Khi các photon lao về phía một lỗ đen, hầu hết bị hút vào độ sâu của nó, không bao giờ quay trở lại hoặc nhẹ nhàng bị lệch ra xa. Tuy nhiên, một số hiếm hoi lại khoét lỗ, tạo ra một loạt cú xoay người đột ngột. Một số trong số các photon này thực tế tiếp tục quay quanh lỗ đen mãi mãi.
Được các nhà vật lý thiên văn mô tả như một “máy quay phim vũ trụ” và một “bẫy ánh sáng vô hạn”, vòng kết quả của các photon quay quanh quỹ đạo là một trong những hiện tượng kỳ lạ nhất trong tự nhiên. Nếu bạn phát hiện ra các photon, "bạn sẽ nhìn thấy mọi vật thể trong vũ trụ vô số lần", nói Sam Gralla, một nhà vật lý tại Đại học Arizona.
Nhưng không giống như chân trời sự kiện mang tính biểu tượng của một lỗ đen - ranh giới trong đó lực hấp dẫn mạnh đến mức không gì có thể thoát ra - vòng photon, quay quanh lỗ xa hơn, chưa bao giờ nhận được nhiều sự chú ý từ các nhà lý thuyết. Có nghĩa là các nhà nghiên cứu đã bận tâm đến chân trời sự kiện, vì nó đánh dấu ranh giới hiểu biết của họ về vũ trụ. Trong hầu hết các vũ trụ, lực hấp dẫn theo dõi với các đường cong trong không gian và thời gian như được mô tả bởi thuyết tương đối rộng của Albert Einstein. Nhưng không-thời gian làm cong quá mức bên trong các lỗ đen đến mức thuyết tương đối rộng bị phá vỡ ở đó. Do đó, các nhà lý thuyết hấp dẫn lượng tử đang tìm kiếm một mô tả chân thực hơn, mang tính lượng tử về lực hấp dẫn đã tìm đến chân trời để tìm câu trả lời.
“Tôi đã có quan điểm rằng chân trời sự kiện là những gì chúng ta cần hiểu,” nói Andrew Strominger, một nhà lý thuyết hấp dẫn lượng tử và lỗ đen hàng đầu tại Đại học Harvard. “Và tôi nghĩ về vòng photon như một thứ phức tạp, kỹ thuật nào đó không có ý nghĩa sâu sắc.”
Giờ đây, Strominger đang quay đầu lại và cố gắng thuyết phục các lý thuyết gia khác tham gia cùng mình. “Chúng tôi đang khám phá một cách hào hứng, khả năng vòng photon là thứ mà bạn phải hiểu để mở khóa bí mật của lỗ đen Kerr,” ông nói, đề cập đến loại lỗ đen quay được tạo ra khi các ngôi sao chết và sụp đổ theo trọng trường . (Vòng photon hình thành đồng thời.)
In một tờ giấy được đăng trực tuyến vào tháng XNUMX và gần đây được chấp nhận để xuất bản in Lực hấp dẫn lượng tử cổ điển, Strominger và các cộng sự của ông tiết lộ rằng vòng photon xung quanh một lỗ đen đang quay có một kiểu đối xứng bất ngờ - một cách mà nó có thể được biến đổi mà vẫn giữ nguyên. Tính đối xứng cho thấy rằng chiếc vòng có thể mã hóa thông tin về cấu trúc lượng tử của lỗ. Ông nói: “Sự đối xứng này có mùi gì đó liên quan đến vấn đề trọng tâm là hiểu được động lực lượng tử của lỗ đen. Khám phá này đã khiến các nhà nghiên cứu tranh luận về việc liệu vòng photon thậm chí có thể là một phần của "kép ba chiều" của lỗ đen - một hệ lượng tử chính xác tương đương với chính lỗ đen và lỗ đen có thể được coi là đang trồi lên như thế nào một hình ba chiều.
“Nó mở ra một con đường rất thú vị để hiểu tính ba chiều của các hình học [lỗ đen] này,” nói Alex Maloney, một nhà lý thuyết tại Đại học McGill ở Canada, người không tham gia vào nghiên cứu. “Sự đối xứng mới tổ chức cấu trúc của các lỗ đen ở xa chân trời sự kiện, và tôi nghĩ điều đó rất thú vị”.
Cần nhiều nghiên cứu lý thuyết hơn nữa trước khi các nhà nghiên cứu có thể nói chắc chắn liệu vòng photon mã hóa nội dung bên trong của lỗ đen hay không. Nhưng ít nhất, các nhà lý thuyết nói rằng bài báo mới đã trình bày chi tiết một bài kiểm tra chính xác cho bất kỳ hệ lượng tử nào tự xưng là kép ba chiều của lỗ đen. “Đó là mục tiêu cho một mô tả ba chiều,” nói Juan Maldacena của Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, New Jersey, một trong những kiến trúc sư ban đầu của ảnh ba chiều.
Ẩn trong vòng Photon
Một phần của sự phấn khích về vòng photon là, không giống như đường chân trời sự kiện, nó thực sự có thể nhìn thấy được. Trên thực tế, việc Strominger quay đầu về phía những chiếc vòng này đã xảy ra vì một bức ảnh: hình ảnh đầu tiên về một lỗ đen. Khi Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện (EHT) công bố nó vào năm 2019, “Tôi đã khóc,” anh nói. "Nó đẹp một cách đáng kinh ngạc."
Sự phấn khích sớm trở thành sự bối rối. Lỗ đen trong hình ảnh có một vòng ánh sáng dày xung quanh nó, nhưng các nhà vật lý trong nhóm EHT không biết liệu ánh sáng này là sản phẩm của môi trường xung quanh hỗn loạn của lỗ đen hay nó bao gồm vòng photon của lỗ đen. Họ tìm đến Strominger và các đồng nghiệp lý thuyết của ông để được giúp giải thích hình ảnh. Họ cùng nhau duyệt qua kho dữ liệu mô phỏng máy tính khổng lồ mà nhóm EHT đang sử dụng để gỡ rối các quá trình vật lý tạo ra ánh sáng xung quanh các lỗ đen. Trong những hình ảnh mô phỏng này, họ có thể nhìn thấy vòng sáng mỏng được nhúng trong chiếc bánh rán màu cam lớn hơn, mờ hơn.
“Khi bạn xem tất cả các mô phỏng, bạn không thể bỏ lỡ nó,” nói Shahar Hadar của Đại học Haifa ở Israel, người đã hợp tác với Strominger và các nhà vật lý EHT trong nghiên cứu khi ở Harvard. Hadar cho biết sự hình thành của vòng photon dường như là một “hiệu ứng phổ quát” xảy ra xung quanh tất cả các lỗ đen.
Không giống như maelstrom của các hạt va chạm năng lượng và trường bao quanh lỗ đen, các nhà lý thuyết xác định, đường sắc nét của vòng photon mang thông tin trực tiếp về các đặc tính của lỗ đen, bao gồm khối lượng và lượng spin của nó. Strominger nói: “Đó chắc chắn là cách đẹp nhất và hấp dẫn nhất để thực sự nhìn thấy lỗ đen.
Sự hợp tác của các nhà thiên văn học, nhà mô phỏng và nhà lý thuyết đã phát hiện ra rằng bức ảnh thực tế của EHT, cho thấy lỗ đen ở trung tâm của thiên hà Messier 87 gần đó, không đủ sắc nét để phân giải vòng photon, mặc dù nó không xa. Họ tranh luận trong một tờ giấy 2020 tương lai đó, các kính thiên văn có độ phân giải cao hơn sẽ dễ dàng nhìn thấy các vòng photon. (MỘT giấy mới tuyên bố đã tìm thấy chiếc nhẫn trong hình ảnh của EHT 2019 bằng cách áp dụng một thuật toán để loại bỏ các lớp khỏi dữ liệu gốc, nhưng tuyên bố này đã vấp phải sự hoài nghi.)
Tuy nhiên, đã nhìn chằm chằm vào các vòng photon quá lâu trong các mô phỏng, Strominger và các đồng nghiệp của ông bắt đầu tự hỏi liệu hình dạng của chúng có gợi ý đến một ý nghĩa thậm chí còn sâu sắc hơn không.
Một sự đối xứng đáng ngạc nhiên
Các photon tạo ra một lần quay đầu lại xung quanh một lỗ đen và sau đó bay về phía Trái đất sẽ xuất hiện với chúng ta dưới dạng một vòng ánh sáng. Các photon tạo ra hai lần quay chữ U xung quanh lỗ sẽ xuất hiện như một dải phụ mờ hơn, mỏng hơn trong vòng đầu tiên. Và các photon tạo ra ba lần quay chữ U xuất hiện như một chuỗi con bên trong chuỗi con đó, v.v., tạo ra các vòng lồng nhau, mỗi vòng mờ hơn và mỏng hơn vòng cuối cùng.
Ánh sáng từ các vòng con bên trong đã tạo ra nhiều quỹ đạo hơn và do đó bị bắt trước ánh sáng từ các vòng con bên ngoài, dẫn đến một loạt các bức ảnh chụp nhanh vũ trụ xung quanh bị trì hoãn theo thời gian. “Cùng với nhau, tập hợp các chuỗi phụ giống như khung của một bộ phim, ghi lại lịch sử của vũ trụ nhìn thấy được khi nhìn thấy từ lỗ đen,” sự hợp tác viết trong bài báo năm 2020.
Strominger nói rằng khi ông và các cộng sự của mình xem các bức ảnh EHT, “chúng tôi đã nói: 'Này, có vô số bản sao của vũ trụ ngay trên màn hình đó? Đó không phải là nơi sinh sống của hai mặt ba chiều sao? '"
Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng cấu trúc đồng tâm của chiếc nhẫn gợi ý đến một nhóm đối xứng được gọi là đối xứng hình cầu. Một hệ thống có đối xứng tuân thủ thể hiện “sự bất biến tỷ lệ”, nghĩa là nó trông giống nhau khi bạn phóng to hoặc thu nhỏ. Trong trường hợp này, mỗi chuỗi con photon là một bản sao chính xác, đã được loại bỏ của chuỗi con trước đó. Hơn nữa, một hệ thống đối xứng phù hợp vẫn giữ nguyên khi dịch tới hoặc lùi theo thời gian và khi tất cả các tọa độ không gian đều được đảo ngược, dịch chuyển và sau đó lại được đảo ngược.
Strominger đã gặp phải sự đối xứng phù hợp vào những năm 1990 khi nó xuất hiện trong một loại lỗ đen năm chiều đặc biệt mà ông đang nghiên cứu. Bằng cách hiểu chính xác các chi tiết của sự đối xứng này, anh ta và Cumrun Vafa tìm thấy một phương pháp mới để kết nối thuyết tương đối rộng với thế giới lượng tử, ít nhất là bên trong các loại lỗ đen cực đoan này. Họ tưởng tượng việc cắt bỏ lỗ đen và thay thế chân trời sự kiện của nó bằng cái mà họ gọi là tấm ảnh ba chiều, một bề mặt chứa một hệ thống lượng tử của các hạt tôn trọng tính đối xứng phù hợp. Họ chỉ ra rằng các thuộc tính của hệ thống tương ứng với các đặc tính của lỗ đen, như thể lỗ đen là một hình ba chiều có chiều cao hơn của hệ lượng tử phù hợp. Bằng cách này, họ đã xây dựng cầu nối giữa mô tả lỗ đen theo thuyết tương đối rộng và mô tả cơ học lượng tử của nó.
Năm 1997, Maldacena đã mở rộng nguyên lý ba chiều tương tự này cho toàn bộ vũ trụ đồ chơi. Anh ấy đã phát hiện ra một “vũ trụ trong một cái chai, ”Trong đó một hệ thống lượng tử đối xứng phù hợp sống trên bề mặt chai đã ánh xạ chính xác các đặc tính của không-thời gian và lực hấp dẫn bên trong chai. Nó như thể bên trong là một “vũ trụ” được chiếu từ bề mặt chiều thấp hơn của nó giống như một hình ba chiều.
Khám phá này khiến nhiều nhà lý thuyết tin rằng vũ trụ thực là một hình ảnh ba chiều. Vấn đề là vũ trụ của Maldacena trong một cái chai khác với vũ trụ của chúng ta. Nó chứa đầy một loại không-thời gian cong âm, tạo cho nó một ranh giới bên ngoài giống như bề mặt. Vũ trụ của chúng ta được cho là phẳng, và các nhà lý thuyết có rất ít ý tưởng về bản sao ba chiều của không-thời gian phẳng trông như thế nào. “Chúng ta cần trở lại thế giới thực, đồng thời lấy cảm hứng từ những gì chúng ta học được từ những thế giới giả định này,” Strominger nói.
Và vì vậy nhóm đã quyết định nghiên cứu một lỗ đen quay thực tế nằm trong không-thời gian phẳng, giống như những gì được chụp bởi Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện. “Những câu hỏi đầu tiên cần đặt ra là: Song hình ba chiều sống ở đâu? Và đối xứng là gì? ” Hadar nói.
Tìm kiếm Holographic Dual
Về mặt lịch sử, đối xứng phù hợp đã chứng minh một hướng dẫn đáng tin cậy trong việc tìm kiếm các hệ lượng tử ánh xạ ba chiều lên các hệ thống có trọng lực. Strominger cho biết: “Nói đối xứng hình học và lỗ đen trong cùng một câu với một nhà lý thuyết hấp dẫn lượng tử giống như vẫy miếng thịt đỏ trước mặt một con chó.
Bắt đầu từ mô tả về các lỗ đen quay trong thuyết tương đối rộng, được gọi là số liệu Kerr, nhóm bắt đầu tìm kiếm các gợi ý về tính đối xứng hình cầu. Họ tưởng tượng sẽ dùng búa đập vào lỗ đen để khiến nó kêu như chuông. Những dao động tắt dần này giống như sóng hấp dẫn được tạo ra khi hai lỗ đen va chạm. Hố đen sẽ đổ chuông với một số tần số cộng hưởng phụ thuộc vào hình dạng của không-thời gian (tức là, trên hệ mét Kerr) giống như tiếng chuông của chuông phụ thuộc vào hình dạng của nó.
Việc tìm ra dạng dao động chính xác là không khả thi vì số liệu Kerr rất phức tạp. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã ước tính gần đúng mô hình bằng cách chỉ xem xét các dao động tần số cao, do va chạm rất mạnh vào lỗ đen. Họ nhận thấy mối quan hệ giữa dạng sóng ở những năng lượng cao này và cấu trúc của các vòng photon của lỗ đen. Mô hình "hóa ra hoàn toàn bị chi phối bởi vòng photon," cho biết Alex Lupsasca của Sáng kiến Vanderbilt về Lực hấp dẫn, Sóng và Chất lỏng ở Tennessee, người đồng tác giả bài báo mới với Strominger, Hadar và Daniel Kapec của Harvard.
Một thời điểm quan trọng đã đến vào mùa hè năm 2020 trong đại dịch Covid-19. Bảng đen và ghế dài được dựng trên bãi cỏ bên ngoài phòng thí nghiệm vật lý Jefferson của Harvard, và các nhà nghiên cứu cuối cùng cũng có thể gặp trực tiếp. Họ đã nghiên cứu ra rằng, giống như đối xứng cầu liên quan mỗi vòng photon với tiểu nhân tiếp theo, các tông màu liên tiếp của một lỗ đen vành khuyên có liên quan với nhau theo đối xứng hình cầu. Strominger cho biết: Mối quan hệ giữa các vòng photon và các dao động của lỗ đen có thể là một “điềm báo” cho phép chụp ảnh ba chiều.
Một manh mối khác cho thấy vòng photon có thể có ý nghĩa đặc biệt đến từ cách phản trực giác của vòng liên quan đến hình học của lỗ đen. “Nó rất, rất kỳ lạ,” Hadar nói. “Khi bạn di chuyển dọc theo các điểm khác nhau trên vòng photon, bạn thực sự đang thăm dò các bán kính khác nhau” hoặc độ sâu của lỗ đen.
Những phát hiện này ngụ ý với Strominger rằng vòng photon, chứ không phải là chân trời sự kiện, là một "ứng cử viên tự nhiên" cho một phần của tấm ảnh ba chiều của một lỗ đen đang quay.
Nếu vậy, có thể có một cách mới để hình dung những gì xảy ra với thông tin về các vật thể rơi vào lỗ đen - một bí ẩn lâu đời được gọi là nghịch lý thông tin lỗ đen. Tính toán gần đây chỉ ra rằng thông tin này bằng cách nào đó được bảo tồn bởi vũ trụ khi một lỗ đen từ từ bốc hơi. Strominger hiện suy đoán rằng thông tin có thể được lưu trữ trong tấm ảnh ba chiều. Ông nói: “Có lẽ thông tin không thực sự rơi vào lỗ đen, nhưng nó nằm trong một đám mây xung quanh bên ngoài lỗ đen, có thể kéo dài đến vòng photon. “Nhưng chúng tôi không hiểu nó được mã hóa như thế nào trong đó, hoặc chính xác nó hoạt động như thế nào.”
Lời kêu gọi tới các nhà lý thuyết
Strominger và công ty linh cảm rằng kép ba chiều sống trong hoặc xung quanh vòng photon đã bị một số nhà lý thuyết hấp dẫn lượng tử vấp phải sự hoài nghi, những người coi nó là một phép ngoại suy quá táo bạo so với đối xứng cầu của vòng. “Ở đâu các cặp song sinh ba chiều tồn tại là một câu hỏi sâu sắc hơn nhiều so với: Đối xứng là gì?” nói Daniel Harlow, một nhà lý thuyết hấp dẫn lượng tử và lỗ đen tại Viện Công nghệ Massachusetts. Mặc dù ông ủng hộ việc nghiên cứu sâu hơn về vấn đề này, Harlow nhấn mạnh rằng đối ngẫu ảnh ba chiều thuyết phục, trong trường hợp này, phải chỉ ra cách các thuộc tính của vòng photon, chẳng hạn như quỹ đạo và tần số của từng photon, ánh xạ toán học lên hạt mịn chi tiết lượng tử của lỗ đen.
Tuy nhiên, một số chuyên gia nói rằng nghiên cứu mới cung cấp một kim chỉ nam hữu ích mà bất kỳ đối tượng kép ba chiều được đề xuất nào cũng phải xâu chuỗi: Nhị phân phải có khả năng mã hóa mô hình rung động bất thường của một lỗ đen quay sau khi nó được đánh giống như một cái chuông. Strominger cho biết: “Yêu cầu hệ thống lượng tử mô tả lỗ đen tái tạo tất cả sự phức tạp đó là một hạn chế cực kỳ mạnh mẽ - và một hạn chế mà chúng tôi chưa bao giờ cố gắng khai thác trước đây. Eva Silverstein, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Stanford, cho biết, “Có vẻ như đây là một phần dữ liệu lý thuyết rất hay để mọi người cố gắng tái tạo khi cố gắng mô tả kép ba chiều.”
Maldacena đồng ý, nói, “Người ta muốn hiểu cách kết hợp điều này thành một đối tượng ba chiều. Vì vậy, nó có thể sẽ kích thích một số nghiên cứu theo hướng đó ”.
Maloney nghi ngờ rằng tính đối xứng mới được tìm thấy của vòng photon sẽ thúc đẩy sự quan tâm của cả các nhà lý thuyết và các nhà quan sát. Nếu hy vọng nâng cấp cho Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện được tài trợ, nó có thể bắt đầu phát hiện các vòng photon trong vòng vài năm.
Mặc dù vậy, các phép đo trong tương lai của những vòng này sẽ không trực tiếp kiểm tra tính chất ba chiều - thay vào đó, dữ liệu sẽ cho phép các thử nghiệm cực đoan về thuyết tương đối rộng gần các lỗ đen. Các nhà lý thuyết phải xác định bằng các phép tính trên giấy và bút xem liệu cấu trúc của bẫy ánh sáng vô tận xung quanh lỗ đen có thể mã hóa toán học những bí mật bên trong hay không.
