Fotonlar bir kara deliğe doğru fırladığında çoğu, bir daha geri dönmemek üzere derinliklerine çekilir ya da yavaşça yön değiştirir. Ancak nadir birkaçı deliğin etrafından dolaşarak bir dizi ani U dönüşü yapıyor. Bu fotonlardan bazıları kara deliğin etrafında neredeyse sonsuza kadar dönmeye devam ediyor.
Astrofizikçiler tarafından "kozmik film kamerası" ve "sonsuz ışık tuzağı" olarak tanımlanan, yörüngede dönen fotonlardan oluşan halka, doğadaki en tuhaf olaylar arasında yer alıyor. Fotonları tespit ederseniz, "evrendeki her nesneyi sonsuz sayıda göreceksiniz" dedi Sam GrallaArizona Üniversitesi'nden bir fizikçi.
Ancak kara deliğin ikonik olay ufkunun (yerçekiminin o kadar güçlü olduğu ve hiçbir şeyin kaçamayacağı sınır) aksine, deliğin daha uzağında yörüngede dönen foton halkası teorisyenlerden hiçbir zaman fazla ilgi görmedi. Araştırmacıların olay ufku ile meşgul olmaları mantıklı çünkü olay ufku onların evren hakkındaki bilgilerinin sınırını işaret ediyor. Evrenin büyük bölümünde yerçekimi, Albert Einstein'ın genel görelilik teorisinde tanımlandığı gibi uzay ve zamanda eğrilerle izlenir. Ancak kara deliklerin içinde uzay-zaman o kadar çok bükülür ki genel görelilik orada çöker. Kütleçekiminin daha doğru, kuantum tanımını arayan kuantum kütleçekim teorisyenleri bu nedenle cevaplar için ufka baktılar.
"Olay ufkunun anlamamız gereken şey olduğu görüşünü benimsemiştim" dedi Andrew StromingerHarvard Üniversitesi'nde önde gelen bir kara delik ve kuantum yerçekimi teorisyeni. "Ve foton halkasını derin bir önemi olmayan bir tür teknik, karmaşık şey olarak düşündüm."
Şimdi Strominger kendi U dönüşünü yapıyor ve diğer teorisyenleri kendisine katılmaya ikna etmeye çalışıyor. Yıldızlar öldüğünde ve kütleçekimsel olarak çöktüğünde oluşan dönen kara deliklerin türüne atıfta bulunarak, "Foton halkasının, Kerr kara deliklerinin sırlarını açığa çıkarmak için anlamanız gereken şey olma olasılığını heyecanla araştırıyoruz" dedi. . (Foton halkası aynı anda oluşur.)
In Kağıt Mayıs ayında çevrimiçi olarak yayınlandı ve yakın zamanda yayınlanmak üzere kabul edildi in Klasik Kuantum YerçekimiStrominger ve çalışma arkadaşları, dönen bir kara deliğin etrafındaki foton halkasının beklenmedik türden bir simetriye sahip olduğunu ortaya çıkardı; bu simetri, hem dönüştürülebilir hem de hala aynı kalabilir. Simetri, halkanın deliğin kuantum yapısı hakkındaki bilgileri kodlayabileceğini öne sürüyor. "Bu simetri, kara deliklerin kuantum dinamiklerini anlama konusundaki temel sorunla ilgili gibi görünüyor" dedi. Keşif, araştırmacıları, foton halkasının bir kara deliğin “holografik ikilisinin” (kara deliğin kendisine tamamen eşdeğer olan ve kara deliğin benzerlerinden ortaya çıktığı düşünülebilecek bir kuantum sistemi) parçası olup olamayacağını tartışmaya yöneltti. bir hologram.
"Bu [kara delik] geometrilerinin holografisini anlamak için çok ilginç bir yol açıyor" dedi Alex MaloneyAraştırmada yer almayan Kanada'daki McGill Üniversitesi'nden bir teorisyen. "Yeni simetri, kara deliklerin yapısını olay ufkundan uzakta düzenliyor ve bence bu çok heyecan verici."
Araştırmacıların foton halkasının bir kara deliğin iç içeriğini kodlayıp kodlamadığını veya ne şekilde kodladığını kesin olarak söyleyebilmeleri için çok daha fazla teorik çalışmaya ihtiyaç var. Ancak teorisyenler en azından yeni makalenin, kara deliğin holografik ikilisi olduğunu iddia eden herhangi bir kuantum sistemi için kesin bir testin ayrıntılı bir şekilde açıklandığını söylüyor. "Bu holografik tanımlamaya uygun bir hedef" dedi Juan Maldacena Holografinin orijinal mimarlarından biri olan Princeton, New Jersey'deki İleri Araştırma Enstitüsü'nden.
Foton Halkasında Saklanmak
Foton halkasıyla ilgili heyecanın bir kısmı, olay ufkunun aksine, aslında görünür olmasıdır. Aslında Strominger'in bu halkalara doğru U dönüşü bir fotoğraf sayesinde oldu: bir kara deliğin ilk görüntüsü. Olay Ufku Teleskobu (EHT) 2019'da bunu ortaya çıkardığında "Ağladım" dedi. "İnanılmaz derecede güzel."
Sevinç kısa sürede kafa karışıklığına dönüştü. Görüntüdeki kara deliğin çevresinde kalın bir ışık halkası vardı ancak EHT ekibindeki fizikçiler bu ışığın deliğin kaotik çevre ortamının ürünü olup olmadığını veya kara deliğin foton halkasını içerip içermediğini bilmiyorlardı. Görüntüyü yorumlama konusunda yardım almak için Strominger ve teorisyen meslektaşlarına gittiler. Birlikte, EHT ekibinin kara deliklerin çevresinde ışık üreten fiziksel süreçleri çözmek için kullandığı devasa bilgisayar simülasyonları veri bankasına göz attılar. Bu simüle edilmiş görüntülerde, daha büyük, daha bulanık turuncu ışık çöreğinin içine yerleştirilmiş ince, parlak halkayı görebiliyorlardı.
"Tüm simülasyonlara baktığınızda bunu kaçırmanız mümkün değil" dedi Şahar Hadar Harvard'dayken araştırmada Strominger ve EHT fizikçileriyle işbirliği yapan İsrail'deki Hayfa Üniversitesi'nden Dr. Hadar, foton halkasının oluşumunun tüm kara deliklerin çevresinde meydana gelen "evrensel bir etki" gibi göründüğünü söyledi.
Kuramcılar, kara delikleri çevreleyen enerjik çarpışan parçacıklar ve alanların girdabından farklı olarak, foton halkasının keskin çizgisinin, kütlesi ve dönüş miktarı da dahil olmak üzere kara deliğin özellikleri hakkında doğrudan bilgi taşıdığını belirledi. Strominger, "Bu kesinlikle kara deliği gerçekten görmenin en güzel ve ilgi çekici yolu" dedi.
Gökbilimciler, simülatörler ve teorisyenlerin işbirliği, EHT'nin yakındaki galaksi Messier 87'nin merkezindeki kara deliği gösteren gerçek fotoğrafının, çok uzakta olmasa da foton halkasını çözecek kadar keskin olmadığını buldu. İçeride tartıştılar 2020 kağıdı gelecekte daha yüksek çözünürlüklü teleskoplar foton halkalarını kolaylıkla görebilecek. (A yeni kağıt orijinal verilerden katmanları kaldırmak için bir algoritma uygulayarak EHT'nin 2019 görüntüsündeki yüzüğü bulduğunu iddia ediyor ancak bu iddia şüpheyle karşılandı.)
Yine de simülasyonlarda foton halkalarına bu kadar uzun süre bakan Strominger ve meslektaşları, bunların biçimlerinin daha da derin bir anlama işaret edip etmediğini merak etmeye başladılar.
Şaşırtıcı Bir Simetri
Bir kara deliğin etrafında tek bir U dönüşü yapan ve ardından Dünya'ya doğru hızla ilerleyen fotonlar, bize tek bir ışık halkası olarak görünecektir. Deliğin etrafında iki U dönüşü yapan fotonlar, ilk halkanın içinde daha sönük, daha ince bir alt halka olarak görünüyor. Ve üç U dönüşü yapan fotonlar, bu alt halka içinde bir alt halka olarak görünür ve bu şekilde her biri bir öncekinden daha sönük ve daha ince iç içe geçmiş halkalar oluşturur.
İç alt halkalardan gelen ışık daha fazla yörünge yaptı ve bu nedenle dış alt halkalardan gelen ışıktan önce yakalandı, bu da çevredeki evrenin bir dizi zaman gecikmeli anlık görüntüsüne yol açtı. İşbirliği 2020 tarihli makalesinde şöyle yazıyordu: "Birlikte, alt halkalar seti bir filmin karelerine benziyor ve kara delikten görülen görünür evrenin tarihini yakalıyor."
Strominger, kendisinin ve işbirlikçilerinin EHT resimlerine baktıklarında şöyle dedik: 'Hey, o ekranda evrenin sonsuz sayıda kopyası mı var? Holografik ikilinin yaşadığı yer burası olamaz mı?'”
Araştırmacılar, halkanın eşmerkezli yapısının, konformal simetri adı verilen bir grup simetriyi akla getirdiğini fark etti. Uyumlu simetriye sahip bir sistem "ölçek değişmezliği" sergiler, yani yakınlaştırdığınızda veya uzaklaştırdığınızda aynı görünür. Bu durumda, her foton alt halkası, önceki alt halkanın tam, büyütülmüş bir kopyasıdır. Dahası, uyumlu simetrik bir sistem zamanda ileri veya geri çevrildiğinde ve tüm uzaysal koordinatlar ters çevrildiğinde, kaydırıldığında ve sonra tekrar ters çevrildiğinde aynı kalır.
Strominger, 1990'larda üzerinde çalıştığı özel bir beş boyutlu kara delik türü ortaya çıktığında uyumlu simetriyle karşılaştı. Bu simetrinin ayrıntılarını tam olarak anlayarak, o ve Cumrun Vafa bulundu yeni yol genel göreliliği kuantum dünyasına bağlamak için, en azından bu tür aşırı kara deliklerin içinde. Kara deliği kesip olay ufkunun yerine holografik plaka dedikleri, uyumlu simetriye saygı duyan parçacıklardan oluşan kuantum sistemini içeren bir yüzey koymayı hayal ettiler. Sanki kara delik uyumlu kuantum sisteminin daha yüksek boyutlu bir hologramıymış gibi, sistemin özelliklerinin kara deliğin özelliklerine karşılık geldiğini gösterdiler. Böylece kara deliğin genel göreliliğe göre tanımı ile kuantum mekaniksel tanımı arasında bir köprü kurdular.
1997 yılında Maldacena aynı holografik prensibi tüm oyuncak evrenine yaydı. Bir "keşfetti"şişedeki evrenŞişenin yüzeyinde yaşayan uyumlu simetrik bir kuantum sisteminin, şişenin iç kısmındaki uzay-zaman ve yerçekimi özellikleriyle tam olarak eşleştiği. Sanki iç mekan, alt boyutlu yüzeyinden bir hologram gibi çıkıntı yapan bir “evren” gibiydi.
Bu keşif birçok teorisyenin gerçek evrenin bir hologram olduğuna inanmasına yol açtı. Buradaki aksaklık, Maldacena'nın şişedeki evreninin bizimkinden farklı olmasıdır. Negatif kavisli bir tür uzay-zamanla doludur, bu da ona yüzey benzeri bir dış sınır sağlar. Evrenimizin düz olduğu düşünülüyor ve teorisyenlerin holografik düz uzay-zaman ikilisinin neye benzediğine dair çok az fikirleri var. Strominger, "Bu varsayımsal dünyalardan öğrendiklerimizden ilham alırken gerçek dünyaya geri dönmemiz gerekiyor" dedi.
Ve böylece grup, Olay Ufku Teleskobu tarafından fotoğraflananlar gibi, düz uzay-zamanda bulunan gerçekçi bir dönen kara delik üzerinde çalışmaya karar verdi. “Sorulması gereken ilk sorular şunlar: Holografik ikili nerede yaşıyor? Peki simetriler nelerdir?” dedi Hadar.
Holografik İkiliyi Aramak
Tarihsel olarak konformal simetri, yerçekimine sahip sistemlere holografik olarak eşlenen kuantum sistemleri arayışında güvenilir bir rehber olduğunu kanıtladı. Strominger, "Bir kuantum kütleçekim teorisyenine konformal simetri ve kara deliği aynı cümlede söylemek, bir köpeğin önünde kırmızı et sallamaya benzer" dedi.
Grup, genel görelilikte dönen kara deliklerin Kerr metriği adı verilen tanımından başlayarak, uyumlu simetrinin ipuçlarını aramaya başladı. Kara deliğe çekiçle vurarak zil gibi çalmasını hayal ettiler. Yavaş yavaş solan bu titreşimler, örneğin iki kara delik çarpıştığında oluşan yerçekimsel dalgalara benzer. Kara delik, tıpkı bir zilin zil seslerinin şekline bağlı olması gibi, uzay-zamanın şekline (yani Kerr metriğine) bağlı olan bazı rezonans frekanslarıyla çınlayacaktır.
Kerr metriği çok karmaşık olduğundan titreşimlerin kesin modelini bulmak mümkün değildir. Dolayısıyla ekip, kara deliğe çok sert bir şekilde çarpmanın neden olduğu yüksek frekanslı titreşimleri dikkate alarak modeli yaklaşık olarak tahmin etti. Bu yüksek enerjilerdeki dalgaların şekli ile kara deliğin foton halkalarının yapısı arasında bir ilişki olduğunu fark ettiler. Desenin "tamamen foton halkası tarafından yönetildiği ortaya çıktı" dedi Alex Lupsasca Yeni makaleyi Strominger, Hadar ve Harvard'dan Daniel Kapec ile birlikte yazan Tennessee'deki Vanderbilt Yerçekimi, Dalgalar ve Akışkanlar Girişimi'nden Dr.
2020 yazında Kovid-19 salgını sırasında çok önemli bir an geldi. Harvard'ın Jefferson fizik laboratuarının dışındaki çimlere tahtalar ve banklar kuruldu ve araştırmacılar sonunda şahsen buluşabildiler. Her foton halkasını bir sonraki alt halkayla ilişkilendiren uyumlu simetri gibi, çınlayan bir kara deliğin ardışık tonlarının da uyumlu simetriyle birbiriyle ilişkili olduğunu buldular. Strominger, foton halkaları ile kara delik titreşimleri arasındaki bu ilişkinin holografinin habercisi olabileceğini söyledi.
Foton halkasının özel bir öneme sahip olabileceğine dair bir başka ipucu, halkanın kara deliğin geometrisiyle olan ilişkisinin mantık dışı olmasından kaynaklanmaktadır. Hadar, "Bu çok çok tuhaf" dedi. "Foton halkasının farklı noktaları boyunca hareket ettikçe, aslında kara deliğin farklı yarıçaplarını veya derinliklerini araştırıyorsunuz."
Bu bulgular Strominger'e, olay ufkundan ziyade foton halkasının, dönen bir kara deliğin holografik plakasının bir kısmı için "doğal bir aday" olduğunu ima ediyor.
Eğer öyleyse, kara deliklere düşen nesneler hakkındaki bilgilere ne olacağını resmetmenin yeni bir yolu olabilir; bu, kara delik bilgi paradoksu olarak bilinen uzun süredir devam eden bir gizemdir. Son hesaplamalar kara delik yavaş yavaş buharlaşırken bu bilginin evren tarafından bir şekilde korunduğunu gösteriyor. Strominger şimdi bilginin holografik plakada saklanabileceğini düşünüyor. "Belki de bilgi aslında kara deliğin içine düşmüyor, ancak kara deliğin dışında bir tür bulutun içinde kalıyor ve bu muhtemelen foton halkasına kadar uzanıyor" dedi. "Ama orada nasıl kodlandığını ya da tam olarak nasıl çalıştığını anlamıyoruz."
Teorisyenlere Çağrı
Strominger ve ekibinin, holografik ikilinin foton halkasının içinde veya çevresinde yaşadığı yönündeki önsezisi, bunu halkanın konformal simetrisinden çok cesur bir çıkarım olarak gören bazı kuantum yerçekimi teorisyenleri tarafından şüpheyle karşılandı. "Holografik ikililiğin nerede yaşadığı şu sorudan çok daha derin bir sorudur: Simetri nedir?" söz konusu Daniel HarlowMassachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde kuantum yerçekimi ve kara delik teorisyeni. Konuyla ilgili daha fazla araştırma yapılmasından yana olmasına rağmen Harlow, bu durumda ikna edici bir holografik dualitenin, bireysel fotonların yörüngeleri ve frekansları gibi foton halkasının özelliklerinin, ince taneli halka üzerinde matematiksel olarak nasıl eşlendiğini göstermesi gerektiğini vurguluyor. Kara deliğin kuantum detayları.
Bununla birlikte, birçok uzman, yeni araştırmanın, önerilen herhangi bir holografik ikilinin kullanması gereken yararlı bir iğne sunduğunu söyledi: İkili, dönen bir kara deliğin kendisine bir zil gibi vurulduktan sonra alışılmadık titreşim modelini kodlayabilmelidir. Strominger, "Kara deliği tanımlayan kuantum sisteminin tüm bu karmaşıklığı yeniden üretmesini talep etmek inanılmaz derecede güçlü bir kısıtlamadır ve daha önce hiç yararlanmaya çalışmadığımız bir kısıtlamadır" dedi. Eva SilversteinStanford Üniversitesi'nden teorik fizikçi, "Bu, holografik bir ikili tanımlamaya çalışırken insanların yeniden üretmeye çalışacağı çok güzel bir teorik veri parçası gibi görünüyor" dedi.
Maldacena da aynı fikirde ve şöyle dedi: "İnsan bunun holografik ikiliye nasıl dahil edileceğini anlamak ister. Bu yüzden muhtemelen bu yönde bazı araştırmaları teşvik edecektir."
Maloney, foton halkasının yeni keşfedilen simetrisinin hem teorisyenler hem de gözlemciler arasında ilgiyi artıracağından şüpheleniyor. Event Horizon Teleskobu'nun yükseltmeleri için fon sağlanırsa, birkaç yıl içinde foton halkalarını tespit etmeye başlayabilir.
Ancak bu halkaların gelecekteki ölçümleri doğrudan holografiyi test etmeyecek; bunun yerine veriler, kara deliklerin yakınında genel göreliliğin aşırı testlerine olanak tanıyacak. Kara deliklerin etrafındaki sonsuz ışık tuzaklarının yapısının, içindeki sırları matematiksel olarak şifreleyip şifreleyemeyeceğini kalem ve kağıt hesaplamalarıyla belirlemek teorisyenlere kalmıştır.
