当光子冲向黑洞时，大部分都被吸入黑洞深处，永远不会返回，或者被轻轻地偏转走。 然而，很少有人绕过这个洞，做出一系列突然的 U 形转弯。 其中一些光子几乎永远绕着黑洞转。
天体物理学家将其描述为“宇宙电影摄影机”和“无限光阱”，由此产生的轨道光子环是自然界中最奇怪的现象之一。 如果你探测到光子，“你将无限次地看到宇宙中的每个物体，”说 山姆格拉拉，亚利桑那大学的物理学家。
但与黑洞的标志性事件视界不同——在这个边界内，引力如此之强，以至于没有任何东西可以逃脱——围绕黑洞更远的光子环从未受到理论家的太多关注。 研究人员一直专注于事件视界是有道理的，因为它标志着他们对宇宙知识的边缘。 正如阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论所描述的那样，在大部分宇宙中，引力在空间和时间上都具有曲线。 但是黑洞内部的时空扭曲如此之大，以至于广义相对论在那里崩溃了。 因此，寻求对引力更真实的量子描述的量子引力理论家们一直在寻找答案。
“我认为事件视界是我们需要了解的，”说 安德鲁·斯特罗明格，哈佛大学领先的黑洞和量子引力理论家。 “而且我认为光子环是某种技术性的、复杂的东西，没有任何深刻的意义。”
现在，Strominger 正在做他自己的掉头并试图说服其他理论家加入他的行列。 他说：“我们正在兴奋地探索光子环是解开克尔黑洞秘密所必须了解的东西的可能性，”他指的是恒星死亡和引力坍缩时产生的旋转黑洞。 . （光子环同时形成。）
In 一篇论文 XNUMX月和最近在网上发布 接受出版 in 经典量子引力，Strominger 和他的合作者透露，旋转黑洞周围的光子环具有一种意想不到的对称性——它可以被转化并保持不变。 对称性表明该环可能编码有关空穴量子结构的信息。 “这种对称性听起来像是与理解黑洞量子动力学的核心问题有关，”他说。 这一发现引发了研究人员争论光子环是否甚至可能是黑洞“全息对偶”的一部分——一个完全等同于黑洞本身的量子系统，黑洞可以被认为是从中产生的全息图。
“它为理解这些 [黑洞] 几何形状的全息术开辟了一条非常有趣的途径，”说 亚历克斯·马洛尼，加拿大麦吉尔大学的一位理论家，他没有参与这项研究。 “新的对称性组织了远离视界的黑洞结构，我认为这非常令人兴奋。”
在研究人员确定光子环是否或以何种方式编码黑洞的内部内容之前，还需要进行更多的理论研究。 但至少，理论家说，这篇新论文详细介绍了对任何声称是黑洞全息对偶的量子系统的精确测试。 “这是全息描述的目标，”说 胡安·马尔达塞纳（Juan Maldacena） 新泽西州普林斯顿高等研究院院长，全息术的原始建筑师之一。
隐藏在光子环中
光子环令人兴奋的部分原因在于，与事件视界不同，它实际上是可见的。 事实上，Strominger 对这些环的掉头是因为一张照片： 有史以来第一张黑洞的照片. 当事件视界望远镜 (EHT) 在 2019 年揭开它的面纱时，“我哭了，”他说。 “美得惊人。”
兴高采烈很快就陷入了混乱。 图像中的黑洞周围有一圈厚厚的光环，但 EHT 团队的物理学家不知道这个光是黑洞周围混沌环境的产物，还是包含黑洞的光子环。 他们去找斯特罗明格和他的理论家同事寻求帮助来解释这幅图像。 他们一起浏览了 EHT 团队用来解开在黑洞周围产生光的物理过程的巨大计算机模拟数据库。 在这些模拟图像中，他们可以看到嵌入在更大、更模糊的橙色光环中的薄而明亮的环。
“当你查看所有模拟时，你不能错过它，”说 沙哈尔哈达尔 以色列海法大学的博士，他在哈佛期间与 Strominger 和 EHT 物理学家合作进行了这项研究。 哈达尔说，光子环的形成似乎是一种“普遍效应”，发生在所有黑洞周围。
与围绕黑洞的高能碰撞粒子和场的漩涡不同，理论家们确定，光子环的尖锐线带有关于黑洞性质的直接信息，包括它的质量和自旋量。 “这绝对是真正看到黑洞的最美丽、最引人注目的方式，”斯特罗明格说。
天文学家、模拟器和理论家的合作发现，EHT 的实际照片显示了附近星系 Messier 87 中心的黑洞，虽然距离不远，但不够清晰，无法分辨光子环。 他们争论在 一张2020纸 未来，更高分辨率的望远镜应该很容易看到光子环。 （一个 新文 声称通过应用一种算法从原始数据中删除层，在 EHT 的 2019 年图像中找到了环，但该说法遭到了质疑。）
尽管如此，在模拟中盯着光子环这么长时间后，斯特罗明格和他的同事们开始怀疑它们的形式是否暗示了更深层次的含义。
惊人的对称
绕着黑洞做一个 U 形转弯然后飞向地球的光子在我们看来就像一个光环。 在洞周围做两个 U 形转弯的光子在第一个环内看起来像一个更微弱、更薄的子环。 使三个 U 形转弯的光子在该子环中显示为一个子环，依此类推，形成嵌套环，每个环都比上一个更暗和更薄。
来自内部子环的光已经形成了更多的轨道，因此在来自外部子环的光之前被捕获，导致周围宇宙的一系列时间延迟快照。 该合作组织在 2020 年的论文中写道：“这组子环合在一起类似于电影的帧，捕捉了从黑洞看到的可见宇宙的历史。”
Strominger 说，当他和他的合作者看到 EHT 图片时，“我们就像：‘嘿，那个屏幕上有无数个宇宙副本？ 那不是全息双重生活的地方吗？
研究人员意识到，环的同心结构暗示了一组称为共形对称的对称性。 具有共形对称的系统表现出“尺度不变性”，这意味着当你放大或缩小时它看起来是一样的。 在这种情况下，每个光子子环都是前一个子环的精确、缩小的副本。 此外，一个共形对称系统在时间上向前或向后平移以及当所有空间坐标被反转、移位然后再次反转时保持不变。
Strominger 在 1990 年代遇到了共形对称，当时它出现在他正在研究的一种特殊的五维黑洞中。 通过准确理解这种对称性的细节，他和 康润瓦法 找一个 新颖的方式 将广义相对论与量子世界联系起来，至少在这些极端类型的黑洞内部。 他们想象着切掉黑洞并用他们所谓的全息板代替它的视界，全息板是一个包含尊重共形对称性的粒子量子系统的表面。 他们表明，该系统的特性与黑洞的特性相对应，就好像黑洞是共形量子系统的高维全息图一样。 通过这种方式，他们在广义相对论对黑洞的描述与其量子力学描述之间架起了一座桥梁。
1997 年，Maldacena 将同样的全息原理扩展到整个玩具宇宙。 他发现了一个“瓶中的宇宙，”其中存在于瓶子表面的共形对称量子系统精确地映射到瓶子内部的时空和重力属性。 就好像内部是一个“宇宙”，从它的低维表面投射出来，就像一个全息图。
这一发现使许多理论家相信真实的宇宙是一个全息图。 问题是马尔达西纳的瓶中宇宙与我们自己的不同。 它充满了一种负弯曲的时空，这给了它一个类似表面的外边界。 我们的宇宙被认为是平坦的，理论家们几乎不知道平坦时空的全息对偶是什么样子。 “我们需要回到现实世界，同时从我们从这些假设世界中学到的东西中汲取灵感，”Strominger 说。
因此，该小组决定研究一个真实的旋转黑洞，它位于平坦的时空中，就像事件视界望远镜拍摄的那样。 “首先要问的问题是：全息对偶住在哪里？ 什么是对称性？” 哈达尔说。
寻找全息对偶
从历史上看，共形对称已被证明是寻找全息映射到重力系统的量子系统的可靠指南。 “在同一句话中对量子引力理论家说共形对称和黑洞就像在狗面前挥舞红肉一样，”Strominger 说。
从广义相对论中对旋转黑洞的描述开始，称为克尔度量，该小组开始寻找共形对称的线索。 他们想象着用锤子敲击黑洞，让它像钟声一样响起。 这些缓慢衰减的振动就像两个黑洞碰撞时产生的引力波。 黑洞会以一些共振频率响起，这取决于时空的形状（即，取决于克尔度量），就像钟的铃声取决于它的形状一样。
弄清楚振动的确切模式是不可行的，因为克尔度量是如此复杂。 因此，该团队仅通过考虑高频振动来近似该模式，高频振动是由于非常猛烈地撞击黑洞而产生的。 他们注意到这些高能波的模式与黑洞光子环的结构之间的关系。 这种模式“原来完全由光子环控制，”说 亚历克斯·卢普萨斯卡 田纳西州范德比尔特重力、波浪和流体倡议的负责人，他与哈佛大学的 Strominger、Hadar 和 Daniel Kapec 共同撰写了这篇新论文。
在 Covid-2020 大流行期间，一个关键时刻出现在 19 年夏天。 哈佛杰斐逊物理实验室外的草地上设置了黑板和长凳，研究人员终于可以亲自见面了。 他们计算出，就像将每个光子环与下一个子环相关的共形对称一样，环形黑洞的连续音调通过共形对称相互关联。 Strominger 说，光子环和黑洞振动之间的这种关系可能是全息术的“预兆”。
光子环可能具有特殊意义的另一条线索来自该环与黑洞几何形状的反直觉方式。 “这非常非常奇怪，”哈达尔说。 “当你沿着光子环上的不同点移动时，你实际上是在探测不同的半径”或黑洞的深度。
这些发现向 Strominger 暗示，光子环，而不是事件视界，是旋转黑洞全息图的一部分的“自然候选者”。
如果是这样，可能会有一种新的方法来描绘关于落入黑洞的物体的信息会发生什么——一个长期存在的谜团，被称为黑洞信息悖论。 最近的计算 表明随着黑洞缓慢蒸发，宇宙以某种方式保存了这些信息。 斯特罗明格现在推测该信息可能存储在全息板上。 “也许信息并没有真正落入黑洞，但它有点停留在黑洞周围的云中，可能延伸到光子环，”他说。 “但我们不明白它是如何在那里编码的，或者它究竟是如何工作的。”
对理论家的呼吁
Strominger 和公司关于全息对偶存在于光子环内部或周围的预感遭到了一些量子引力理论家的怀疑，他们认为从环的共形对称性进行推断过于大胆。 “全息双重存在的地方是一个更深层次的问题：对称性是什么？” 说 丹尼尔·哈洛，麻省理工学院的量子引力和黑洞理论家。 尽管他支持对该问题进行进一步研究，但哈洛强调，在这种情况下，令人信服的全息对偶性必须表明光子环的特性，例如单个光子的轨道和频率，如何在数学上映射到细粒度的黑洞的量子细节。
尽管如此，几位专家表示，这项新研究提供了一种有用的针，任何提议的全息双重都必须穿线：双重必须能够编码旋转黑洞在像钟声一样被击中后的不寻常振动模式。 “要求描述黑洞的量子系统重现所有这些复杂性是一个非常强大的约束——我们以前从未尝试过利用这一约束，”Strominger 说。 伊娃·西尔弗斯坦（Eva Silverstein）斯坦福大学的一位理论物理学家说：“这似乎是一个非常好的理论数据，供人们在尝试进行全息对偶描述时尝试复制。”
Maldacena 表示同意，他说：“人们想了解如何将其整合到全息对偶中。 因此，它可能会激发一些朝这个方向的研究。”
Maloney 怀疑新发现的光子环对称性将激发理论家和观察者的兴趣。 如果希望对事件视界望远镜的升级得到资助，它可能会在几年内开始探测光子环。
不过，未来对这些环的测量不会直接测试全息术——相反，这些数据将允许在黑洞附近对广义相对论进行极端测试。 由理论家们用纸笔计算确定黑洞周围无限光阱的结构是否可以在数学上加密其中的秘密。
