Когда фотоны устремляются к черной дыре, большинство из них затягивается в ее глубины, чтобы никогда не вернуться, или мягко отклоняется прочь. Однако лишь немногие из них обходят дыру, делая серию резких разворотов. Некоторые из этих фотонов продолжают вращаться вокруг черной дыры практически вечно.
Описанное астрофизиками как «космическая кинокамера» и «бесконечная световая ловушка», образовавшееся кольцо вращающихся по орбите фотонов является одним из самых странных явлений в природе. Если вы обнаружите фотоны, «вы увидите каждый объект во Вселенной бесконечно много раз», — сказал он. Сэм Гралла, физик из Университета Аризоны.
Но в отличие от культового горизонта событий черной дыры — границы, внутри которой гравитация настолько сильна, что ничто не может ускользнуть — фотонное кольцо, которое вращается вокруг дыры дальше, никогда не привлекало особого внимания теоретиков. То, что исследователи были озабочены горизонтом событий, имеет смысл, поскольку он отмечает границу их знаний о Вселенной. На большей части космоса гравитация движется по кривым в пространстве и времени, как это описано в общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Но пространство-время внутри черных дыр настолько сильно искажается, что общая теория относительности там терпит крах. Поэтому теоретики квантовой гравитации, ищущие более истинное квантовое описание гравитации, обратились к горизонту в поисках ответов.
«Я придерживался мнения, что горизонт событий — это то, что нам нужно понять», — сказал Эндрю Стромингер, ведущий теоретик черных дыр и квантовой гравитации в Гарвардском университете. «И я думал о фотонном кольце как о какой-то технической, сложной вещи, не имеющей никакого глубокого значения».
Теперь Строминджер делает свой собственный разворот и пытается убедить других теоретиков присоединиться к нему. «Мы с волнением изучаем возможность того, что фотонное кольцо — это то, что вам нужно понять, чтобы раскрыть секреты черных дыр Керра», — сказал он, имея в виду тип вращающихся черных дыр, образующихся, когда звезды умирают и гравитационно коллапсируют. . (Фотонное кольцо формируется одновременно.)
In бумага опубликовано в Интернете в мае и недавно принят к публикации in Классическая квантовая гравитацияСтроминджер и его коллеги обнаружили, что фотонное кольцо вокруг вращающейся черной дыры обладает неожиданным типом симметрии — способом, которым оно может трансформироваться и при этом оставаться прежним. Симметрия предполагает, что кольцо может кодировать информацию о квантовой структуре дырки. «Эта симметрия имеет какое-то отношение к центральной проблеме понимания квантовой динамики черных дыр», — сказал он. Это открытие заставило исследователей спорить о том, может ли фотонное кольцо быть частью «голографического двойника» черной дыры — квантовой системы, которая в точности эквивалентна самой черной дыре и которую можно рассматривать как возникшую из чего-то подобного. голограмма.
«Это открывает очень интересный путь для понимания голографии этих [черных дыр] геометрий», — сказал он. Алекс Мэлони, теоретик из Университета Макгилла в Канаде, не принимавший участия в исследовании. «Новая симметрия организует структуру черных дыр вдали от горизонта событий, и я думаю, что это очень интересно».
Прежде чем исследователи смогут точно сказать, кодирует ли фотонное кольцо внутреннее содержимое черной дыры и каким образом, необходимо гораздо больше теоретических исследований. Но, по крайней мере, теоретики утверждают, что в новой статье подробно описан точный тест для любой квантовой системы, претендующей на роль голографического двойника черной дыры. «Это цель для голографического описания», — сказал Хуан Мальдасена из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, один из первых создателей голографии.
Спрятаться в фотонном кольце
Часть волнения по поводу фотонного кольца заключается в том, что, в отличие от горизонта событий, оно на самом деле видимо. Фактически, разворот Строминджера в сторону этих колец произошел благодаря фотографии: первое в мире изображение черной дыры. Когда телескоп Event Horizon (EHT) представил его в 2019 году, «я плакал», — сказал он. «Это потрясающе красиво».
Восторг вскоре перерос в замешательство. Черная дыра на изображении имела вокруг себя толстое световое кольцо, но физики из команды EHT не знали, был ли этот свет продуктом хаотической окружающей среды дыры или же он включал в себя фотонное кольцо черной дыры. Они обратились к Строминджеру и его коллегам-теоретикам за помощью в интерпретации изображения. Вместе они просмотрели огромный банк данных компьютерного моделирования, который команда EHT использовала, чтобы разобраться в физических процессах, которые производят свет вокруг черных дыр. На этих смоделированных изображениях они могли видеть тонкое яркое кольцо, встроенное в более крупный и размытый оранжевый пончик света.
«Когда вы посмотрите на все симуляции, вы не сможете ничего не заметить», — сказал Шахар Хадар из Хайфского университета в Израиле, который сотрудничал со Стромингером и физиками EHT в исследованиях во время учебы в Гарварде. По словам Хадара, формирование фотонного кольца кажется «универсальным эффектом», который происходит вокруг всех черных дыр.
В отличие от водоворота энергичных сталкивающихся частиц и полей, окружающего черные дыры, как определили теоретики, резкая линия фотонного кольца несет прямую информацию о свойствах черной дыры, включая ее массу и величину вращения. «Это определенно самый красивый и убедительный способ по-настоящему увидеть черную дыру», — сказал Строминджер.
Совместная работа астрономов, симуляторов и теоретиков показала, что реальная фотография EHT, на которой видна черная дыра в центре соседней галактики Мессье 87, недостаточно чёткая, чтобы различить фотонное кольцо, хотя оно и недалеко. Они спорили в бумага 2020 что будущие телескопы с более высоким разрешением смогут легко увидеть фотонные кольца. (А Новый документ утверждает, что нашел кольцо на изображении EHT 2019 года, применив алгоритм для удаления слоев из исходных данных, но это утверждение было встречено со скептицизмом.)
Тем не менее, так долго рассматривая фотонные кольца в ходе моделирования, Строминджер и его коллеги начали задаваться вопросом, не намекает ли их форма на еще более глубокий смысл.
Удивительная симметрия
Фотоны, которые совершают разворот вокруг черной дыры, а затем устремляются к Земле, кажутся нам одним световым кольцом. Фотоны, совершающие два разворота вокруг дыры, кажутся более тусклыми и тонкими подкольцами внутри первого кольца. И фотоны, совершающие три разворота, появляются как подкольцо внутри этого подкольца и так далее, создавая вложенные кольца, каждое из которых тусклее и тоньше предыдущего.
Свет от внутренних подколец совершил больше витков и поэтому был захвачен раньше света от внешних подколец, в результате чего была получена серия задержанных по времени снимков окружающей Вселенной. «Вместе набор подколец сродни кадрам фильма, запечатлевшего историю видимой Вселенной, как она видна из черной дыры», — написали участники совместной работы в статье 2020 года.
Строминджер рассказал, что, когда он и его коллеги посмотрели изображения EHT, «мы подумали: «Эй, прямо здесь, на этом экране, находится бесконечное количество копий Вселенной?» Разве не там живет голографический двойник?»
Исследователи поняли, что концентрическая структура кольца наводит на мысль о группе симметрий, называемой конформной симметрией. Система, обладающая конформной симметрией, демонстрирует «масштабную инвариантность», то есть она выглядит одинаково при увеличении или уменьшении масштаба. В этом случае каждое фотонное подкольцо представляет собой точную уменьшенную копию предыдущего подкольца. Более того, конформно-симметричная система остается неизменной при перемещении вперед или назад во времени, а также когда все пространственные координаты инвертируются, сдвигаются и затем снова инвертируются.
Строминджер столкнулся с конформной симметрией в 1990-х годах, когда она обнаружилась в особой пятимерной черной дыре, которую он изучал. Точно понимая детали этой симметрии, он и Кумрун Вафа найти новый способ связать общую теорию относительности с квантовым миром, по крайней мере, внутри этих крайних видов черных дыр. Они представили себе вырезание черной дыры и замену ее горизонта событий тем, что они назвали голографической пластиной, поверхностью, содержащей квантовую систему частиц, которые соблюдают конформную симметрию. Они показали, что свойства системы соответствуют свойствам черной дыры, как будто черная дыра является многомерной голограммой конформной квантовой системы. Таким образом они построили мост между описанием черной дыры согласно общей теории относительности и ее квантовомеханическим описанием.
В 1997 году Малдасена распространил тот же голографический принцип на всю игрушечную вселенную. Он обнаружил «Вселенная в бутылке», в котором конформно-симметричная квантовая система, живущая на поверхности бутылки, точно отображает свойства пространства-времени и гравитации внутри бутылки. Это было так, как будто внутренняя часть была «вселенной», которая проецировалась из поверхности более низкого измерения, как голограмма.
Это открытие заставило многих теоретиков поверить в то, что реальная Вселенная представляет собой голограмму. Загвоздка в том, что вселенная Малдасены в бутылке отличается от нашей. Оно заполнено пространством-временем, которое имеет отрицательную искривление, что придает ему внешнюю границу, подобную поверхности. Наша Вселенная считается плоской, и теоретики плохо представляют, как выглядит голографический двойник плоского пространства-времени. «Нам нужно вернуться в реальный мир, черпая вдохновение из того, что мы узнали из этих гипотетических миров», — сказал Строминджер.
И поэтому группа решила изучить реалистичную вращающуюся черную дыру, находящуюся в плоском пространстве-времени, подобную тем, что были сфотографированы телескопом «Горизонт событий». «Первые вопросы, которые следует задать: где живет голографический двойник? И какова симметрия?» - сказал Хадар.
В поисках голографического двойника
Исторически конформная симметрия оказалась надежным ориентиром при поиске квантовых систем, которые голографически отображаются на системы с гравитацией. «Сказать теоретику квантовой гравитации о конформной симметрии и черной дыре в одном предложении — все равно что размахивать красным мясом перед собакой», — сказал Строминджер.
Начав с описания вращения черных дыр в общей теории относительности, называемого метрикой Керра, группа начала искать намеки на конформную симметрию. Они представили, как ударяют молотком по черной дыре, чтобы она зазвенела, как колокол. Эти медленно затухающие вибрации подобны гравитационным волнам, возникающим, скажем, при столкновении двух черных дыр. Черная дыра будет звонить с некоторыми резонансными частотами, которые зависят от формы пространства-времени (то есть от метрики Керра), точно так же, как мелодия звонка зависит от его формы.
Выяснить точную картину вибраций невозможно, поскольку метрика Керра очень сложна. Таким образом, команда аппроксимировала эту закономерность, рассматривая только высокочастотные вибрации, возникающие в результате очень сильного столкновения с черной дырой. Они заметили связь между характером волн при таких высоких энергиях и структурой фотонных колец черной дыры. Эта закономерность «оказалось, полностью управляется фотонным кольцом», — сказал он. Алекс Лупсаска из Инициативы Вандербильта по гравитации, волнам и жидкостям в Теннесси, который стал соавтором новой статьи вместе со Стромингером, Хадаром и Дэниелом Капеком из Гарварда.
Поворотный момент наступил летом 2020 года во время пандемии Covid-19. На траве возле физической лаборатории Джефферсона в Гарварде были установлены доски и скамейки, и исследователи наконец смогли встретиться лично. Они выяснили, что, подобно конформной симметрии, которая связывает каждое фотонное кольцо со следующим подкольцом, последовательные тона звенящей черной дыры связаны друг с другом конформной симметрией. Эта связь между фотонными кольцами и вибрациями черной дыры может быть «предвестником» голографии, сказал Строминджер.
Еще один намек на то, что фотонное кольцо может иметь особое значение, заключается в противоречивом способе связи кольца с геометрией черной дыры. «Это очень, очень странно», — сказал Хадар. «Двигаясь по разным точкам фотонного кольца, вы на самом деле исследуете разные радиусы» или глубины черной дыры.
Эти открытия подразумевают, по мнению Строминджера, что фотонное кольцо, а не горизонт событий, является «естественным кандидатом» на роль части голографической пластины вращающейся черной дыры.
Если это так, то может появиться новый способ представить, что происходит с информацией об объектах, падающих в черные дыры — давняя загадка, известная как информационный парадокс черной дыры. Недавние расчеты указывают на то, что эта информация каким-то образом сохраняется во Вселенной, когда черная дыра медленно испаряется. Теперь Строминджер предполагает, что информация может храниться на голографической пластине. «Возможно, информация на самом деле не попадает в черную дыру, а как бы остается в облаке вокруг черной дыры, которое, вероятно, распространяется до фотонного кольца», — сказал он. «Но мы не понимаем, как это там закодировано и как именно это работает».
Обращение к теоретикам
Предположение Строминджера и компании о том, что голографический двойник живет внутри фотонного кольца или вокруг него, было встречено со скептицизмом некоторыми теоретиками квантовой гравитации, которые считают это слишком смелой экстраполяцией конформной симметрии кольца. «Где голографическая двойная жизнь — это гораздо более глубокий вопрос, чем: что такое симметрия?» сказал Дэниел Харлоу, теоретик квантовой гравитации и черных дыр из Массачусетского технологического института. Хотя он и выступает за дальнейшее исследование этого вопроса, Харлоу подчеркивает, что убедительная голографическая двойственность в данном случае должна показать, как свойства фотонного кольца, такие как орбиты и частоты отдельных фотонов, математически отображаются на мелкозернистой структуре. квантовые детали черной дыры.
Тем не менее, некоторые эксперты заявили, что новое исследование предлагает полезную иглу, в которую должен вдеть любой предлагаемый голографический двойник: двойник должен быть способен кодировать необычный шаблон вибрации вращающейся черной дыры после того, как в нее ударили, как в колокол. «Требование, чтобы квантовая система, описывающая черную дыру, воспроизводила всю эту сложность, является невероятно мощным ограничением, которое мы никогда раньше не пытались использовать», — сказал Строминджер. Ева Сильверстейн, физик-теоретик из Стэнфордского университета, сказал: «Это кажется очень хорошей частью теоретических данных, которые люди могут попытаться воспроизвести при попытке голографического двойного описания».
Малдасена согласился, сказав: «Хотелось бы понять, как включить это в голографический двойник. Так что это, вероятно, будет стимулировать некоторые исследования в этом направлении».
Мэлони подозревает, что вновь обретенная симметрия фотонного кольца вызовет интерес как у теоретиков, так и у наблюдателей. Если ожидаемая модернизация телескопа «Горизонт событий» будет профинансирована, он может начать обнаруживать фотонные кольца в течение нескольких лет.
Однако будущие измерения этих колец не проверят голографию напрямую — скорее, данные позволят провести экстремальные испытания общей теории относительности вблизи черных дыр. Теоретикам предстоит определить с помощью ручных расчетов, может ли структура бесконечных световых ловушек вокруг черных дыр математически зашифровать секреты, находящиеся внутри.
