光子がブラック ホールに向かって突進するとき、ほとんどはブラック ホールの深部に吸い込まれ、二度と戻らないか、そっとそらされます。ただし、まれに、一連の突然の U ターンを行って穴を回避する人もいます。これらの光子の一部は、事実上永遠にブラック ホールを周回し続けます。
天体物理学者によって「宇宙映画カメラ」および「無限光トラップ」と表現された、結果として生じる軌道を周回する光子のリングは、自然界で最も奇妙な現象の 1 つです。光子を検出すると、「宇宙のすべての物体を無限に何度も見ることになります」と、アリゾナ大学の物理学者 Sam Gralla は述べています。
しかし、ブラック ホールの象徴的な事象の地平線 (重力が非常に強いため、何も逃げることができない境界) とは異なり、ホールのさらに遠くを周回するフォトン リングは、理論家の注目を集めました。事象の地平線は宇宙に関する彼らの知識の限界を示しているため、研究者が事象の地平線に夢中になっていることは理にかなっています。アルバート アインシュタインの一般相対性理論で説明されているように、ほとんどの宇宙では、重力は空間と時間の曲線を描いて追跡します。しかし、時空はブラックホールの内部で大きくゆがみ、そこで一般相対性理論は破綻します。したがって、重力のより正確な量子記述を求める量子重力理論家は、答えを求めて地平線に目を向けてきました。
ハーバード大学の主要なブラック ホールおよび量子重力理論家であるアンドリュー ストロミンガーは、次のように述べています。 「そして、私は光子リングをある種の技術的で複雑なものであり、深い意味を持たないと考えていました。」
現在、ストロミンジャーは自分自身の方向転換を行い、他の理論家たちに彼に加わるよう説得しようとしています。 「私たちは興奮して、光子リングがカー ブラック ホールの秘密を解き明かすために理解する必要があるものである可能性を探っています」 . (フォトンリングが同時に形成されます。)
5 月にオンラインで投稿され、最近 Classical Quantum Gravity に掲載された論文 、Strominger と彼の共同研究者は、回転するブラック ホールの周りの光子リングが予想外の種類の対称性を持っていることを明らかにしました。この対称性は、リングがホールの量子構造に関する情報をエンコードしている可能性があることを示唆しています。 「この対称性は、ブラック ホールの量子ダイナミクスを理解するという中心的な問題と関係があるようです」と彼は言いました。この発見により、研究者はフォトン リングがブラック ホールの「ホログラフィック デュアル」の一部であるかどうかについて議論するようになりました。この量子システムは、ブラック ホール自体とまったく同等であり、ブラック ホールは同様のものから出現すると考えられます。ホログラム。
「これは、これらの [ブラック ホール] ジオメトリのホログラフィーを理解するための非常に興味深い道を開きます」と、カナダのマギル大学の理論家である Alex Maloney 氏は述べていますが、この研究には関与していません。 「新しい対称性は、事象の地平線から遠く離れたブラック ホールの構造を整理します。これは非常に興味深いことだと思います。」
光子リングがブラック ホールの内部内容をエンコードしているかどうか、またはどのような方法でエンコードしているかを研究者が確実に判断するには、さらに多くの理論的研究が必要です。しかし、少なくとも理論家は、この新しい論文は、ブラック ホールのホログラフィック デュアルであると主張するあらゆる量子システムの正確なテストを詳述していると述べています。 「これは、ホログラフィック記述のターゲットです」と、ホログラフィの元のアーキテクトの 1 人である、ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の Juan Maldacena は述べています。
フォトン リングに隠れる
フォトン リングの魅力の 1 つは、事象の地平線とは異なり、実際に目に見えることです。実際、ストロミンジャーがこれらの環に向かって U ターンしたのは、写真が原因でした。これは、史上初のブラック ホールの画像です。イベント ホライズン テレスコープ (EHT) が 2019 年にそれを公開したとき、「私は泣きました」と彼は言いました。 「驚くほど美しい」
高揚感はすぐに混乱に陥りました。画像のブラック ホールの周りには太い光の輪がありましたが、EHT チームの物理学者は、この光が穴の混沌とした周囲環境の産物なのか、それともブラック ホールのフォトン リングが含まれているのかを知りませんでした。彼らは、ストロミンジャーと彼の理論家の同僚に、画像の解釈を手伝ってもらいました。彼らは一緒に、EHT チームがブラック ホールの周りで光を生成する物理プロセスを解明するために使用していたコンピューター シミュレーションの膨大なデータバンクを参照しました。これらのシミュレートされた画像では、大きくぼんやりしたオレンジ色のドーナツ状の光に埋め込まれた、薄くて明るい輪を見ることができました。
「すべてのシミュレーションを見ると、それを見逃すことはできません」と、ハーバード在学中にストロミンジャーおよび EHT 物理学者と共同研究を行った、イスラエルのハイファ大学のシャハル ハダールは述べています。フォトン リングの形成は、すべてのブラック ホールの周囲で起こる「普遍的な効果」のように思われる、と Hadar 氏は述べた。
ブラック ホールを取り囲むエネルギッシュな衝突粒子とフィールドの大混乱とは異なり、理論家は、光子リングの鋭い線が、ブラック ホールの質量やスピンの量などの特性に関する直接的な情報を運ぶと判断しました。 「これは間違いなく、ブラック ホールを実際に見る最も美しく説得力のある方法です」と Strominger 氏は述べています。
天文学者、シミュレーター、理論家の協力により、近くの銀河メシエ 87 の中心にあるブラック ホールを示す EHT の実際の写真は、遠く離れていませんが、フォトン リングを解決するのに十分なほど鮮明ではないことがわかりました。彼らは 2020 年の論文で、将来の高解像度望遠鏡は光子リングを簡単に見ることができるはずだと主張しました。 (新しい論文は、アルゴリズムを適用して元のデータからレイヤーを削除することにより、EHT の 2019 年の画像でリングを発見したと主張していますが、この主張には懐疑的な意見が寄せられています。)
それでも、シミュレーションでフォトン リングを長い間見つめてきたストロミンジャーと彼の同僚たちは、その形状がさらに深い意味を暗示しているのではないかと考え始めました。
驚くべき対称性
ブラック ホールの周りを 1 回 U ターンしてから地球に向かう光子は、私たちには 1 つの光の輪のように見えます。穴の周りを 2 回 U ターンする光子は、最初のリング内のより薄く薄いサブリングとして表示されます。そして、3 つの U ターンを行う光子は、そのサブリング内のサブリングとして表示され、同様に、ネストされたリングを作成し、それぞれが最後のリングよりも薄く、薄くなります。
内側のサブリングからの光はより多くの軌道を作ったため、外側のサブリングからの光よりも前に捕捉され、周囲の宇宙の一連の時間遅延スナップショットが得られました。 「全体として、サブリングのセットは映画のフレームに似ており、ブラック ホールから見た目に見える宇宙の歴史を捉えています」とコラボレーションは 2020 年の論文に書いています。
ストロミンジャー氏は、彼と彼の共同研究者が EHT の写真を見たとき、次のように言いました。ホログラフィック デュアルが生きている場所ではないでしょうか?」
研究者たちは、リングの同心構造が等角対称性と呼ばれる対称性のグループを示唆していることに気付きました。共形対称性を持つシステムは「スケール不変性」を示します。つまり、ズームインしてもズームアウトしても同じように見えます。この場合、各光子サブリングは、前のサブリングの正確な縮小コピーです。さらに、共形対称システムは、時間を前後に変換したり、すべての空間座標を反転したり、シフトしたり、再度反転したりしても同じままです。
ストロミンジャーは、1990 年代に、彼が研究していた特別な種類の 5 次元ブラック ホールで共形対称性が現れたときに、共形対称性に遭遇しました。この対称性の詳細を正確に理解することにより、彼とCumrun Vafaは、少なくともこれらの極端な種類のブラックホール内で、一般相対性理論を量子世界に接続する新しい方法を発見しました.彼らは、ブラック ホールを切り取って、その事象の地平線をホログラフィック プレートと呼ぶもの、共形対称性を尊重する粒子の量子システムを含む表面に置き換えることを想像しました。彼らは、あたかもブラック ホールが等角量子系の高次元ホログラムであるかのように、システムの特性がブラック ホールの特性に対応することを示しました。このようにして、彼らは一般相対性理論によるブラック ホールの記述とその量子力学的記述との間に架け橋を築きました。
1997 年、Maldacena はこの同じホログラフィック原理をおもちゃの世界全体に拡張しました。彼は「ボトルの中の宇宙」を発見しました。この宇宙では、ボトルの表面に存在する等角対称の量子システムが、ボトルの内部の時空と重力の特性に正確にマッピングされています。あたかも内部がホログラムのように低次元の表面から投影された「宇宙」であるかのようでした.
この発見により、多くの理論家は、現実の宇宙はホログラムであると信じるようになりました。問題は、ボトル内のマルダセナの宇宙が私たちのものとは異なることです.負に曲がったタイプの時空で満たされているため、表面のような外側の境界が得られます。私たちの宇宙は平らであると考えられており、理論家は平らな時空のホログラフィック双対がどのように見えるかについてほとんどわかっていません. 「これらの仮想世界から学んだことからインスピレーションを得ながら、現実の世界に戻る必要があります」と Strominger 氏は述べています。
そこでグループは、イベント ホライズン テレスコープで撮影されたもののように、平らな時空にある現実的な回転ブラック ホールを研究することにしました。 「最初に尋ねる質問は、ホログラフィック デュアルはどこにあるのかということです。そして、対称性は何ですか？」
ホログラフィック デュアルを探しています
歴史的に、共形対称性は、重力のあるシステムにホログラフィックにマッピングされる量子システムの検索における信頼できるガイドであることが証明されています。 「共形対称性とブラック ホールを同じ文で量子重力理論家に言うのは、犬の前で赤身の肉を振るようなものです」と Strominger 氏は述べています。
カー計量と呼ばれる一般相対性理論における回転するブラック ホールの記述から始めて、グループは共形対称性のヒントを探し始めました。彼らは、ブラックホールをハンマーで叩いてベルのように鳴らすことを想像しました。これらのゆっくりと減衰する振動は、たとえば 2 つのブラック ホールが衝突したときに生じる重力波のようなものです。ブラック ホールは、ベルの鳴る音がその形状に依存するのと同様に、時空の形状 (つまり、カー計量) に依存するいくつかの共鳴周波数で鳴ります。
カー計量は非常に複雑であるため、振動の正確なパターンを把握することは不可能です。そのためチームは、ブラック ホールに非常に強く衝突することによって生じる高周波振動のみを考慮して、パターンを概算しました。彼らは、これらの高エネルギーでの波のパターンとブラック ホールのフォトン リングの構造との間に関係があることに気付きました。このパターンは「フォトン リングによって完全に支配されていることが判明しました」と、ハーバード大学の Strominger、Hadar、Daniel Kapec と共同で新しい論文を執筆したテネシー州の Vanderbilt Initiative for Gravity, Waves and Fluids の Alex Lupsasca 氏は述べています。
2020 年の夏、Covid-19 パンデミックの最中に極めて重要な瞬間が訪れました。ハーバード大学のジェファーソン物理学研究室の外の芝生に黒板とベンチが設置され、研究者たちはついに直接会うことができました。彼らは、各フォトンリングを次のサブリングに関連付ける等角対称性と同様に、リングブラックホールの連続するトーンが等角対称性によって互いに関連していることを発見しました。このフォトン リングとブラック ホールの振動との関係は、ホログラフィーの「前触れ」になる可能性がある、と Strominger 氏は述べています。
光子リングが特別な意味を持つかもしれないというもう 1 つの手がかりは、リングがブラック ホールの幾何学に関連する直感に反する方法から得られます。 「とても、とても奇妙です」とHadarは言いました。 「フォトン リング上のさまざまなポイントに沿って移動すると、実際にはさまざまな半径」またはブラック ホールの深さを調べています。
これらの発見は、事象の地平線ではなく、フォトン リングが、回転するブラック ホールのホログラフィック プレートの一部の「自然な候補」であることをストロミンガーに示唆しています。
もしそうなら、ブラック ホールに落ちた物体に関する情報に何が起こるかを描く新しい方法があるかもしれません。これは、ブラック ホール情報のパラドックスとして知られる長年の謎です。最近の計算では、ブラック ホールがゆっくりと蒸発するときに、この情報が宇宙によって何らかの形で保存されていることが示されています。 Strominger は現在、情報がホログラフィック プレートに保存されている可能性があると推測しています。 「おそらく、情報は実際にはブラック ホールに落ち込むわけではありませんが、ブラック ホールの外側にある雲の中にとどまり、おそらく光子リングまで広がっているのでしょう」と彼は言いました。 「しかし、それがどのようにコード化されているか、または正確にどのように機能するかはわかりません。」
理論家への呼びかけ
ストロミンジャーとその会社の予感は、ホログラフィック双対がフォトン リング内またはその周辺に存在するというもので、一部の量子重力理論家は懐疑的な見方を示しています。 「ホログラフィックの二重生活は、対称性とは何かよりもはるかに深い問題です。」マサチューセッツ工科大学の量子重力とブラック ホールの理論家である Daniel Harlow は、次のように述べています。彼はこの問題に関するさらなる研究に賛成していますが、この場合、説得力のあるホログラフィック二重性は、個々の光子の軌道や周波数などの光子リングの特性がどのように微細化されたリングに数学的にマッピングされるかを示さなければならないことを強調しています。ブラックホールの量子詳細。
それにもかかわらず、何人かの専門家は、新しい研究は、提案されたホログラフィックデュアルが通さなければならない有用な針を提供する. 「ブラックホールを説明する量子システムがその複雑さをすべて再現することを要求することは、信じられないほど強力な制約であり、これまで悪用しようとしたことはありません」と Strominger 氏は述べています。スタンフォード大学の理論物理学者である Eva Silverstein は、「ホログラフィック二重記述を試みたときに、人々が再現しようとする非常に優れた理論データのように思えます」と述べています。
Maldacena 氏は、「これをホログラフィック デュアルに組み込む方法を理解したいと考えています。したがって、おそらくその方向の研究が刺激されるでしょう。」
Maloney は、フォトン リングの新たな対称性が、理論家と観測者の両方の関心を刺激するのではないかと考えています。イベント ホライズン テレスコープへの期待されるアップグレードに資金が提供されれば、数年以内にフォトン リングの検出が開始される可能性があります。
ただし、これらのリングの将来の測定では、ホログラフィーを直接テストすることはできません。むしろ、データにより、ブラック ホールの近くでの一般相対性理論の極端なテストが可能になります。ブラック ホールの周りにある無限のライト トラップの構造が内部の秘密を数学的に暗号化できるかどうかをペンと紙の計算で判断するのは、理論家次第です。
