokładnie odwzorował właściwości czasoprzestrzeni i grawitacji we wnętrzu butelki. Wyglądało to tak, jakby wnętrze było „wszechświatem”, który wystaje z jego niskowymiarowej powierzchni jak hologram.
Odkrycie doprowadziło wielu teoretyków do przekonania, że prawdziwy wszechświat jest hologramem. Problem polega na tym, że wszechświat Maldaceny w butelce różni się od naszego. Jest wypełniona rodzajem czasoprzestrzeni, która jest ujemnie zakrzywiona, co daje jej zewnętrzną granicę przypominającą powierzchnię. Uważa się, że nasz wszechświat jest płaski, a teoretycy nie mają pojęcia, jak wygląda holograficzna podwójna płaska czasoprzestrzeń. „Musimy wrócić do prawdziwego świata, czerpiąc inspirację z tego, czego nauczyliśmy się z tych hipotetycznych światów” – powiedział Strominger.
I tak grupa postanowiła zbadać realistyczną wirującą czarną dziurę znajdującą się w płaskiej czasoprzestrzeni, jak te sfotografowane przez Teleskop Event Horizon. „Pierwsze pytania, które należy zadać, to: Gdzie mieszka holograficzny dual? A jakie są symetrie?” powiedział Hadar.
Poszukiwanie holograficznego duala
Historycznie symetria konforemna okazała się godnym zaufania przewodnikiem w poszukiwaniu systemów kwantowych, które holograficznie mapują na systemy grawitacyjne. „Powiedzenie w tym samym zdaniu symetrii konformalnej i czarnej dziury teoretykowi grawitacji kwantowej jest jak machanie czerwonym mięsem przed psem” – powiedział Strominger.
Zaczynając od opisu wirujących czarnych dziur w ogólnej teorii względności, zwanej metryką Kerra, grupa zaczęła szukać śladów symetrii konforemnej. Wyobrażali sobie uderzanie młotkiem w czarną dziurę, aby zadzwoniła jak dzwon. Te powoli zanikające wibracje są jak fale grawitacyjne powstające, gdy, powiedzmy, zderzają się dwie czarne dziury. Czarna dziura będzie dzwonić z pewnymi częstotliwościami rezonansowymi, które zależą od kształtu czasoprzestrzeni (tj. od metryki Kerra), tak jak dźwięki dzwonka zależą od jego kształtu.
Ustalenie dokładnego wzoru drgań jest niewykonalne, ponieważ metryka Kerra jest tak skomplikowana. Tak więc zespół przybliżył wzór, biorąc pod uwagę jedynie wibracje o wysokiej częstotliwości, które wynikają z bardzo silnego uderzenia w czarną dziurę. Zauważyli związek między wzorem fal przy tych wysokich energiach a strukturą pierścieni fotonowych czarnej dziury. Wzór „okazuje się, że całkowicie rządzi pierścieniem fotonowym”, powiedział Alexa Lupsaski Vanderbilt Initiative for Gravity, Waves and Fluids w Tennessee, który jest współautorem nowego artykułu wraz ze Stromingerem, Hadarem i Danielem Kapecem z Harvardu.
Kluczowy moment nadszedł latem 2020 roku podczas pandemii Covid-19. Tablice i ławki ustawiono na trawie przed laboratorium fizyki Jeffersona na Harvardzie, a naukowcy mogli wreszcie spotkać się osobiście. Odkryli, że podobnie jak symetria konformalna, która wiąże każdy pierścień fotonowy z następnym podpierścieniem, kolejne tony dzwoniącej czarnej dziury są powiązane ze sobą przez symetrię konformalną. Ten związek między pierścieniami fotonowymi a wibracjami czarnej dziury może być „zwiastunem” holografii, powiedział Strominger.
Kolejna wskazówka, że pierścień fotonowy może mieć szczególne znaczenie, pochodzi z sprzecznego z intuicją sposobu, w jaki pierścień odnosi się do geometrii czarnej dziury. – To bardzo, bardzo dziwne – powiedział Hadar. „Kiedy poruszasz się wzdłuż różnych punktów na pierścieniu fotonowym, w rzeczywistości sondujesz różne promienie” lub głębokości w czarnej dziurze.
Te odkrycia sugerują Stromingerowi, że pierścień fotonowy, a nie horyzont zdarzeń, jest „naturalnym kandydatem” na część płyty holograficznej wirującej czarnej dziury.
Jeśli tak, może istnieć nowy sposób na zobrazowanie tego, co dzieje się z informacjami o obiektach, które wpadają do czarnych dziur – od dawna tajemnica znana jako paradoks informacji o czarnych dziurach. Ostatnie obliczenia wskazują, że informacje te są w jakiś sposób zachowywane przez wszechświat, gdy czarna dziura powoli wyparowuje. Strominger teraz spekuluje, że informacje mogą być przechowywane na płycie holograficznej. „Być może informacje tak naprawdę nie wpadają do czarnej dziury, ale w pewnym sensie pozostają w chmurze wokół czarnej dziury, która prawdopodobnie rozciąga się na pierścień fotonowy” – powiedział. „Ale nie rozumiemy, jak to jest tam zakodowane, ani dokładnie, jak to działa”.
Wezwanie do teoretyków
Przeczucie Stromingera i firmy, że holograficzna dwójka żyje w pierścieniu fotonowym lub wokół niego, spotkało się ze sceptycyzmem niektórych teoretyków grawitacji kwantowej, którzy uważają to za zbyt odważną ekstrapolację z konformalnej symetrii pierścienia. „Gdzie holograficzne podwójne życie jest znacznie głębszym pytaniem niż: jaka jest symetria?” powiedział Daniela Harlowa, teoretyk grawitacji kwantowej i czarnych dziur w Massachusetts Institute of Technology. Chociaż opowiada się za dalszymi badaniami w tej kwestii, Harlow podkreśla, że przekonująca dualność holograficzna, w tym przypadku, musi pokazać, w jaki sposób właściwości pierścienia fotonowego, takie jak orbity i częstotliwości poszczególnych fotonów, odwzorowują matematycznie na drobnoziarnistym szczegóły kwantowe czarnej dziury.
Niemniej jednak kilku ekspertów stwierdziło, że nowe badania oferują przydatną igłę, którą każdy proponowany holograficzny dual musi nawlec: dual musi być w stanie zakodować niezwykły wzór wibracji wirującej czarnej dziury po uderzeniu w nią jak dzwon. „Wymaganie systemu kwantowego, który opisuje czarną dziurę, odtwarza całą tę złożoność, jest niesamowicie potężnym ograniczeniem – i takim, którego nigdy wcześniej nie próbowaliśmy wykorzystać” – powiedział Strominger. Ewa Silverstein, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Stanforda, powiedział: „Wydaje się, że ludzie mogą spróbować odtworzyć bardzo ładne dane teoretyczne, próbując holograficznego opisu podwójnego”.
Maldacena zgodził się, mówiąc: „Chciałoby się zrozumieć, jak włączyć to do holograficznego duala. Więc prawdopodobnie pobudzi to pewne badania w tym kierunku”.
Maloney podejrzewa, że nowo odkryta symetria pierścienia fotonowego wzbudzi zainteresowanie zarówno teoretyków, jak i obserwatorów. Jeśli sfinansowane zostaną modernizacje Teleskopu Event Horizon, może on zacząć wykrywać pierścienie fotonowe w ciągu kilku lat.
Przyszłe pomiary tych pierścieni nie będą jednak bezpośrednio testować holografii — dane pozwolą raczej na ekstremalne testy ogólnej teorii względności w pobliżu czarnych dziur. Od teoretyków zależy ustalenie za pomocą długopisowych obliczeń, czy struktura nieskończonych pułapek świetlnych wokół czarnych dziur może matematycznie zaszyfrować zawarte w nich sekrety.
