Inelul de fotoni al unei gauri negre ii cripteaza secretele

Fizicienii au descoperit ca inelul de fotoni care orbiteaza o gaura neagra prezinta un tip special de simetrie, sugerand o semnificatie mai profunda.

Cu alte cuvinte, inelul de lumina, care straluceste in portocaliu in jurul unei gauri negre, contine o succesiune de imagini ale intregului univers.

Cand fotonii se indreapta spre o gaura neagra, cei mai multi sunt absorbiti in adancurile acesteia, pentru a nu se mai intoarce niciodata sau sunt indepartati usor.

Cativa dintre acestia, totusi, ocolesc gaura, facand o serie de intoarceri bruste in forma de U. Unii dintre acesti fotoni continua sa inconjoare gaura neagra practic pentru totdeauna.

Descris de astrofizicieni ca o „camera de film cosmica” si o „capcana de lumina infinita”, inelul de fotoni care orbiteaza gaura neagra este unul dintre cele mai ciudate fenomene din natura.

Daca detectezi fotonii, „vei vedea fiecare obiect din univers de nenumarate ori”, a spus Sam Gralla, fizician la Universitatea din Arizona.

Dar, spre deosebire de orizontul evenimentului – granita in interiorul careia gravitatia este atat de puternica incat nimic nu poate scapa – inelul de fotoni, care orbiteaza mai departe, nu a primit niciodata prea multa atentie din partea teoreticienilor.

Este logic ca cercetatorii au fost preocupati de orizontul evenimentului, deoarece acesta marcheaza marginea cunostintelor lor despre univers.

In cea mai mare parte a cosmosului, gravitatia determina curbe in spatiu si timp, asa cum este descris de teoria generala a relativitatii a lui Albert Einstein.

Dar spatiu-timpul se deformeaza atat de mult in interiorul gaurilor negre, incat relativitatea generala se destrama acolo.

Teoreticienii gravitatiei cuantice care cauta o descriere mai adevarata, cuantica a gravitatiei, au cautat, prin urmare, raspunsuri la orizontul evenimentului.

„Am considerat ca orizontul evenimentului era ceea ce trebuia sa intelegem”, a spus Andrew Strominger, un teoretician de seama a gaurii negre si a gravitatiei cuantice la Universitatea Harvard. „Si m-am gandit la inelul de fotoni ca la un fel de lucru tehnic, complicat, care nu avea nicio semnificatie profunda.”

Inelul de fotoni si structura cuantica a unei gauri negre

Acum Strominger isi face propriul traseu in forma de U intors si incearca sa-i convinga si pe alti teoreticieni sa i se alature.

„Exploram, incantati, posibilitatea ca inelul de fotoni sa fie lucrul pe care trebuie sa-l intelegem pentru a dezvalui secretele gaurilor negre de tip Kerr”, a spus el, referindu-se la tipul de gauri negre care se rotesc si care sunt create atunci cand stelele mor si se prabusesc gravitational (inelul de fotoni se formeaza concomitent).

Intr-o lucrare postata online in luna mai si acceptata recent pentru publicare in Classical Quantum Gravity, Strominger si colaboratorii sai au dezvaluit ca inelul de fotoni din jurul unei gauri negre care se roteste are un tip neasteptat de simetrie – o modalitate prin care poate fi transformat ramanand totusi neschimbat.

Simetria sugereaza ca inelul poate codifica informatii despre structura cuantica a gaurii negre. „Aceasta simetrie este legata de problema centrala a intelegerii dinamicii cuantice a gaurilor negre”, a spus el.

Descoperirea i-a determinat pe cercetatori sa dezbata daca inelul de fotoni ar putea chiar sa faca parte din „dualul holografic” al unei gauri negre – un sistem cuantic care este echivalent cu gaura neagra insasi (o holograma).

„Deschide o cale foarte interesanta pentru intelegerea holografiei acestor geometrii ale gaurilor negre”, a spus Alex Maloney, un teoretician la Universitatea McGill din Canada, care nu a fost implicat in cercetare.

„Noua simetrie organizeaza structura gaurilor negre departe de orizontul evenimentului si cred ca este foarte interesant.”

Este nevoie de mult mai mult studiu teoretic inainte ca cercetatorii sa poata spune cu siguranta daca, sau in ce mod, inelul de fotoni codifica continutul interior al unei gauri negre.

Dar cel putin, teoreticienii spun ca noua lucrare a detaliat un test precis pentru orice sistem cuantic care pretinde a fi dualul holografic al gaurii negre.

„Este o tinta pentru o descriere holografica”, a spus Juan Maldacena de la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton, New Jersey, unul dintre arhitectii originali ai holografiei.

Ascuns in inelul de fotoni

O parte din entuziasmul legat de inelul fotonic este ca, spre deosebire de orizontul evenimentului, acesta este vizibil.

De fapt, intoarcerea lui Strominger catre aceste inele a avut loc datorita unei fotografii: prima imagine a unei gauri negre. Cand Telescopul Event Horizon (EHT) l-a dezvaluit in 2019, „Am plans”, a spus el. „Este uimitor de frumos.”

Exprimarea s-a transformat curand in confuzie. Gaura neagra din imagine avea un inel gros de lumina in jurul ei, dar fizicienii echipei EHT nu stiau daca aceasta lumina era produsul mediului haotic inconjurator al gaurii sau daca includea inelul de fotoni al gaurii negre.

S-au dus la Strominger si la colegii sai teoreticieni pentru ajutor in interpretarea imaginii. Impreuna, au rasfoit banca de date uriasa de simulari pe computer pe care echipa EHT o folosea pentru a dezlega procesele fizice care produc lumina in jurul gaurilor negre.

In aceste imagini simulate, ei au putut vedea inelul subtire si stralucitor incorporat in gogoasa de lumina portocalie mai mare si mai neclara.

„Cand te uiti la toate simularile, nu le poti rata”, a spus Shahar Hadar de la Universitatea din Haifa din Israel, care a colaborat cu Strominger si fizicienii EHT la cercetare in timp ce era la Harvard. Formarea inelului fotonic pare a fi un „efect universal” care are loc in jurul tuturor gaurilor negre, a spus Hadar.

Spre deosebire de valtoarea de particule energetice si campuri care se ciocnesc din jurul gaurilor negre, teoreticienii au determinat linia ascutita a inelului fotonic contine informatii directe despre proprietatile gaurii negre, inclusiv masa si cantitatea de rotatie.

„Este cu siguranta cel mai frumos si mai convingator mod de a vedea cu adevarat gaura neagra”, a spus Strominger.

In urma colaborarii astronomilor, experimentatorilor si teoreticienilor s-a descoperit ca fotografia reala a EHT, care arata gaura neagra din centrul galaxiei din apropiere Messier 87, nu este suficient de clara pentru a rezolva inelul de fotoni, desi nu este departe.

Ei au sustinut intr-o lucrare din 2020 ca viitoarele telescoape cu rezolutie mai mare ar trebui sa vada cu usurinta inele de fotoni.

O noua lucrare sustine ca a gasit inelul in imaginea EHT din 2019 prin aplicarea unui algoritm pentru a elimina straturi din datele originale, dar afirmatia a fost intampinata cu scepticism.

Totusi, dupa ce s-au uitat la inele de fotoni atat de mult in timpul simularilor, Strominger si colegii sai au inceput sa se intrebe daca forma lor sugereaza un sens si mai profund.

O simetrie surprinzatoare

Fotonii care fac o singura intoarcere in U in jurul unei gauri negre si apoi se indreapta spre Pamant ne vor aparea ca un singur inel de lumina.

Fotonii care fac doua intoarceri in U in jurul gaurii apar ca un subinel mai slab si mai subtire in primul inel. Iar fotonii care fac trei intoarceri in U apar ca un subinel in cadrul acelui subinel si asa mai departe, creand inele imbricate, fiecare mai slab si mai subtire decat precedentul.

Lumina din subinelele interioare a facut mai multe orbite si, prin urmare, a fost capturata inaintea luminii din subinelele exterioare, rezultand o serie de instantanee cu intarziere in timp ale universului inconjurator.

„Impreuna, setul de subring-uri seamana cu cadrele unui film, surprinzand istoria universului vizibil vazut din gaura neagra”, au scris colaboratorii in lucrarea din 2020.

Strominger a spus ca atunci cand el si colaboratorii sai s-au uitat la imaginile EHT, „ne-am spus: Hei, exista un numar infinit de copii ale universului chiar acolo, pe acel ecran? Nu ar putea fi acolo unde se gaseste dualul holografic?”

Cercetatorii au realizat ca structura concentrica a inelului sugereaza un grup de simetrii numit simetrie conforma.

Un sistem care are simetrie conforma prezinta „invarianta la scara”, ceea ce inseamna ca arata la fel atunci cand se mareste sau se micsoreaza.

In acest caz, fiecare subinel de fotoni este o copie exacta, marita, a subringului anterior. Mai mult, un sistem simetric conform ramane acelasi atunci cand este translatat inainte sau inapoi in timp si cand toate coordonatele spatiale sunt inversate, deplasate si apoi inversate din nou.

O noua modalitate de a conecta relativitatea generala la lumea cuantica

Strominger a intalnit simetria conforma in anii 1990, cand a aparut intr-un tip special de gaura neagra cu cinci dimensiuni pe care o studia.

Intelegand cu precizie detaliile acestei simetrii, el si Cumrun Vafa au gasit o modalitate noua de a conecta relativitatea generala la lumea cuantica, cel putin in interiorul acestor tipuri extreme de gauri negre.

Ei si-au imaginat taierea gaurii negre si inlocuirea orizontului ei de evenimente cu ceea ce ei au numit o placa holografica, o suprafata care contine un sistem cuantic de particule care respecta simetria conforma.

Ei au aratat ca proprietatile sistemului corespund proprietatilor gaurii negre, ca si cum gaura neagra ar fi o holograma de dimensiuni mai mari a sistemului cuantic conform.

In acest fel, au construit o punte intre descrierea unei gauri negre conform relativitatii generale si descrierea ei din perspectiva mecanicii cuantice.

In 1997, Maldacena a extins acelasi principiu holografic la un intreg univers de jucarii. El a descoperit un „univers intr-o sticla”, in care un sistem cuantic simetric conform care traieste pe suprafata sticlei s-a mapat exact pe proprietatile spatiu-timp si ale gravitatiei din interiorul sticlei.

Era ca si cum interiorul ar fi un „univers” care se proiecta de pe suprafata sa de dimensiuni inferioare ca o holograma.

Descoperirea i-a determinat pe multi teoreticieni sa creada ca universul real este o holograma. Problema este ca universul Maldacenei intr-o sticla difera de al nostru.

Este umplut cu un tip de spatiu-timp care este curbat negativ, ceea ce ii confera o limita exterioara asemanatoare suprafetei.

Se crede ca universul nostru este plat, iar teoreticienii nu au nicio idee cum arata dualul holografic al spatiu-timp plat.

„Trebuie sa ne intoarcem in lumea reala, in timp ce ne inspiram din ceea ce am invatat din aceste lumi ipotetice”, a spus Strominger.

Asa ca grupul a decis sa studieze o gaura neagra realista care se invarte in spatiu-timp plat, ca cele fotografiate de Telescopul Event Horizon.

„Primele intrebari care trebuie puse sunt: Unde se afla dualul holografic? Si care sunt simetriile?” a spus Hadar.

In cautarea dualului holografic guvernat de inelul de fotoni

Din punct de vedere istoric, simetria conforma s-a dovedit un ghid de incredere in cautarea sistemelor cuantice care se mapeaza holografic pe sistemele gravitationale.

„A spune simetrie conforma si gaura neagra in aceeasi propozitie unui teoretician al gravitatiei cuantice este ca si cum ai flutura carne rosie in fata unui caine”, a spus Strominger.

Pornind de la descrierea gaurilor negre care se rotesc in relativitatea generala, numita metrica Kerr, grupul a inceput sa caute indicii de simetrie conforma.

Si-au imaginat lovind gaura neagra cu un ciocan pentru a o face sa sune ca un clopotel. Aceste vibratii care se estompeaza incet sunt ca undele gravitationale create atunci cand, sa zicem, doua gauri negre se ciocnesc.

Gaura neagra va suna cu niste frecvente de rezonanta care depind de forma spatiu-timpului (adica de metrica Kerr), la fel cum tonurile de apel ale unui clopot depind de forma acestuia.

Determinarea modelului exact al vibratiilor este imposibila, deoarece metrica Kerr este foarte complicata. Astfel, echipa a aproximat modelul luand in considerare doar vibratiile de inalta frecventa, care rezulta din lovirea foarte puternica a gaurii negre.

Ei au observat o relatie intre modelul undelor la aceste energii inalte si structura inelelor fotonice ale gaurii negre.

Modelul „se dovedeste a fi complet guvernat de inelul de fotoni”, a spus Alex Lupsasca de la Vanderbilt Initiative for Gravity, Waves and Fluids din Tennessee, care a fost coautor al noii lucrari impreuna cu Strominger, Hadar si Daniel Kapec de la Harvard.

Un prevestitor al holografiei

Un moment crucial a venit in vara lui 2020, in fata laboratorului de fizica Jefferson de la Harvard, cand cercetatorii s-au putut intalni in sfarsit personal.

Ei au descoperit ca, la fel ca simetria conforma care leaga fiecare inel fotonic de urmatorul subinel, tonurile succesive ale unei gauri negre care suna sunt legate intre ele prin simetrie conforma.

Aceasta relatie dintre inelele fotonice si vibratiile gaurii negre ar putea fi un „prevestitor” al holografiei, a spus Strominger.

Un alt indiciu ca inelul de fotoni poate avea o semnificatie speciala vine din modul contraintuitiv in care inelul se raporteaza la geometria gaurii negre.

„Este foarte, foarte ciudat”, a spus Hadar. „Pe masura ce va deplasati de-a lungul diferitelor puncte ale inelului fotonic, de fapt sondati diferite raze” sau adancimi in gaura neagra.

Aceste descoperiri ii sugereaza lui Strominger ca inelul fotonic, mai degraba decat orizontul evenimentului, este un „candidat natural” pentru o parte a placii holografice a unei gauri negre care se roteste.

Daca este asa, ar putea exista o noua modalitate de a imagina ce se intampla cu informatiile despre obiectele care cad in gaurile negre – un mister de lunga durata cunoscut sub numele de paradoxul informatiilor despre gaurile negre.

Calcule recente indica faptul ca aceasta informatie este oarecum pastrata de univers pe masura ce o gaura neagra se evapora incet.

Strominger speculeaza acum ca informatiile ar putea fi stocate pe placa holografica. „Poate ca informatiile nu intra cu adevarat in gaura neagra, dar raman intr-un fel intr-un nor in afara gaurii negre, care probabil se extinde pana la inelul de fotoni”, a spus el.

„Dar nu intelegem inca cum este codificat acolo sau exact cum functioneaza.”

Un apel catre teoreticieni

Banuiala lui Strominger ca dualul holografic se afla in sau in jurul inelului fotonic a fost intampinata cu scepticism de unii teoreticieni ai gravitatiei cuantice, care o considera o extrapolare prea indrazneata din simetria conforma a inelului.

„Unde se afla dualul holografic este o intrebare mult mai profunda decat: Care este simetria?” a spus Daniel Harlow, un teoretician al gravitatiei cuantice si al gaurilor negre la Institutul de Tehnologie din Massachusetts.

Desi este in favoarea cercetarilor ulterioare pe aceasta problema, Harlow subliniaza ca o dualitate holografica convingatoare, in acest caz, trebuie sa arate modul in care proprietatile inelului fotonic, cum ar fi orbitele si frecventele fotonilor individuali, se mapeaza matematic pe detaliile cuantice tip granulatie fina ale gaurii negre.

Cu toate acestea, mai multi experti au afirmat ca noua cercetare ofera un reper util pe care orice dual holografic propus trebuie sa il urmeze: dualul trebuie sa poata codifica modelul de vibratii neobisnuit al unei gauri negre care se roteste dupa ce a fost lovita ca un clopot.

„A cere sistemului cuantic care descrie gaura neagra sa reproduca toata aceasta complexitate este o constrangere incredibil de puternica – si una pe care nu am incercat niciodata sa o exploatam pana acum”, a spus Strominger.

Eva Silverstein, un fizician teoretician la Universitatea Stanford, a spus: „Pare un calup foarte frumos de date teoretice pe care oamenii de stiinta sa incerce sa le reproduca atunci cand incearca o descriere dubla holografica”.

Maldacena a fost de acord, spunand: „Multi ar dori sa inteleaga cum sa incorporam acest lucru intr-un dual holografic. Deci, probabil ca vor stimula unele cercetari in aceasta directie.”

Maloney banuieste ca noua simetrie a inelului fotonic va stimula interesul atat in randul teoreticienilor, cat si al observatorilor. Daca upgrade-urile sperate ale Telescopului Event Horizon sunt finantate, acesta ar putea incepe sa detecteze inele de fotoni in cativa ani.

Masuratorile viitoare ale acestor inele nu vor testa in mod direct holografia, datele vor permite teste extreme de relativitate generala in apropierea gaurilor negre.

Depinde de teoreticieni sa determine cu ajutorul calculelor pe hartie daca structura capcanelor infinite de lumina din jurul gaurilor negre poate cripta matematic secretele din interior.

Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!

Sursa: quantamagazine.org, realclearscience.com, ias.edu.

Foto: Event Horizon Telescope Collaboration.

Video: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.

Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.

Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.

Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.