O anel de luz em órbita de um buraco negro pode criptografar seus segredos internos

Os físicos descobriram que o anel de fótons orbitando um buraco negro exibe um tipo especial de simetria, sugerindo um significado mais profundo.

O anel de fótons, que brilha em laranja nesta visualização da luz fluindo ao redor de um buraco negro, contém uma sucessão de imagens de todo o universo. Olena Shmahalo para a Revista Quanta; Fonte: Goddard Space Flight Center da NASA/Jeremy Schnittman

Quando os fótons são arremessados em direção a um buraco negro, a maioria é sugada para suas profundezas, para nunca mais retornar, ou suavemente desviada. Alguns raros, no entanto, contornam o buraco, fazendo uma série de reviravoltas abruptas. Alguns desses fótons continuam circulando o buraco negro praticamente para sempre.

Descrito pelos astrofísicos como uma “câmera de filme cósmico” e uma “armadilha de luz infinita”, o anel resultante de fótons em órbita está entre os fenômenos mais estranhos da natureza. Se você detectar os fótons, “você verá todos os objetos no universo infinitas vezes”, disse Sam Gralla, físico da Universidade do Arizona.

Mas, ao contrário do horizonte de eventos icônico de um buraco negro – o limite dentro do qual a gravidade é tão forte que nada pode escapar – o anel de fótons, que orbita o buraco mais distante, nunca recebeu muita atenção dos teóricos. Faz sentido que os pesquisadores tenham se preocupado com o horizonte de eventos, já que marca o limite de seu conhecimento sobre o universo. Na maior parte do cosmos, a gravidade segue curvas no espaço e no tempo, conforme descrito pela teoria geral da relatividade de Albert Einstein. Mas o espaço-tempo distorce tanto dentro dos buracos negros que a relatividade geral se desfaz lá. Os teóricos da gravidade quântica que buscam uma descrição quântica mais verdadeira da gravidade, portanto, olharam para o horizonte em busca de respostas.

“Eu achava que o horizonte de eventos era o que precisávamos entender”, disse Andrew Strominger, um dos principais teóricos de buracos negros e gravidade quântica da Universidade de Harvard. “E eu pensei no anel de fótons como algum tipo de coisa técnica e complicada que não tinha nenhum significado profundo.”

Agora Strominger está fazendo sua própria inversão de marcha e tentando convencer outros teóricos a se juntarem a ele. “Estamos explorando com entusiasmo a possibilidade de que o anel de fótons seja o que você precisa entender para desvendar os segredos dos buracos negros de Kerr”, disse ele, referindo-se ao tipo de buraco negro giratório criado quando as estrelas morrem e colapsam gravitacionalmente. . (O anel de fótons se forma simultaneamente.)

Em um artigo publicado online em maio e recentemente aceito para publicação na Classical Quantum Gravity, Strominger e seus colaboradores revelaram que o anel de fótons ao redor de um buraco negro giratório tem um tipo inesperado de simetria – uma maneira de ser transformado e ainda permanecer o mesmo. . A simetria sugere que o anel pode codificar informações sobre a estrutura quântica do buraco. “Essa simetria cheira a algo a ver com o problema central de entender a dinâmica quântica dos buracos negros”, disse ele. A descoberta levou os pesquisadores a debater se o anel de fótons pode até fazer parte do “dual holográfico” de um buraco negro – um sistema quântico que é exatamente equivalente ao próprio buraco negro, e no qual o buraco negro pode ser pensado como emergente. um holograma.

“Isso abre um caminho muito interessante para entender a holografia dessas geometrias [de buracos negros]”, disse Alex Maloney, teórico da Universidade McGill, no Canadá, que não esteve envolvido na pesquisa. “A nova simetria organiza a estrutura dos buracos negros longe do horizonte de eventos, e acho isso muito empolgante.”

Muito mais estudos teóricos são necessários antes que os pesquisadores possam dizer com certeza se, ou de que maneira, o anel de fótons codifica o conteúdo interno de um buraco negro. Mas, no mínimo, os teóricos dizem que o novo artigo detalhou um teste preciso para qualquer sistema quântico que afirme ser o dual holográfico do buraco negro. “É um alvo para uma descrição holográfica”, disse Juan Maldacena, do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, Nova Jersey, um dos arquitetos originais da holografia.

Escondido no Anel de Fótons

Parte da empolgação com o anel de fótons é que, ao contrário do horizonte de eventos, ele é realmente visível. De fato, a inversão de marcha de Strominger em direção a esses anéis aconteceu por causa de uma fotografia: a primeira imagem de um buraco negro. Quando o Event Horizon Telescope (EHT) o revelou em 2019, “chorei”, disse ele. “É incrivelmente lindo.”

A euforia logo se transformou em confusão. O buraco negro na imagem tinha um espesso anel de luz ao seu redor, mas os físicos da equipe do EHT não sabiam se essa luz era o produto do ambiente caótico ao redor do buraco ou se incluía o anel de fótons do buraco negro. Eles pediram ajuda a Strominger e seus colegas teóricos para interpretar a imagem. Juntos, eles navegaram pelo enorme banco de dados de simulações de computador que a equipe do EHT estava usando para desvendar os processos físicos que produzem luz em torno dos buracos negros. Nessas imagens simuladas, eles puderam ver o anel fino e brilhante embutido no anel de luz laranja maior e mais difuso.

“Quando você olha para todas as simulações, não pode perder”, disse Shahar Hadar, da Universidade de Haifa, em Israel, que colaborou com Strominger e os físicos do EHT na pesquisa enquanto estava em Harvard. A formação do anel de fótons parece ser um “efeito universal” que acontece ao redor de todos os buracos negros, disse Hadar.

Ao contrário do turbilhão de partículas e campos energéticos em colisão que cercam os buracos negros, determinaram os teóricos, a linha afiada do anel de fótons carrega informações diretas sobre as propriedades do buraco negro, incluindo sua massa e quantidade de spin. “É definitivamente a maneira mais bonita e atraente de realmente ver o buraco negro”, disse Strominger.

Uma rede global de radiotelescópios conhecida como Event Horizon Telescope divulgou esta primeira foto de um buraco negro em 2019 – o supermassivo no centro da galáxia próxima Messier 87.Colaboração do Event Horizon Telescope

A colaboração de astrônomos, simuladores e teóricos descobriu que a fotografia real do EHT, que mostra o buraco negro no centro da galáxia próxima Messier 87, não é nítida o suficiente para resolver o anel de fótons, embora não esteja longe. Eles argumentaram em um artigo de 2020 que os futuros telescópios de alta resolução deveriam ver facilmente anéis de fótons. (Um novo artigo afirma ter encontrado o anel na imagem de 2019 do EHT aplicando um algoritmo para remover camadas dos dados originais, mas a afirmação foi recebida com ceticismo.)

Ainda assim, tendo encarado anéis de fótons por tanto tempo nas simulações, Strominger e seus colegas começaram a se perguntar se sua forma sugeria um significado ainda mais profundo. 

Uma Simetria Surpreendente

Os fótons que fazem uma única inversão de marcha em torno de um buraco negro e depois se aproximam da Terra pareceriam para nós como um único anel de luz. Os fótons que fazem duas voltas em U ao redor do buraco aparecem como um subanel mais fraco e fino dentro do primeiro anel. E fótons que fazem três voltas em U aparecem como um subanel dentro desse subanel, e assim por diante, criando anéis aninhados, cada um mais fraco e mais fino que o anterior.

A luz dos subanéis internos fez mais órbitas e, portanto, foi capturada antes da luz dos subanéis externos, resultando em uma série de instantâneos atrasados do universo circundante. “Juntos, o conjunto de subanéis é semelhante aos quadros de um filme, capturando a história do universo visível visto do buraco negro”, escreveu a colaboração no artigo de 2020.

Strominger disse que quando ele e seus colaboradores olharam para as fotos do EHT, “nós pensamos: ‘Ei, há um número infinito de cópias do universo ali naquela tela? Não poderia ser onde o dual holográfico vive?'”

Os pesquisadores perceberam que a estrutura concêntrica do anel é sugestiva de um grupo de simetrias chamado simetria conforme. Um sistema que tem simetria conforme exibe “invariância de escala”, o que significa que parece o mesmo quando você aumenta ou diminui o zoom. Nesse caso, cada subanel de fótons é uma cópia exata e desmagnificada do subanel anterior. Além disso, um sistema conformemente simétrico permanece o mesmo quando traduzido para frente ou para trás no tempo e quando todas as coordenadas espaciais são invertidas, deslocadas e depois invertidas novamente.

Dizer simetria conforme e buraco negro na mesma frase para um teórico da gravidade quântica é como acenar carne vermelha na frente de um cachorro.

Strominger encontrou a simetria conforme na década de 1990, quando apareceu em um tipo especial de buraco negro de cinco dimensões que ele estava estudando. Ao entender com precisão os detalhes dessa simetria, ele e Cumrun Vafa encontraram uma nova maneira de conectar a relatividade geral ao mundo quântico, pelo menos dentro desses tipos extremos de buracos negros. Eles imaginaram cortar o buraco negro e substituir seu horizonte de eventos pelo que chamaram de placa holográfica, uma superfície contendo um sistema quântico de partículas que respeitam a simetria conforme. Eles mostraram que as propriedades do sistema correspondem às propriedades do buraco negro, como se o buraco negro fosse um holograma de dimensão superior do sistema quântico conformal. Dessa forma, eles construíram uma ponte entre a descrição de um buraco negro de acordo com a relatividade geral e sua descrição da mecânica quântica.

Em 1997, a Maldacena estendeu esse mesmo princípio holográfico a todo um universo de brinquedos. Ele descobriu um “universo em uma garrafa”, no qual um sistema quântico conformemente simétrico vivendo na superfície da garrafa mapeou exatamente as propriedades do espaço-tempo e da gravidade no interior da garrafa. Era como se o interior fosse um “universo” que se projetasse de sua superfície de dimensão inferior como um holograma.

A descoberta levou muitos teóricos a acreditar que o universo real é um holograma. O problema é que o universo de Maldacena em garrafa difere do nosso. É preenchido com um tipo de espaço-tempo que é curvado negativamente, o que lhe dá um limite externo semelhante à superfície. Pensa-se que nosso universo seja plano, e os teóricos têm pouca ideia de como é o dual holográfico do espaço-tempo plano. “Precisamos voltar ao mundo real, enquanto nos inspiramos no que aprendemos com esses mundos hipotéticos”, disse Strominger. 

E assim o grupo decidiu estudar um buraco negro giratório realista situado no espaço-tempo plano, como os fotografados pelo Event Horizon Telescope. “As primeiras perguntas a serem feitas são: onde vive o dual holográfico? E quais são as simetrias?” disse Hadar.

Procurando a dupla holográfica

Historicamente, a simetria conforme provou ser um guia confiável na busca de sistemas quânticos que mapeiam holograficamente em sistemas com gravidade. “Dizer simetria conforme e buraco negro na mesma frase para um teórico da gravidade quântica é como acenar carne vermelha na frente de um cachorro”, disse Strominger.

A partir da descrição de buracos negros giratórios na relatividade geral, chamada de métrica de Kerr, o grupo começou a procurar indícios de simetria conforme. Eles imaginaram bater no buraco negro com um martelo para fazê-lo soar como um sino. Essas vibrações que desaparecem lentamente são como as ondas gravitacionais criadas quando, digamos, dois buracos negros colidem. O buraco negro soará com algumas frequências ressonantes que dependem da forma do espaço-tempo (ou seja, da métrica de Kerr), assim como os tons de campainha de um sino dependem de sua forma.

Descobrir o padrão exato de vibrações é inviável porque a métrica de Kerr é muito complicada. Assim, a equipe aproximou o padrão considerando apenas as vibrações de alta frequência, que resultam de atingir o buraco negro com muita força. Eles notaram uma relação entre o padrão de ondas nessas altas energias e a estrutura dos anéis de fótons do buraco negro. O padrão “acaba sendo completamente governado pelo anel de fótons”, disse Alex Lupsasca, da Vanderbilt Initiative for Gravity, Waves and Fluids, no Tennessee, coautor do novo artigo com Strominger, Hadar e Daniel Kapec, de Harvard.

Um momento crucial ocorreu no verão de 2020 durante a pandemia de Covid-19. Quadros-negros e bancos foram colocados na grama do lado de fora do laboratório de física Jefferson de Harvard, e os pesquisadores finalmente puderam se encontrar pessoalmente. Eles descobriram que, assim como a simetria conforme que relaciona cada anel de fótons com o próximo subanel, os tons sucessivos de um buraco negro estão relacionados entre si por simetria conforme. Essa relação entre os anéis de fótons e as vibrações dos buracos negros pode ser um “prenúncio” da holografia, disse Strominger.

Outra pista de que o anel de fótons pode ter um significado especial vem da maneira contra-intuitiva como o anel se relaciona com a geometria do buraco negro. “É muito, muito estranho”, disse Hadar. “À medida que você se move ao longo de diferentes pontos no anel de fótons, você está realmente sondando diferentes raios” ou profundidades no buraco negro.

Essas descobertas implicam para Strominger que o anel de fótons, em vez do horizonte de eventos, é um “candidato natural” para parte da placa holográfica de um buraco negro giratório.

Nesse caso, pode haver uma nova maneira de imaginar o que acontece com as informações sobre objetos que caem em buracos negros – um mistério de longa data conhecido como paradoxo da informação do buraco negro. Cálculos recentes indicam que essa informação é de alguma forma preservada pelo universo à medida que um buraco negro evapora lentamente. Strominger agora especula que a informação pode ser armazenada na placa holográfica. “Talvez a informação não caia realmente no buraco negro, mas meio que fica em uma nuvem ao redor do buraco negro, que provavelmente se estende até o anel de fótons”, disse ele. “Mas não entendemos como está codificado lá, ou exatamente como isso funciona.” 

Um chamado aos teóricos

O palpite de Strominger e da empresa de que o dual holográfico vive dentro ou ao redor do anel de fótons foi recebido com ceticismo por alguns teóricos da gravidade quântica, que o consideram uma extrapolação muito ousada da simetria conforme do anel. “Onde o dual holográfico vive é uma questão muito mais profunda do que: Qual é a simetria?” disse Daniel Harlow, um teórico da gravidade quântica e buracos negros no Massachusetts Institute of Technology. Embora ele seja a favor de mais pesquisas sobre o assunto, Harlow enfatiza que uma dualidade holográfica convincente, neste caso, deve mostrar como as propriedades do anel de fótons, como as órbitas e frequências dos fótons individuais, mapeiam matematicamente na granulação fina. detalhes quânticos do buraco negro.

No entanto, vários especialistas disseram que a nova pesquisa oferece uma agulha útil que qualquer dual holográfico proposto deve enfiar: o dual deve ser capaz de codificar o padrão de vibração incomum de um buraco negro giratório depois de ter sido atingido como um sino. “Exigir que o sistema quântico que descreve o buraco negro reproduza toda essa complexidade é uma restrição incrivelmente poderosa – e que nunca tentamos explorar antes”, disse Strominger. Eva Silverstein, física teórica da Universidade de Stanford, disse: “Parece um dado teórico muito bom para as pessoas tentarem reproduzir ao tentar uma descrição dupla holográfica”.

Maldacena concordou, dizendo: “Gostaria de entender como incorporar isso em um dual holográfico. Portanto, provavelmente estimulará algumas pesquisas nessa direção”.

Maloney suspeita que a nova simetria do anel de fótons irá estimular o interesse entre teóricos e observadores. Se as atualizações esperadas para o Event Horizon Telescope forem financiadas, ele poderá começar a detectar anéis de fótons dentro de alguns anos.

No entanto, medições futuras desses anéis não testarão diretamente a holografia – em vez disso, os dados permitirão testes extremos de relatividade geral perto de buracos negros. Cabe aos teóricos determinar com cálculos de caneta e papel se a estrutura das armadilhas de luz infinitas ao redor dos buracos negros pode criptografar matematicamente os segredos internos.

Fonte: quantamagazine.org