Quando os fótons são lançados em direção a um buraco negro, a maioria é sugada para suas profundezas, para nunca mais retornar, ou é suavemente desviada. Alguns raros, no entanto, contornam o buraco, fazendo uma série de inversões de marcha abruptas. Alguns desses fótons continuam circulando em torno do buraco negro praticamente para sempre.
Descrito pelos astrofísicos como uma “câmera de cinema cósmica” e uma “armadilha luminosa infinita”, o anel resultante de fótons em órbita está entre os fenômenos mais estranhos da natureza. Se você detectar os fótons, “você verá todos os objetos do universo infinitas vezes”, disse Sam Gralha, físico da Universidade do Arizona.
Mas, ao contrário do icónico horizonte de eventos de um buraco negro – a fronteira dentro da qual a gravidade é tão forte que nada consegue escapar – o anel de fotões, que orbita o buraco mais longe, nunca recebeu muita atenção dos teóricos. Faz sentido que os investigadores tenham estado preocupados com o horizonte de eventos, uma vez que ele marca o limite do seu conhecimento sobre o universo. Na maior parte do cosmos, a gravidade segue curvas no espaço e no tempo, conforme descrito pela teoria geral da relatividade de Albert Einstein. Mas o espaço-tempo se deforma tanto dentro dos buracos negros que a relatividade geral entra em colapso ali. Os teóricos da gravidade quântica que buscam uma descrição quântica mais verdadeira da gravidade olharam, portanto, para o horizonte em busca de respostas.
“Eu tinha a opinião de que o horizonte de eventos era o que precisávamos entender”, disse Andrew Strominger, um importante teórico de buracos negros e gravidade quântica na Universidade de Harvard. “E pensei no anel de fótons como uma espécie de coisa técnica e complicada que não tinha nenhum significado profundo.”
Agora Strominger está fazendo sua própria reviravolta e tentando convencer outros teóricos a se juntarem a ele. “Estamos explorando, com entusiasmo, a possibilidade de que o anel de fótons seja o que você precisa entender para desvendar os segredos dos buracos negros de Kerr”, disse ele, referindo-se ao tipo de buraco negro giratório criado quando as estrelas morrem e colapsam gravitacionalmente. . (O anel de fótons se forma simultaneamente.)
In um papel postado on-line em maio e recentemente aceito para publicação in Gravidade Quântica Clássica, Strominger e seus colaboradores revelaram que o anel de fótons em torno de um buraco negro giratório tem um tipo inesperado de simetria - uma maneira pela qual pode ser transformado e ainda permanecer o mesmo. A simetria sugere que o anel pode codificar informações sobre a estrutura quântica do buraco. “Essa simetria tem algo a ver com o problema central de compreensão da dinâmica quântica dos buracos negros”, disse ele. A descoberta levou os pesquisadores a debater se o anel de fótons poderia mesmo fazer parte do “dual holográfico” de um buraco negro – um sistema quântico que é exatamente equivalente ao próprio buraco negro, e do qual se pode pensar que o buraco negro emerge de algo semelhante. um holograma.
“Isso abre um caminho muito interessante para a compreensão da holografia dessas geometrias [de buracos negros]”, disse Alex Maloney, um teórico da Universidade McGill, no Canadá, que não esteve envolvido na pesquisa. “A nova simetria organiza a estrutura dos buracos negros longe do horizonte de eventos, e acho isso muito emocionante.”
São necessários muito mais estudos teóricos antes que os investigadores possam dizer com certeza se, ou de que forma, o anel de fotões codifica o conteúdo interno de um buraco negro. Mas, pelo menos, os teóricos dizem que o novo artigo detalhou um teste preciso para qualquer sistema quântico que afirme ser o dual holográfico do buraco negro. “É um alvo para uma descrição holográfica”, disse Juan Maldacena do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, Nova Jersey, um dos arquitetos originais da holografia.
Escondendo-se no anel de fótons
Parte da empolgação com o anel de fótons é que, ao contrário do horizonte de eventos, ele é realmente visível. Na verdade, a reviravolta de Strominger em direção a esses anéis aconteceu por causa de uma fotografia: o primeira imagem de um buraco negro. Quando o Event Horizon Telescope (EHT) o revelou em 2019, “eu chorei”, disse ele. “É incrivelmente lindo.”
A euforia logo se transformou em confusão. O buraco negro na imagem tinha um espesso anel de luz à sua volta, mas os físicos da equipa do EHT não sabiam se esta luz era o produto do caótico ambiente circundante do buraco ou se incluía o anel de fotões do buraco negro. Eles procuraram Strominger e seus colegas teóricos para obter ajuda na interpretação da imagem. Juntos, navegaram no enorme banco de dados de simulações computacionais que a equipe do EHT estava usando para desembaraçar os processos físicos que produzem luz em torno dos buracos negros. Nessas imagens simuladas, eles puderam ver o anel fino e brilhante embutido no donut de luz laranja maior e mais difuso.
“Quando você olha todas as simulações, você não pode perder”, disse Shahar Hadar da Universidade de Haifa em Israel, que colaborou com Strominger e os físicos do EHT na pesquisa enquanto estava em Harvard. A formação do anel de fótons parece ser um “efeito universal” que acontece em torno de todos os buracos negros, disse Hadar.
Ao contrário do turbilhão de partículas e campos energéticos em colisão que rodeia os buracos negros, determinaram os teóricos, a linha nítida do anel de fotões transporta informação direta sobre as propriedades do buraco negro, incluindo a sua massa e quantidade de rotação. “É definitivamente a maneira mais bonita e atraente de realmente ver o buraco negro”, disse Strominger.
A colaboração de astrónomos, simuladores e teóricos descobriu que a fotografia real do EHT, que mostra o buraco negro no centro da galáxia vizinha Messier 87, não é suficientemente nítida para resolver o anel de fotões, embora não esteja muito longe. Eles discutiram em um papel 2020 que futuros telescópios de maior resolução deverão ver facilmente anéis de fótons. (A novo papel afirma ter encontrado o anel na imagem de 2019 do EHT aplicando um algoritmo para remover camadas dos dados originais, mas a afirmação foi recebida com ceticismo.)
Ainda assim, tendo observado os anéis de fotões durante tanto tempo nas simulações, Strominger e os seus colegas começaram a questionar-se se a sua forma sugeria um significado ainda mais profundo.
Uma simetria surpreendente
Os fótons que fazem uma única volta em torno de um buraco negro e depois voam em direção à Terra nos pareceriam um único anel de luz. Os fótons que fazem duas voltas em U ao redor do buraco aparecem como um subanel mais tênue e fino dentro do primeiro anel. E os fótons que fazem três voltas em U aparecem como um subanel dentro desse subanel, e assim por diante, criando anéis aninhados, cada um mais fraco e mais fino que o anterior.
A luz dos subanéis internos fez mais órbitas e, portanto, foi capturada antes da luz dos subanéis externos, resultando em uma série de instantâneos retardados do universo circundante. “Juntos, o conjunto de subanéis é semelhante aos frames de um filme, capturando a história do universo visível visto do buraco negro”, escreveu a colaboração no artigo de 2020.
Strominger disse que quando ele e seus colaboradores olharam as imagens do EHT, “nós pensamos: 'Ei, há um número infinito de cópias do universo bem ali naquela tela? Não poderia ser aí que vive a dupla holográfica?'”
Os pesquisadores perceberam que a estrutura concêntrica do anel sugere um grupo de simetrias chamado simetria conforme. Um sistema que possui simetria conforme exibe “invariância de escala”, o que significa que parece o mesmo quando você aumenta ou diminui o zoom. Neste caso, cada subanel de fótons é uma cópia exata e desmagnetizada do subanel anterior. Além disso, um sistema conformemente simétrico permanece o mesmo quando transladado para frente ou para trás no tempo e quando todas as coordenadas espaciais são invertidas, deslocadas e depois invertidas novamente.
Strominger encontrou a simetria conforme na década de 1990, quando ela apareceu num tipo especial de buraco negro pentadimensional que ele estava estudando. Ao compreender precisamente os detalhes desta simetria, ele e Cumrun Vafa Encontrei um Maneira nova para conectar a relatividade geral ao mundo quântico, pelo menos dentro desses tipos extremos de buracos negros. Eles imaginaram cortar o buraco negro e substituir o seu horizonte de eventos pelo que chamaram de placa holográfica, uma superfície contendo um sistema quântico de partículas que respeitam a simetria conforme. Eles mostraram que as propriedades do sistema correspondem às propriedades do buraco negro, como se o buraco negro fosse um holograma de dimensão superior do sistema quântico conforme. Desta forma, construíram uma ponte entre a descrição de um buraco negro de acordo com a relatividade geral e a sua descrição da mecânica quântica.
Em 1997, Maldacena estendeu esse mesmo princípio holográfico a todo um universo de brinquedos. Ele descobriu um “universo em uma garrafa”, no qual um sistema quântico conformemente simétrico que vive na superfície da garrafa mapeou exatamente as propriedades do espaço-tempo e da gravidade no interior da garrafa. Era como se o interior fosse um “universo” que se projetasse de sua superfície de dimensão inferior como um holograma.
A descoberta levou muitos teóricos a acreditar que o universo real é um holograma. O problema é que o universo engarrafado de Maldacena difere do nosso. É preenchido com um tipo de espaço-tempo curvado negativamente, o que lhe confere um limite externo semelhante a uma superfície. Pensa-se que o nosso universo é plano e os teóricos têm pouca ideia de como se parece o dual holográfico do espaço-tempo plano. “Precisamos voltar ao mundo real, inspirando-nos no que aprendemos com esses mundos hipotéticos”, disse Strominger.
E então o grupo decidiu estudar um buraco negro giratório realista situado em um espaço-tempo plano, como aqueles fotografados pelo Event Horizon Telescope. “As primeiras perguntas a serem feitas são: Onde mora o dual holográfico? E quais são as simetrias? disse Hadar.
Procurando pelo Dual Holográfico
Historicamente, a simetria conforme provou ser um guia confiável na busca por sistemas quânticos que mapeiam holograficamente sistemas com gravidade. “Dizer simetria conforme e buraco negro na mesma frase para um teórico da gravidade quântica é como agitar carne vermelha na frente de um cachorro”, disse Strominger.
A partir da descrição dos buracos negros giratórios na relatividade geral, chamada métrica de Kerr, o grupo começou a procurar indícios de simetria conforme. Eles imaginaram bater no buraco negro com um martelo para fazê-lo tocar como um sino. Essas vibrações que desaparecem lentamente são como as ondas gravitacionais criadas quando, digamos, dois buracos negros colidem. O buraco negro tocará com algumas frequências ressonantes que dependem da forma do espaço-tempo (isto é, da métrica de Kerr), assim como os tons de toque de um sino dependem da sua forma.
Descobrir o padrão exato de vibrações é inviável porque a métrica Kerr é muito complicada. Assim, a equipe aproximou o padrão considerando apenas as vibrações de alta frequência, que resultam de um impacto muito forte no buraco negro. Eles notaram uma relação entre o padrão de ondas nessas altas energias e a estrutura dos anéis de fótons do buraco negro. O padrão “acaba sendo completamente governado pelo anel de fótons”, disse Alex Lupsasca da Iniciativa Vanderbilt para Gravidade, Ondas e Fluidos no Tennessee, que foi coautor do novo artigo com Strominger, Hadar e Daniel Kapec de Harvard.
Um momento crucial ocorreu no verão de 2020, durante a pandemia de Covid-19. Quadros negros e bancos foram colocados na grama do lado de fora do laboratório de física Jefferson, em Harvard, e os pesquisadores puderam finalmente se encontrar pessoalmente. Eles descobriram que, tal como a simetria conforme que relaciona cada anel de fotões com o subanel seguinte, os tons sucessivos de um buraco negro em anel estão relacionados entre si por simetria conforme. Esta relação entre os anéis de fotões e as vibrações do buraco negro pode ser um “precursor” da holografia, disse Strominger.
Outra pista de que o anel de fotões pode ter um significado especial vem da forma contra-intuitiva como o anel se relaciona com a geometria do buraco negro. “É muito, muito estranho”, disse Hadar. “À medida que você se move ao longo de diferentes pontos no anel de fótons, você está na verdade sondando diferentes raios” ou profundidades no buraco negro.
Estas descobertas implicam para Strominger que o anel de fotões, e não o horizonte de eventos, é um “candidato natural” a parte da placa holográfica de um buraco negro em rotação.
Se assim for, pode haver uma nova maneira de imaginar o que acontece com a informação sobre os objetos que caem em buracos negros – um mistério de longa data conhecido como paradoxo da informação do buraco negro. Cálculos recentes indicam que esta informação é de alguma forma preservada pelo universo à medida que um buraco negro evapora lentamente. Strominger agora especula que a informação pode estar armazenada na placa holográfica. “Talvez a informação não caia realmente no buraco negro, mas permanece numa espécie de nuvem em redor do buraco negro, que provavelmente se estende até ao anel de fotões”, disse ele. “Mas não entendemos como isso está codificado ali, ou exatamente como funciona.”
Um apelo aos teóricos
O palpite de Strominger e companhia de que o dual holográfico vive dentro ou ao redor do anel de fótons foi recebido com ceticismo por alguns teóricos da gravidade quântica, que o consideram uma extrapolação muito ousada da simetria conforme do anel. “Onde vive a dupla holográfica é uma questão muito mais profunda do que: Qual é a simetria?” disse Daniel Harlow, um teórico da gravidade quântica e dos buracos negros do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Embora seja a favor de mais pesquisas sobre o assunto, Harlow enfatiza que uma dualidade holográfica convincente, neste caso, deve mostrar como as propriedades do anel de fótons, como as órbitas e frequências dos fótons individuais, são mapeadas matematicamente no anel de granulação fina. detalhes quânticos do buraco negro.
No entanto, vários especialistas afirmam que a nova investigação oferece uma agulha útil que qualquer dual holográfico proposto deve enfiar: o dual deve ser capaz de codificar o padrão de vibração invulgar de um buraco negro giratório depois de ter sido tocado como um sino. “Exigir que o sistema quântico que descreve o buraco negro reproduza toda essa complexidade é uma restrição incrivelmente poderosa – e que nunca tentamos explorar antes”, disse Strominger. Eva Silverstein, um físico teórico da Universidade de Stanford, disse: “Parece um dado teórico muito bom para as pessoas tentarem reproduzir ao tentarem uma descrição dupla holográfica”.
Maldacena concordou, dizendo: “Gostaríamos de compreender como incorporar isto num dual holográfico. Portanto, provavelmente estimulará algumas pesquisas nessa direção.”
Maloney suspeita que a recém-descoberta simetria do anel de fótons despertará o interesse tanto entre teóricos quanto entre observadores. Se as atualizações esperadas para o Telescópio Event Horizon forem financiadas, ele poderá começar a detectar anéis de fótons dentro de alguns anos.
No entanto, medições futuras destes anéis não testarão diretamente a holografia - em vez disso, os dados permitirão testes extremos da relatividade geral perto de buracos negros. Cabe aos teóricos determinar, com cálculos feitos com papel e caneta, se a estrutura das infinitas armadilhas de luz em torno dos buracos negros pode criptografar matematicamente os segredos contidos nelas.
