Коли фотони мчать до чорної діри, більшість із них засмоктується в її глибини, щоб ніколи не повернутися, або обережно відхиляється. Однак деякі з них обходять діру, роблячи серію різких розворотів. Деякі з цих фотонів продовжують обертатися навколо чорної діри практично вічно.
Кільце орбітальних фотонів, яке астрофізики описують як «космічну кінокамеру» та «нескінченну світлову пастку», є одним із найдивніших явищ у природі. Якщо ви виявите фотони, «ви побачите кожен об’єкт у Всесвіті нескінченно багато разів», сказав Сем Гралла, фізик в Університеті Арізони.
Але на відміну від знакового горизонту подій чорної діри — межі, в межах якої гравітація настільки сильна, що ніщо не може вирватися, — фотонне кільце, яке обертається навколо діри далі, ніколи не приділяло особливої уваги теоретикам. Цілком зрозуміло, що дослідники були стурбовані горизонтом подій, оскільки він позначає край їхніх знань про Всесвіт. У більшій частині космосу гравітація проходить із кривими в просторі та часі, як це описано в загальній теорії відносності Альберта Ейнштейна. Але простір-час так сильно спотворюється всередині чорних дір, що там загальна теорія відносності руйнується. Тому теоретики квантової гравітації, які шукали правдивішого квантового опису гравітації, шукали відповіді на горизонті.
«Я вважав, що горизонт подій — це те, що нам потрібно зрозуміти», — сказав Ендрю Стромінгер, провідний теоретик чорної діри та квантової гравітації в Гарвардському університеті. «І я думав про фотонне кільце як про якусь технічну, складну річ, яка не мала глибокого значення».
Зараз Стромінгер робить свій власний поворот і намагається переконати інших теоретиків приєднатися до нього. «Ми з захопленням досліджуємо можливість того, що фотонне кільце — це те, що потрібно зрозуміти, щоб розкрити таємниці чорних дір Керра», — сказав він, маючи на увазі обертові чорні діри, які утворюються, коли зірки гинуть і гравітаційно колапсують. . (Фотонне кільце утворюється одночасно.)
In папір опубліковано в Інтернеті в травні та нещодавно прийнято до друку in Класична квантова гравітаціяСтромінгер і його співробітники виявили, що фотонне кільце навколо обертової чорної діри має несподіваний вид симетрії — таким чином воно може трансформуватися і залишатися незмінним. Симетрія припускає, що кільце може кодувати інформацію про квантову структуру дірки. «Ця симетрія нагадує щось спільне з центральною проблемою розуміння квантової динаміки чорних дір», — сказав він. Відкриття спонукало дослідників до дискусії про те, чи може фотонне кільце взагалі бути частиною «голографічної подвійності» чорної діри — квантової системи, яка точно еквівалентна самій чорній дірі, і яку можна вважати такою, що чорна діра виникла. голограма.
«Це відкриває дуже цікавий шлях для розуміння голографії цих геометрій [чорних дір]», — сказав Алекс Мелоні, теоретик з Університету Макгілла в Канаді, який не брав участі в дослідженні. «Нова симетрія організовує структуру чорних дір далеко від горизонту подій, і я думаю, що це дуже захоплююче».
Потрібне набагато більше теоретичних досліджень, перш ніж дослідники зможуть точно сказати, чи кодує фотонне кільце внутрішній вміст чорної діри або яким чином. Але, принаймні, теоретики кажуть, що нова стаття детально описує точний тест для будь-якої квантової системи, яка претендує на роль голографічного подвійника чорної діри. «Це мішень для голографічного опису», — сказав Хуан Мальдасена Інституту перспективних досліджень у Прінстоні, штат Нью-Джерсі, один із оригінальних архітекторів голографії.
Ховається у Фотонному кільці
Частково захоплення фотонним кільцем полягає в тому, що, на відміну від горизонту подій, його насправді видно. Фактично, розворот Стромінгера до цих кілець стався завдяки фотографії: перше в історії зображення чорної діри. Коли телескоп Event Horizon Telescope (EHT) представив його в 2019 році, «я плакав», - сказав він. «Це неймовірно красиво».
Невдовзі захоплення переросло в замішання. Навколо чорної діри на зображенні було товсте світлове кільце, але фізики з команди EHT не знали, чи було це світло продуктом хаотичного оточуючого середовища діри, чи воно включало фотонне кільце чорної діри. Вони звернулися до Стромінгера та його колег-теоретиків за допомогою в інтерпретації зображення. Разом вони переглянули величезну базу даних комп’ютерного моделювання, яку команда EHT використовувала, щоб роз’єднати фізичні процеси, які створюють світло навколо чорних дір. На цих змодельованих зображеннях вони могли побачити тонке яскраве кільце, вмонтоване у більший, розмитіший помаранчевий пончик світла.
«Коли ви дивитеся на всі симуляції, ви не можете пропустити це», - сказав Шахар Хадар Університету Хайфи в Ізраїлі, який співпрацював зі Стромінгером і фізиками EHT під час дослідження в Гарварді. За словами Хадара, формування фотонного кільця є «універсальним ефектом», який відбувається навколо всіх чорних дір.
На відміну від виру енергетичних частинок і полів, що оточують чорні діри, теоретики визначили, що різка лінія фотонного кільця несе пряму інформацію про властивості чорної діри, включаючи її масу та величину обертання. «Це безперечно найкрасивіший і найпереконливіший спосіб по-справжньому побачити чорну діру», — сказав Стромінгер.
Співпраця астрономів, симуляторів і теоретиків виявила, що фактична фотографія EHT, яка показує чорну діру в центрі сусідньої галактики Messier 87, недостатньо чітка, щоб розрізнити фотонне кільце, хоча воно недалеко. Вони посперечалися папір 2020 що майбутні телескопи з вищою роздільною здатністю повинні легко бачити фотонні кільця. (А новий папір стверджує, що знайшов кільце на зображенні EHT 2019, застосовуючи алгоритм для видалення шарів з вихідних даних, але ця заява була сприйнята скептично.)
Проте, так довго дивлячись на фотонні кільця під час моделювання, Стромінгер та його колеги почали замислюватися, чи не натякає їхня форма на ще глибше значення.
Дивовижна симетрія
Фотони, які роблять один розворот навколо чорної діри, а потім летять до Землі, виглядатимуть як єдине світлове кільце. Фотони, які роблять два розвороти навколо отвору, виглядають як слабше, тонше підкільце в першому кільці. І фотони, які роблять три розвороти, з’являються як підкільце в цьому підкільці, і так далі, створюючи вкладені кільця, кожне з яких тьмяніше й тонше, ніж попереднє.
Світло від внутрішніх підкілець здійснило більше орбіт і тому було захоплене раніше світла від зовнішніх підкілець, що призвело до серії знімків навколишнього Всесвіту із затримкою в часі. «Разом набір підкілець схожий на кадри фільму, які фіксують історію видимого Всесвіту, як це видно з чорної діри», — написали співробітники в документі 2020 року.
Стромінгер сказав, що коли він і його співробітники дивилися на зображення EHT, «ми думали: «Гей, на цьому екрані є нескінченна кількість копій Всесвіту? Чи не тут живе голографічний дуал?»
Дослідники зрозуміли, що концентрична структура кільця свідчить про групу симетрій, яка називається конформною симетрією. Система, яка має конформну симетрію, демонструє «інваріантність масштабу», тобто вона виглядає однаково, коли ви збільшуєте чи зменшуєте масштаб. У цьому випадку кожне фотонне підкільце є точною зменшеною копією попереднього підкільця. Крім того, конформно-симетрична система залишається незмінною, коли її переміщують вперед або назад у часі, а також коли всі просторові координати інвертуються, зміщуються, а потім знову інвертуються.
Стромінгер зіткнувся з конформною симетрією в 1990-х роках, коли вона виявилася в особливому виді п'ятивимірної чорної діри, яку він вивчав. Точно розуміючи деталі цієї симетрії, він і Кумрун Вафа знайшли новий шлях зв’язати загальну теорію відносності з квантовим світом, принаймні всередині цих екстремальних типів чорних дір. Вони уявили, що вирізали чорну діру та замінили її горизонт подій на те, що вони назвали голографічною пластиною, поверхнею, що містить квантову систему частинок, які дотримуються конформної симетрії. Вони показали, що властивості системи відповідають властивостям чорної діри, ніби чорна діра є високовимірною голограмою конформної квантової системи. Таким чином вони побудували місток між описом чорної діри відповідно до загальної теорії відносності та її квантово-механічним описом.
У 1997 році Малдасена поширив цей голографічний принцип на весь іграшковий всесвіт. Він виявив "Всесвіт у пляшці”, у якому конформно-симетрична квантова система, що живе на поверхні пляшки, точно відобразила властивості простору-часу та сили тяжіння всередині пляшки. Виглядало так, ніби внутрішня частина була «всесвітом», який виступав із своєї низьковимірної поверхні, як голограма.
Це відкриття змусило багатьох теоретиків повірити, що справжній Всесвіт є голограмою. Загвоздка в тому, що всесвіт Малдасени в пляшці відрізняється від нашого власного. Він заповнений певним типом простору-часу, який негативно викривлений, що дає йому поверхневу зовнішню межу. Наш Всесвіт вважається плоским, і теоретики мало уявляють, як виглядає голографічний дуал плоского простору-часу. «Нам потрібно повернутися до реального світу, черпаючи натхнення з того, чого ми дізналися з цих гіпотетичних світів», — сказав Стромінгер.
І тому група вирішила вивчити реалістичну обертову чорну діру, що знаходиться в плоскому просторі-часі, як ті, які сфотографував телескоп Event Horizon. «Перші питання, які слід поставити: де живе голографічний дуал? А що таке симетрії?» сказав Хадар.
Пошук голографічного подвійного
Історично конформна симетрія виявилася надійним керівництвом у пошуку квантових систем, які голографічно відображаються на системах із гравітацією. «Говорити про конформну симетрію та чорну діру в одному реченні теоретику квантової гравітації — це все одно, що розмахувати червоним м’ясом перед собакою», — сказав Стромінгер.
Починаючи з опису обертових чорних дір у загальній теорії відносності, що називається метрикою Керра, група почала шукати натяки на конформну симетрію. Вони уявили, що вдарили по чорній дірі молотком, щоб вона дзвеніла, як дзвін. Ці повільно згасаючі вібрації схожі на гравітаційні хвилі, які виникають, скажімо, під час зіткнення двох чорних дір. Чорна діра буде дзвонити з деякими резонансними частотами, які залежать від форми простору-часу (тобто від метрики Керра), так само як дзвін дзвона залежить від його форми.
Визначити точну схему вібрацій неможливо, оскільки метрика Керра дуже складна. Тож команда наблизила схему, враховуючи лише високочастотні вібрації, які є результатом сильного удару чорної діри. Вони помітили зв'язок між структурою хвиль при цих високих енергіях і структурою фотонних кілець чорної діри. Виявилося, що модель повністю керується фотонним кільцем Алекс Лупсаска Ініціативи Вандербільта для гравітації, хвиль і рідин у Теннессі, який є співавтором нової статті зі Стромінгером, Хадаром і Даніелем Капеком з Гарварду.
Переломний момент настав влітку 2020 року під час пандемії Covid-19. Дошки та лави були встановлені на траві біля лабораторії фізики Джефферсона в Гарварді, і дослідники нарешті змогли зустрітися особисто. Вони з’ясували, що, подібно до конформної симетрії, яка пов’язує кожне фотонне кільце з наступним підкільцем, послідовні тони дзвінкої чорної діри пов’язані один з одним конформною симетрією. Цей зв’язок між фотонними кільцями та вібраціями чорної діри може бути «передвісником» голографії, сказав Стромінгер.
Інша підказка про те, що фотонне кільце може мати особливе значення, походить від того, як кільце пов’язане з геометрією чорної діри. «Це дуже, дуже дивно, — сказав Хадар. «Коли ви рухаєтеся вздовж різних точок фотонного кільця, ви фактично досліджуєте різні радіуси» або глибини чорної діри.
Ці висновки натякають на Стромінгера, що фотонне кільце, а не горизонт подій, є «природним кандидатом» на роль частини голографічної пластини обертової чорної діри.
Якщо так, можливо, існує новий спосіб уявити, що відбувається з інформацією про об’єкти, які потрапляють у чорні діри — давня загадка, відома як інформаційний парадокс чорної діри. Останні розрахунки вказують на те, що ця інформація якимось чином зберігається Всесвітом, коли чорна діра повільно випаровується. Тепер Стромінгер припускає, що інформація може зберігатися в голографічній пластині. «Можливо, інформація насправді не потрапляє в чорну діру, але вона як би залишається в хмарі навколо чорної діри, яка, ймовірно, поширюється на фотонне кільце», — сказав він. «Але ми не розуміємо, як це там закодовано або як саме це працює».
Заклик до теоретиків
Передчуття Стромінгера та компанії про те, що голографічний дуал живе в фотонному кільці або навколо нього, було зустрінуте скептично деякими теоретиками квантової гравітації, які вважали це надто сміливою екстраполяцією з конформної симетрії кільця. «Де живе голографічний дуал, це набагато глибше питання, ніж: що таке симетрія?» сказав Деніел Харлоу, теоретик квантової гравітації та чорних дір з Массачусетського технологічного інституту. Хоча він виступає за подальші дослідження цього питання, Харлоу наголошує, що переконлива голографічна подвійність у цьому випадку повинна показати, як властивості фотонного кільця, такі як орбіти та частоти окремих фотонів, математично відображаються на дрібнозернистому квантові деталі чорної діри.
Тим не менш, кілька експертів сказали, що нове дослідження пропонує корисну голку, яку повинен врізати будь-який запропонований голографічний дуал: дуал повинен мати можливість кодувати незвичайний вібраційний малюнок обертової чорної діри після того, як по ній вдарили, як у дзвін. «Вимагати, щоб квантова система, яка описує чорну діру, відтворювала всю цю складність, є неймовірно потужним обмеженням, і ми ніколи раніше не намагалися його використовувати», — сказав Стромінгер. Єва Сільверштейн, фізик-теоретик зі Стенфордського університету, сказав: «Це здається дуже гарною частиною теоретичних даних, яку люди можуть спробувати відтворити, намагаючись створити голографічний подвійний опис».
Мальдасена погодився, сказавши: «Хотілося б зрозуміти, як включити це в голографічний дуал. Тому це, ймовірно, стимулюватиме деякі дослідження в цьому напрямку».
Мелоні підозрює, що нова симетрія фотонного кільця зацікавить як теоретиків, так і спостерігачів. Якщо очікуване оновлення телескопа Event Horizon Telescope буде профінансовано, він може почати виявляти фотонні кільця протягом кількох років.
Майбутні вимірювання цих кілець не будуть безпосередньо перевіряти голографію — скоріше дані дозволять екстремальні випробування загальної теорії відносності поблизу чорних дір. За допомогою розрахунків ручкою та папером теоретики мають визначити, чи може структура нескінченних світлових пасток навколо чорних дір математично зашифрувати таємниці всередині.
