När fotoner susar mot ett svart hål sugs de flesta in i dess djup, för att aldrig återvända, eller avleds försiktigt bort. Ett sällsynt fåtal går dock runt hålet och gör en serie abrupta U-svängar. Vissa av dessa fotoner fortsätter att cirkla runt det svarta hålet praktiskt taget för evigt.
Beskrivs av astrofysiker som en "kosmisk filmkamera" och en "oändlig ljusfälla", den resulterande ringen av kretsande fotoner är bland de konstigaste fenomenen i naturen. Om du upptäcker fotonerna, "kommer du att se varje objekt i universum oändligt många gånger," sa Sam Gralla, en fysiker vid University of Arizona.
Men till skillnad från den ikoniska händelsehorisonten för ett svart hål - gränsen inom vilken gravitationen är så stark att ingenting kan fly - har fotonringen, som kretsar runt hålet längre bort, aldrig fått mycket uppmärksamhet från teoretiker. Det är logiskt att forskare har varit upptagna av händelsehorisonten, eftersom det markerar kanten på deras kunskap om universum. Genom större delen av kosmos spår gravitationen med kurvor i rum och tid som beskrivs av Albert Einsteins allmänna relativitetsteori. Men rum-tid förvrängs så mycket inuti svarta hål att den allmänna relativitetsteorin bryts ner där. Kvantgravitationsteoretiker som söker en sannare, kvantbeskrivning av gravitationen har därför letat sig mot horisonten efter svar.
"Jag hade ansett att händelsehorisonten var vad vi behövde förstå," sa Andrew Strominger, en ledande svart hål och kvantgravitationsteoretiker vid Harvard University. "Och jag tänkte på fotonringen som någon slags teknisk, komplicerad sak som inte hade någon djup betydelse."
Nu gör Strominger sin egen U-sväng och försöker övertyga andra teoretiker att gå med honom. "Vi undersöker ivrigt möjligheten att fotonringen är det du måste förstå för att låsa upp hemligheterna bakom Kerrs svarta hål," sa han och syftade på den typ av snurrande svarta hål som skapas när stjärnor dör och kollapsar gravitationellt. . (Fotonringen bildas samtidigt.)
In ett papper publicerades online i maj och nyligen godkänd för publicering in Klassisk kvantgravitation, avslöjade Strominger och hans medarbetare att fotonringen runt ett snurrande svart hål har en oväntad typ av symmetri - ett sätt som den kan omvandlas och fortfarande förbli densamma. Symmetrin antyder att ringen kan koda information om hålets kvantstruktur. "Denna symmetri luktar som något att göra med det centrala problemet att förstå kvantdynamiken hos svarta hål," sa han. Upptäckten har fått forskare att diskutera huruvida fotonringen ens kan vara en del av ett svart håls "holografiska dual" - ett kvantsystem som är exakt likvärdigt med själva det svarta hålet, och som det svarta hålet kan ses som att växa fram ur liknande ett hologram.
"Det öppnar upp en mycket intressant väg för att förstå holografin för dessa [svarta håls] geometrier," sa Alex Maloney, en teoretiker vid McGill University i Kanada som inte var involverad i forskningen. "Den nya symmetrin organiserar strukturen av svarta hål långt från händelsehorisonten, och jag tycker det är väldigt spännande."
Det krävs mycket mer teoretiska studier innan forskare med säkerhet kan säga om, eller på vilket sätt, fotonringen kodar för ett svart håls inre innehåll. Men åtminstone säger teoretiker att den nya tidningen har detaljerat ett exakt test för alla kvantsystem som påstår sig vara det svarta hålets holografiska dubbel. "Det är ett mål för en holografisk beskrivning," sa Juan Maldacena från Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, en av holografins ursprungliga arkitekter.
Gömmer sig i fotonringen
En del av spänningen med fotonringen är att den, till skillnad från händelsehorisonten, faktiskt är synlig. Faktum är att Strömingers u-sväng mot dessa ringar hände på grund av ett fotografi: den första bilden någonsin av ett svart hål. När Event Horizon Telescope (EHT) avtäckte det 2019, "jag grät", sa han. "Det är fantastiskt vackert."
Upprymdheten spiralerade snart in i förvirring. Det svarta hålet i bilden hade en tjock ring av ljus runt sig, men fysiker på EHT-teamet visste inte om detta ljus var produkten av hålets kaotiska omgivande miljö, eller om det inkluderade det svarta hålets fotonring. De gick till Strominger och hans teoretikerkollegor för att få hjälp med att tolka bilden. Tillsammans bläddrade de i den enorma databanken med datorsimuleringar som EHT-teamet använde för att lösa de fysiska processer som producerar ljus runt svarta hål. I dessa simulerade bilder kunde de se den tunna, ljusa ringen inbäddad i den större, suddigare orange munken av ljus.
"När du tittar på alla simuleringar kan du inte missa det," sa Shahar Hadar från University of Haifa i Israel, som samarbetade med Strominger och EHT-fysikerna i forskningen under sin tid på Harvard. Bildandet av fotonringen verkar vara en "universell effekt" som händer runt alla svarta hål, sa Hadar.
Till skillnad från malströmmen av energiska kolliderande partiklar och fält som omger svarta hål, bestämde teoretikerna, den skarpa linjen i fotonringen bär direkt information om det svarta hålets egenskaper, inklusive dess massa och mängden spinn. "Det är definitivt det vackraste och mest övertygande sättet att verkligen se det svarta hålet," sa Strominger.
Samarbetet mellan astronomer, simulatorer och teoretiker fann att EHT:s faktiska fotografi, som visar det svarta hålet i mitten av den närliggande galaxen Messier 87, inte är tillräckligt skarp för att lösa fotonringen, även om det inte är långt borta. De argumenterade i ett 2020-papper att framtida teleskop med högre upplösning lätt borde se fotonringar. (A nytt papper påstår sig ha hittat ringen i EHT:s bild från 2019 genom att använda en algoritm för att ta bort lager från originaldata, men påståendet har mötts med skepsis.)
Ändå, efter att ha stirrat på fotonringar så länge i simuleringarna, började Strominger och hans kollegor undra om deras form antydde en ännu djupare mening.
En överraskande symmetri
Fotoner som gör en enda U-sväng runt ett svart hål och sedan glider mot jorden skulle framstå för oss som en enda ring av ljus. Fotoner som gör två U-varv runt hålet visas som en svagare, tunnare subring inom den första ringen. Och fotoner som gör tre U-varv visas som en subring inom den subringen, och så vidare, och skapar kapslade ringar, var och en svagare och tunnare än den förra.
Ljus från de inre delringarna har gjort fler banor och fångades därför före ljuset från yttre delringar, vilket resulterade i en serie tidsfördröjda ögonblicksbilder av det omgivande universum. "Tillsammans är uppsättningen av underringar besläktade med ramarna i en film, som fångar historien om det synliga universum sett från det svarta hålet", skrev samarbetet i tidningen 2020.
Strominger sa att när han och hans medarbetare tittade på EHT-bilderna, "vi var som: 'Hej, det finns ett oändligt antal kopior av universum där på skärmen? Kan det inte vara där den holografiska dualen lever?'”
Forskarna insåg att ringens koncentriska struktur tyder på en grupp symmetrier som kallas konform symmetri. Ett system som har konform symmetri uppvisar "skalinvarians", vilket betyder att det ser likadant ut när du zoomar in eller ut. I det här fallet är varje fotonsubring en exakt, förminskad kopia av den föregående subringen. Dessutom förblir ett konformt symmetriskt system detsamma när det översätts framåt eller bakåt i tiden och när alla rumsliga koordinater inverteras, skiftas och sedan inverteras igen.
Strominger mötte konform symmetri på 1990-talet när den dök upp i en speciell sorts femdimensionellt svart hål som han studerade. Genom att precis förstå detaljerna i denna symmetri, han och Cumrun Vafa hittade en nytt sätt att koppla den allmänna relativiteten till kvantvärlden, åtminstone inuti dessa extrema sorts svarta hål. De föreställde sig att skära ut det svarta hålet och ersätta dess händelsehorisont med vad de kallade en holografisk platta, en yta som innehåller ett kvantsystem av partiklar som respekterar konform symmetri. De visade att systemets egenskaper motsvarar egenskaperna hos det svarta hålet, som om det svarta hålet är ett högredimensionellt hologram av det konforma kvantsystemet. På så sätt byggde de en bro mellan beskrivningen av ett svart hål enligt generell relativitetsteori och dess kvantmekaniska beskrivning.
År 1997 utökade Maldacena samma holografiska princip till ett helt leksaksuniversum. Han upptäckte en "universum i en flaska”, där ett konformt symmetriskt kvantsystem som lever på flaskans yta exakt kartlagts på egenskaper av rum-tid och gravitation i flaskans inre. Det var som om interiören var ett "universum" som projicerade från sin lägre dimensionella yta som ett hologram.
Upptäckten fick många teoretiker att tro att det verkliga universum är ett hologram. Problemet är att Maldacenas universum i en flaska skiljer sig från vårt eget. Den är fylld med en typ av rum-tid som är negativt krökt, vilket ger den en ytliknande yttre gräns. Vårt universum tros vara platt, och teoretiker har ingen aning om hur den holografiska dualen av platt rumtid ser ut. "Vi måste komma tillbaka till den verkliga världen, samtidigt som vi tar inspiration från vad vi lärt oss från dessa hypotetiska världar," sa Strominger.
Och så bestämde sig gruppen för att studera ett realistiskt snurrande svart hål som sitter i platt rymdtid, som de fotograferade av Event Horizon-teleskopet. "De första frågorna att ställa är: Var bor den holografiska dualen? Och vilka är symmetrierna?” sa Hadar.
Söker efter Holographic Dual
Historiskt sett har konform symmetri visat sig vara en pålitlig guide i sökandet efter kvantsystem som holografiskt kartlägger system med gravitation. "Att säga konform symmetri och svart hål i samma mening till en kvantgravitationsteoretiker är som att vifta med rött kött framför en hund", sa Strominger.
Med utgångspunkt från beskrivningen av snurrande svarta hål i allmän relativitetsteori, kallad Kerr-metriken, började gruppen leta efter antydningar till konform symmetri. De föreställde sig att slå i det svarta hålet med en hammare för att få det att ringa som en klocka. Dessa långsamt blekande vibrationer är som gravitationsvågorna som skapas när, säg, två svarta hål kolliderar. Det svarta hålet kommer att ringa med några resonansfrekvenser som beror på formen av rum-tid (det vill säga på Kerr-metriken) precis som ringsignalerna för en klocka beror på dess form.
Att ta reda på det exakta mönstret av vibrationer är omöjligt eftersom Kerr-måttet är så komplicerat. Så teamet approximerade mönstret genom att bara beakta högfrekventa vibrationer, som är resultatet av att träffa det svarta hålet mycket hårt. De märkte ett samband mellan mönstret av vågor vid dessa höga energier och strukturen hos det svarta hålets fotonringar. Mönstret "visar sig vara helt styrt av fotonringen", sa Alex Lupsasca från Vanderbilt Initiative for Gravity, Waves and Fluids i Tennessee, som skrev den nya artikeln tillsammans med Strominger, Hadar och Daniel Kapec från Harvard.
Ett avgörande ögonblick kom sommaren 2020 under Covid-19-pandemin. Svarta tavlor och bänkar sattes upp på gräset utanför Harvards Jefferson fysiklaboratorium, och forskarna kunde äntligen träffas personligen. De kom fram till att, liksom den konforma symmetrin som relaterar varje fotonring till nästa subring, är de successiva tonerna i ett ringande svart hål relaterade till varandra genom konform symmetri. Detta förhållande mellan fotonringarna och svarta håls vibrationer kan vara ett "förebud" för holografi, sa Strominger.
En annan ledtråd om att fotonringen kan ha speciell betydelse kommer från det kontraintuitiva sättet ringen relaterar till det svarta hålets geometri. "Det är väldigt, väldigt konstigt," sa Hadar. "När du rör dig längs olika punkter på fotonringen undersöker du faktiskt olika radier" eller djup in i det svarta hålet.
Dessa fynd antyder för Strominger att fotonringen, snarare än händelsehorisonten, är en "naturlig kandidat" för en del av den holografiska plattan av ett snurrande svart hål.
Om så är fallet kan det finnas ett nytt sätt att föreställa sig vad som händer med information om föremål som faller in i svarta hål - ett långvarigt mysterium känt som informationsparadoxen för det svarta hålet. Senaste beräkningar indikerar att denna information på något sätt bevaras av universum när ett svart hål långsamt avdunstar. Strominger spekulerar nu i att informationen kan vara lagrad i den holografiska plattan. "Kanske information inte riktigt faller in i det svarta hålet, men det stannar liksom i ett moln runt utanför det svarta hålet, som förmodligen sträcker sig till fotonringen," sa han. "Men vi förstår inte hur det är kodat där, eller exakt hur det fungerar."
En uppmaning till teoretiker
Strominger och företags aning om att den holografiska dualen bor i eller runt fotonringen har mötts med skepsis av vissa kvantgravitationsteoretiker, som ser det som en alltför djärv extrapolering från ringens konforma symmetri. "Var den holografiska dualen lever är en mycket djupare fråga än: Vad är symmetrin?" sa Daniel Harlow, en kvantgravitations- och svarthålsteoretiker vid Massachusetts Institute of Technology. Även om han är för ytterligare forskning i frågan, betonar Harlow att en övertygande holografisk dualitet, i det här fallet, måste visa hur egenskaperna hos fotonringen, såsom enskilda fotoners banor och frekvenser, matematiskt kartläggs på den finkorniga kvantdetaljer av det svarta hålet.
Ändå sa flera experter att den nya forskningen erbjuder en användbar nål som varje föreslagen holografisk dual måste trä: Dualen måste kunna koda det ovanliga vibrationsmönstret hos ett snurrande svart hål efter att det har slagits som en klocka. "Att kräva kvantsystemet som beskriver det svarta hålet reproducerar all den komplexiteten är en oerhört kraftfull begränsning - och en som vi aldrig har försökt att utnyttja förut", sa Strominger. Eva Silverstein, en teoretisk fysiker vid Stanford University, sa: "Det verkar vara en mycket trevlig bit teoretisk data för människor att försöka reproducera när de försöker en holografisk dubbel beskrivning."
Maldacena höll med och sa: "Man skulle vilja förstå hur man införlivar detta i en holografisk dual. Så det kommer förmodligen att stimulera en del forskning i den riktningen.”
Maloney misstänker att fotonringens nyfunna symmetri kommer att väcka intresse hos både teoretiker och observatörer. Om förväntade uppgraderingar av Event Horizon-teleskopet finansieras kan det börja upptäcka fotonringar inom några år.
Framtida mätningar av dessa ringar kommer dock inte direkt att testa holografi - snarare kommer data att tillåta extrema tester av allmän relativitet nära svarta hål. Det är upp till teoretiker att avgöra med penna-och-papper-beräkningar om strukturen av de oändliga ljusfällorna runt svarta hål kan matematiskt kryptera hemligheterna inom.
