19-09-2022
22:01
Кольцо света на орбите черной дыры может зашифровать ее внутренние секреты

Когда фотоны устремляются к черной дыре, большинство из них засасывается в ее глубины безвозвратно, или мягко отклоняется прочь. Однако некоторые из них обходят дыру, делая серию резких разворотов. Некоторые из этих фотонов продолжают вращаться вокруг черной дыры практически вечно.

Описанное астрофизиками как «космическая кинокамера» и «бесконечная световая ловушка», образующееся в результате кольцо вращающихся фотонов, является одним из самых странных явлений в природе. Если вы обнаружите фотоны, «вы будете видеть каждый объект во Вселенной бесконечно много раз», — говорит Сэм Гралла, физик из Аризонского университета.

Но в отличие от легендарного горизонта событий черной дыры — границы, внутри которой гравитация настолько сильна, что ничто не может ускользнуть — фотонное кольцо, вращающееся вокруг дыры дальше, никогда не привлекало особого внимания теоретиков. Вполне логично, что исследователи были озабочены горизонтом событий, поскольку он отмечает границу их знаний о Вселенной. В большей части космоса гравитация имеет кривые в пространстве и времени, как описано в общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Но внутри черных дыр пространство-время искажается так сильно, что там нарушается общая теория относительности. Поэтому теоретики квантовой гравитации, ищущие более точное квантовое описание гравитации, заглянули за горизонт в поисках ответов.

«Я придерживался мнения, что горизонт событий — это то, что нам нужно понять», — говорит Эндрю Строминджер, ведущий специалист по теории черных дыр и квантовой гравитации в Гарвардском университете. «И я думал о фотонном кольце как о какой-то технической, сложной вещи, не имеющей никакого глубокого значения».

Теперь Строминджер делает свой собственный разворот и пытается убедить других теоретиков присоединиться к нему. «Мы взволнованно изучаем возможность того, что фотонное кольцо — это то, что вам нужно понять, чтобы раскрыть секреты черных дыр Керра», — говорит он, имея в виду вид вращающихся черных дыр, возникающих, когда звезды умирают и гравитационно коллапсируют. (Фотонное кольцо формируется одновременно.)

В статье, размещенной в сети в мае и недавно принятой к публикации в журнале Classical Quantum Gravity, Строминджер и его сотрудники обнаружили, что фотонное кольцо вокруг вращающейся черной дыры имеет неожиданный вид симметрии — способ, которым оно может трансформироваться и при этом оставаться прежним. Симметрия предполагает, что кольцо может кодировать информацию о квантовой структуре дыры. «Эта симметрия связана с чем-то, что связано с центральной проблемой понимания квантовой динамики черных дыр», — говорит он. Открытие привело исследователей к спорам о том, может ли фотонное кольцо быть частью «голографического двойника» черной дыры — квантовой системы, которая в точности эквивалентна самой черной дыре, и о которой можно думать, что черная дыра возникает из подобного голограмме.

«Это открывает очень интересные возможности для понимания геометрии голографии этих [черных дыр]», — говорит Алекс Мэлони, теоретик из Университета Макгилла в Канаде, не участвовавший в исследовании. «Новая симметрия организует структуру черных дыр далеко от горизонта событий, и я думаю, что это очень интересно».

Требуется гораздо больше теоретических исследований, прежде чем исследователи смогут точно сказать, кодирует ли фотонное кольцо внутреннее содержимое черной дыры и каким образом. Но, по крайней мере, теоретики говорят, что в новой статье подробно описана точная проверка любой квантовой системы, претендующей на роль голографического двойника черной дыры. «Это цель для голографического описания», — говорит Хуан Малдасена из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, один из первых архитекторов голографии.

Часть интереса к фотонному кольцу заключается в том, что, в отличие от горизонта событий, оно действительно видимо. На самом деле разворот Строминджера к этим кольцам произошел благодаря фотографии: первому в истории изображению черной дыры. Когда Event Horizon Telescope (EHT) представил его в 2019 году, он «плакал», — делится он. «Это удивительно красиво».

Восторг вскоре сменился замешательством. Вокруг черной дыры на изображении было толстое кольцо света, но физики из команды EHT не знали, был ли этот свет продуктом хаотической окружающей среды дыры или он включал в себя фотонное кольцо черной дыры. Они обратились к Строминджеру и его коллегам-теоретикам за помощью в интерпретации изображения. Вместе они просмотрели огромный банк данных компьютерных симуляций, которые команда EHT использовала, чтобы разобраться в физических процессах, излучающих свет вокруг черных дыр. На этих смоделированных изображениях они могли видеть тонкое яркое кольцо, встроенное в более крупный и нечеткий оранжевый пончик света.

По словам Шахара Хадара, из Хайфского университета в Израиле, который сотрудничал со Строминджером и физиками EHT в исследовании во время учебы в Гарварде, формирование фотонного кольца, по-видимому, является «универсальным эффектом», который происходит вокруг всех черных дыр.

В отличие от водоворота энергичных сталкивающихся частиц и полей, окружающих черные дыры, определили теоретики, крутая линия фотонного кольца несет прямую информацию о свойствах черной дыры, включая ее массу и величину вращения. «Это определенно самый красивый и убедительный способ действительно увидеть черную дыру», — говорит Строминджер.

Совместная работа астрономов, симуляторов и теоретиков показала, что реальная фотография EHT, на которой показана черная дыра в центре соседней галактики Мессье 87, недостаточно резкая, чтобы разглядеть фотонное кольцо, хотя оно недалеко. В статье 2020 года они утверждали, что будущие телескопы с более высоким разрешением должны легко видеть фотонные кольца. (В новой статье утверждается, что кольцо было найдено на изображении EHT 2019 года путем применения алгоритма удаления слоев из исходных данных, но это утверждение было встречено скептически.)

Тем не менее, так долго глядя на фотонные кольца в симуляциях, Строминджер и его коллеги начали задаваться вопросом, намекает ли их форма на еще более глубокий смысл.

Удивительная симметрия

Фотоны, которые совершают один разворот вокруг черной дыры, а затем устремляются к Земле, будут казаться нам единым световым кольцом. Фотоны, совершающие два разворота вокруг отверстия, выглядят как более слабое и тонкое подкольцо внутри первого кольца. А фотоны, совершающие три разворота, появляются как подкольцо внутри этого подкольца и так далее, создавая вложенные кольца, каждое из которых слабее и тоньше предыдущего.

Свет от внутренних подколец сделал больше оборотов и поэтому был захвачен раньше, чем свет от внешних подколец, что привело к серии снимков окружающей Вселенной с задержкой во времени. «Вместе набор подколец сродни кадрам фильма, отражающим историю видимой Вселенной, как она видна из черной дыры», — написала коллаборация в статье 2020 года.

Исследователи поняли, что концентрическая структура кольца наводит на мысль о группе симметрий, называемой конформной симметрией. Система с конформной симметрией демонстрирует «масштабную инвариантность», то есть она выглядит одинаково при увеличении или уменьшении масштаба. В этом случае каждое фотонное подкольцо является точной уменьшенной копией предыдущего подкольца. Более того, конформно-симметричная система остается неизменной при переносе вперед или назад во времени, а также при инвертировании, смещении и повторном инвертировании всех пространственных координат.

Строминджер столкнулся с конформной симметрией в 1990-х годах, когда она обнаружилась в пятимерной черной дыре особого типа, которую он изучал. Точно поняв детали этой симметрии, он и Кумрун Вафа нашли новый способ, чтобы связать общую теорию относительности с квантовым миром, по крайней мере, внутри этих экстремальных видов черных дыр. Они представили себе вырезание черной дыры и замену ее горизонта событий тем, что они назвали голографической пластиной, поверхностью, содержащей квантовую систему частиц, соблюдающих конформную симметрию. Они показали, что свойства системы соответствуют свойствам черной дыры, как если бы черная дыра была многомерной голограммой конформной квантовой системы. Таким образом, они построили мост между описанием черной дыры в соответствии с общей теорией относительности и ее квантово-механическим описанием.

В 1997 году Малдасена распространил тот же голографический принцип на всю игрушечную Вселенную. Он открыл «вселенную в бутылке», в которой конформно-симметричная квантовая система, живущая на поверхности бутылки, точно отображается на свойства пространства-времени и гравитации внутри бутылки. Это было так, как если бы интерьер был «вселенной», которая проецировалась из своей поверхности нижнего измерения, как голограмма.

Это открытие заставило многих теоретиков поверить в то, что реальная Вселенная — это голограмма. Загвоздка в том, что вселенная Малдасены в бутылке отличается от нашей. Она заполнена типом пространства-времени, которое имеет отрицательную кривизну, что придает ей подобную поверхности внешнюю границу. Наша Вселенная считается плоской, и теоретики имеют слабое представление о том, как выглядит голографический двойник плоского пространства-времени.

И поэтому группа решила изучить реалистичную вращающуюся черную дыру, находящуюся в плоском пространстве-времени, подобно тем, что были сфотографированы телескопом Event Horizon. «Первые вопросы, которые нужно задать: где живет голографический двойник? И каковы симметрии?» — говорит Хадар.

В поисках голографического двойника

Исторически конформная симметрия оказалась надежным помощником в поиске квантовых систем, голографически отображающихся на системы с гравитацией.

Начиная с описания вращающихся черных дыр в общей теории относительности, называемой метрикой Керра, группа начала искать намеки на конформную симметрию. Они представляли, как ударяют по черной дыре молотком, чтобы она зазвенела, как колокол. Эти медленно затухающие вибрации подобны гравитационным волнам, возникающим, скажем, при столкновении двух черных дыр. Черная дыра будет звенеть с некоторыми резонансными частотами, которые зависят от формы пространства-времени (то есть от метрики Керра), точно так же, как звон колокола зависит от его формы.

Выяснить точную картину колебаний невозможно, потому что метрика Керра очень сложна. Таким образом, команда аппроксимировала картину, рассматривая только высокочастотные вибрации, возникающие в результате очень сильного удара о черную дыру. Они заметили взаимосвязь между структурой волн при этих высоких энергиях и структурой фотонных колец черной дыры. Паттерн «оказывается, полностью управляется фотонным кольцом», — говорит Алекс Лупсаска из Инициативы Вандербильта по гравитации, волнам и жидкостям в Теннесси, который является соавтором новой статьи со Строминджером, Хадаром и Дэниелом Капеком из Гарварда.

Поворотный момент наступил летом 2020 года во время пандемии Covid-19. Доски и скамейки были установлены на траве возле физической лаборатории Джефферсона в Гарварде, и исследователи наконец-то смогли встретиться лично. Они выяснили, что подобно конформной симметрии, которая связывает каждое фотонное кольцо со следующим подкольцом, последовательные тона звенящей черной дыры связаны друг с другом конформной симметрией. По словам Строминджера, эта связь между фотонными кольцами и вибрациями черной дыры может быть «предвестником» голографии.

Другой ключ к тому, что фотонное кольцо может иметь особое значение, исходит из нелогичного отношения кольца к геометрии черной дыры. «Это очень, очень странно, — говорит Хадар. «Двигаясь по разным точкам фотонного кольца, вы на самом деле исследуете разные радиусы» или глубины черной дыры.

Эти открытия означают для Строминджера, что фотонное кольцо, а не горизонт событий, является «естественным кандидатом» на роль части голографической пластины вращающейся черной дыры.

Если это так, то может появиться новый способ представить, что происходит с информацией об объектах, попавших в черные дыры — давняя загадка, известная как информационный парадокс черных дыр. Недавние расчеты показывают, что эта информация каким-то образом сохраняется во Вселенной по мере того, как черная дыра медленно испаряется. Теперь Строминджер предполагает, что информация может храниться на голографической пластине. «Возможно, информация на самом деле не попадает в черную дыру, но она как бы остается в облаке вокруг черной дыры, которое, вероятно, простирается до фотонного кольца», — говорит он. «Но мы не понимаем, как это там закодировано или как именно это работает».

Обращение к теоретикам

Догадка Строминджера и компании о том, что голографический двойник живет внутри или вокруг фотонного кольца, была встречена некоторыми теоретиками квантовой гравитации со скептицизмом, считая это слишком смелой экстраполяцией конформной симметрии кольца. «Где живут голографические двойники — это гораздо более глубокий вопрос, чем вопрос: что такое симметрия?» говорит Дэниел Харлоу, специалист по квантовой гравитации и теории черных дыр из Массачусетского технологического института. Хотя он выступает за дальнейшие исследования этого вопроса, Харлоу подчеркивает, что убедительная голографическая двойственность в данном случае должна показывать, как свойства фотонного кольца, такие как орбиты и частоты отдельных фотонов, математически отображаются на мелкозернистой основе квантовых деталей черной дыры.

Тем не менее, несколько экспертов заявили, что новое исследование предлагает полезные размышления: двойник должен уметь кодировать необычный образец вибрации вращающейся черной дыры после того, как по ней ударили, как по колоколу. «Требование, чтобы квантовая система, описывающая черную дыру, воспроизводила всю эту сложность, является невероятно сильным ограничением, и мы никогда раньше не пытались его использовать», — говорит Строминджер. Ева Сильверстайн, физик-теоретик из Стэнфордского университета, отметила: «Похоже, это очень хорошая часть теоретических данных, которую люди могут попытаться воспроизвести при попытке описания голографического двойника».

Малдасена согласился, сказав: «Хотелось бы понять, как включить это в голографического двойника. Так что это, вероятно, будет стимулировать некоторые исследования в этом направлении».

Мэлони подозревает, что новооткрытая симметрия фотонного кольца вызовет интерес как у теоретиков, так и у наблюдателей. Если ожидаемые обновления телескопа Event Horizon будут профинансированы, он может начать обнаруживать фотонные кольца в течение нескольких лет.

Будущие измерения этих колец не будут напрямую проверять голографию — скорее, данные позволят провести экстремальные проверки общей теории относительности вблизи черных дыр. Теоретикам предстоит определить с помощью бумажных расчетов, может ли структура бесконечных световых ловушек вокруг черных дыр математически зашифровать секреты внутри.

OlgaM
Перейти к блогу автора
Комментарии