一个黑洞的环绕的光环可能加密它的内部秘密

物理学家已经发现环绕一个黑洞的光子环展现一种特殊种类的对称性，暗示一个更深的意义。

QUANTUM GRAVITY

Thomas Lewton

Contributing Writer

September 8, 2022

在这个光的可视化中绕着一个黑洞流的辉光橙色的光子环包含一系列整个宇宙的图像。Olena Shmahalo for Quanta Magazine; Source: NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman

当光子疾驰向一个黑洞时，大多数都被吸进它的深处，永远不返回或者轻柔的被偏转开。然而，一个罕见的绕过这个洞，做出一系列突然的U型转弯。其中一些光子保持实际上永远环绕这个黑洞。

被天体物理学家描述为一个“宇宙电影照相机”和一个“无限光陷阱”，由此产生的环绕的光子环是在自然界中最诡异的现象中的。如果你探测这些光子，亚利桑那大学的物理学家山姆·格拉拉说，“你将要无限的多次看宇宙中每一个天体”。

但不同于一个黑洞的标志性事件地平线------在其内引力是如此之强以致没有任何东西能逃脱的边界------更远环绕这个黑洞的光子环永远没有收到理论家的过多关注。研究人员一直专注于事件地平线是有意义的，因为它标志着他们关于这个宇宙的知识的边缘。整个宇宙的大部分，引力就像被爱因斯坦的广义相对论描述的那样在空时中用曲线跟踪。但在黑洞内部空时翘曲如此多以致广义相对论在那里崩溃。量子引力理论家寻求一个引力有的更真实的量子描述，因此为答案看向地平线。

哈佛大学的著名黑洞和量子引力理论家安德鲁·斯特罗明格说：“我已经采纳了事件地平线是我们需要来理解的，而我认为光子环为某种技术的、复杂的东西，这没有任何深层的意义” 。

现在斯特罗明格正在做出他自己的180度转弯并试图说服其他理论家来加入他。他说，“我们正在兴奋地探索光子环是你必须理解来解锁克尔黑洞的秘密的可能性” ，指当恒星死亡和引力上坍塌时创造的旋转黑洞种类。（光子环同时形成。）

在5月发布在网上的一篇最近被《经典量子引力》发表的论文中，斯特罗明格和他的合作者揭示了围绕一个旋转黑洞的光子环有一种意想不到的对称性------一种它能被转变并仍呆着不变的方式。这种对称性提出这个环可能编码关于这个黑洞的量子结构的信息。他说，“这种对称性闻起来像某些与理解黑洞量子动力学的核心问题有要做什么的一样”。这一发现已经导致研究人员来争论光子环是否可能甚至是一个黑洞“全息的双”部分------一个刚好等价黑洞本身的量子系统，而这黑洞能被认为像一个全息图一样浮现出来。

加拿大麦吉尔大学的理论家阿列克斯马洛耐说，“这为理解这些黑洞几何图形的全息学开辟一条非常有趣的途径”，他没有参与这项研究。“这种新的对称组织远离地平线的黑洞结构，而我认为这是非常令人兴奋的” 。

Harvard-Smithsonian Centerfor Astrophysics

在研究人员能够确定说是否或以什么方式光子环编码一个黑洞的内部内容之前还需要进行更多的理论研究。但在这个至少，理论家们说这篇新论文已经详细说明了对声称是黑洞全息双的任何量子系统的一个精确的测试。新泽西州普林斯顿市高级研究所的居安·马尔达塞纳说，“这对全息描述是一个目标” ，他是全息学的原始建筑师之一。

隐藏在光子环中

关于这个光子环兴奋的部分在于与事件地平线不同，它实际上是可见的。事实上，斯特罗明格的对这些环的U型转弯因为一张照片发生了：从来第一张一个黑洞的照片。当事件地平线望远镜（EHT）在2019年解开了它时，他说，“我哭了，它是惊人的美”。

兴高采烈很快螺旋进入混乱。图像中的黑洞围绕它有一个厚的光环，但事件地平线望远镜团队的物理学家不知道这个光是黑洞的混沌的周围环境的产物还是是否它包括了黑洞的光子环。他们去找斯特罗明格和他的理论家同事以帮助解释这幅图像。他们一起浏览了一个事件地平线望远镜团队正在用来解开围绕黑洞产生光的物理过程的巨大的计算机模拟数据库。在这些模拟图像中，他们可以看到薄、明亮的环被嵌在更大、更模糊的橙色的光的甜甜圈中。

以色列海法大学的沙哈尔·哈达尔说，“当你观察所有的模拟时，你不能错过它” ，他在哈佛大学期间与斯特罗明格和事件地平线望远镜的物理学家合作在这项研究上。哈达尔说，光子环的形成似乎是一种围绕所有黑洞发生的“普遍效应”。

理论家们决定了与围绕黑洞的高能碰撞粒子的大漩涡和场不同，光子环的尖锐线携带关于黑洞的属性的直接信息，包括它的质量和自旋的量。斯特罗明格说，“这绝对是来真的看黑洞的最美丽和最引人注目的方式” 。

一个被称为“事件地平线望远镜”的全球射电望远镜网络在2019年发布了这张黑洞的照片------梅西耶87星系中心附近的超大质量黑洞的照片。Event Horizon Telescope Collaboration

天文学家、模拟家和理论家的合作发现了事件地平线望远镜的实际照片显示位于附近星系梅西87中心的黑洞不足够尖锐来分辨光子环，尽管它不是远掉的。他们在2020年的一篇论文中争论了未来，更高分辨率的望远镜应该容易的看光子环。（一篇新论文声称通过应用一种算法从原始数据中去除图层，在事件地平线望远镜2019年的图像中发现了这个环，但这个宣称已经被质疑。）

然而，在模拟中已经凝视了光子环如此长时间，斯特罗明格和他的同事们开始来好奇是否它们的形式暗示了一个更深层次的意义。

一个令人惊讶的对称性

光子围绕一个黑洞做一个但U型的转弯然后疾驰向地球对我们会似乎像是一个单一的光环一样。围绕黑洞做出两个U型转弯的光子出现为在第一个环内更弱、更薄的子环。做出三个U型转弯的光子出现为在这个子环中的一个子环，以此类推，创造嵌套的环，每个环都比上一个更弱更薄。

来自内子环的光已经做出了更多的环绕，因此在光来自更外子环之前被捕获，造成一系列周围宇宙的延时快照。该合作组织在2020年的论文中写道，“一起，这样的子环集合类似于一部电影的帧，捕捉从这个黑洞看到的可见宇宙的历史” 。

斯特罗明格说，当他和他的合作者观察了事件地平线望远镜照片时，“我们就像：‘嘿，在屏幕上刚好在那里有这个宇宙的无数副本一样？那就不是全息双生活的地方吗？’”

研究人员意识到，这个环的同心圆结构是一组被称为共形对称的对称性的暗示。一个有共形对称的系统展示“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的去放大的副本。此外，一个共形对称系统当时间上向前或向后平移了和当所有空间坐标被反转、移动了和然后再逆反时呆着不变的。

对一个量子引力理论家在同一句话中说共形对称和黑洞就像在一只狗面前挥舞红肉一样。安德鲁·斯特罗明格，哈佛大学（Andrew Strominger, Harvard University）

斯特罗明格在20世纪90年代遇到了共形对称，当时它在一个他正在研究的一种特殊的五维黑洞被折腾出来。通过精确地理解这种对称性的细节，他和坎伦·瓦法发现了一种来将广义相对论与量子世界联系起来的新颖方法，至少在这些极端类型的黑洞内部。他们想象着切掉黑洞，用他们叫一个全息板的取代它的事件地平线，这是一个包含尊重共形对称的一个量子粒子系统的表面。他们证明了该系统的属性与黑洞的属性相对应，就好像黑洞是一个共形量子系统的更高维全息图一样。以这种方式，他们在按照广义相对论描述黑洞和它的量子力学之间建立了一座桥梁。

1997年，马尔达塞纳将同样的全息原理扩展到整个玩具宇宙。他发现了一个“瓶子里的宇宙”，其中一个生活在瓶子表面的共形对称量子系统刚好的映射在瓶子内部的空时和引力的属性上。就像这个内部是一个从它的更低维表面像全息图一样投影的“宇宙”一样。

这一发现导致许多理论家来相信真正的宇宙是一个全息图。问题是马尔达塞纳的在一个瓶子内的宇宙与我们自己的不同。它充满了一种负弯曲的空时，这给它一个类似表面一样的外部边界。我们的宇宙被认为是平坦的，理论家们几乎没有平坦空时的全息双看起来像是什么样子的想法。斯特罗明格说，“我们需要回到现实世界，同时从我们从这些假设的世界学到的拿上灵感”。

因此，该小组决定来研究一个坐落在平坦的空时中的真实旋转黑洞，就像被事件地平线望远镜拍摄的黑洞一样。哈达尔说，首先要问的问题是：这个全息双生活在哪里？这些对称性是什么呢？”

寻找这个全息双

历史上，共形对称已经被证明是一个在寻找量子系统全息上映射到有引力的系统的值得可信的引导。斯特罗明格说，“在同一句话中对一个量子引力理论家说共形对称和黑洞就像在一只狗面前挥舞红肉一样” 。

从广义相对论中对叫克尔度量的旋转黑洞的描述开始，这个小组开始寻找共形对称的线索。他们想象着用一个锤子击打黑洞来使它听起来像一个铃一样。这些缓慢的消退振动就像两个黑洞碰撞时创造的引力波一样。黑洞将以一些共振频率鸣铃这取决于空时的形状（即在克尔度量上），就像一个钟的铃声取决于它的形状一样。

安德鲁·斯特罗明格和他的同事们最近发现了一个黑洞的光子环有那种往往当一个天体在这种情况下黑洞能被描述为一个全息图时发生的对称性。Allie Humenuk for Collapsar Films

弄清楚振动的确切模式由于克尔度量是如此复杂是不可行的。因此，研究小组通过只考虑源自于非常剧烈撞击黑洞的高频振动近似了这个模式。他们注意到在这些高能量下的波的模式和黑洞的光子环的结构之间的一个关系。田纳西州引力、波和流体倡议的亚历克斯·卢普萨斯卡说，这种模式“原来是完全被光子环规制的”，他与哈佛大学的斯特罗明格、哈达尔和丹尼尔·卡佩克共同撰写了这篇新论文。

2020年夏天新冠肺炎大流行期间来了一个关键时刻。在哈佛大学杰斐逊物理实验室外的草地上搭建了黑板和长椅，研究人员终于可以见面了。他们算出了就像共形对称将每个光子环与下一个子环联系起来一样，一个响铃黑洞的连续音调被共形对称联系到彼此。斯特罗明格说，光子环和黑洞振动之间的这种关系可能是一个全息图的“预兆”。

光子环可能把持特殊意义的另一个线索来自该环与黑洞的几何形状相关的反直觉的方式。哈达尔说，“这非常、非常诡异，随你沿着光子环上的不同点移动，你实际上是正在探测不同的半径或进入黑洞的深度”。

这些发现向斯特罗明格暗示光子环而不是事件地平线是一个旋转黑洞的全息板部分的“自然候选”。

如果是这样，可能会有一种新的来描述关于落入黑洞的物体的信息发生了什么的方法------一个长期存在的被称为黑洞信息悖论的谜团。最近的计算表明随黑洞缓慢蒸发这些信息不知怎的被宇宙保存。斯特罗明格现在推测，这些信息可能被存储在全息板中。他说，“也许信息并没有真正落入黑洞，但它停留在黑洞外围绕的云中，这可能延伸到光子环，但我们不明白它怎样被在那里编码的，也不清楚到底它怎样工作的” 。

 向理论家打电话

斯特罗明格和团体的全息双生活在或围绕光子环的突然发现已经遭到了一些量子引力理论家的怀疑，他们视从环的共形对称推断它为过于大胆。麻省理工学院的量子引力和黑洞理论家丹尼尔·哈洛说，“全息双生活的地方是一个比对称性是什么？更深层次的问题”。尽管哈洛感兴趣对这个问题进行进一步的研究，但他强调在这种情况下，一个令人信服的全息双必须显示光子环的属性，如单个光子的轨道和频率数学上怎样映射到黑洞的细粒度量子细节上。

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然而，一些专家说这项新研究提供一个任何提议的全息双必须线连的有用的针：这个双必须能够编码一个旋转黑洞在它已经被像钟一样击中后的不寻常振动模式。斯特罗明格说，“要求描述黑洞的量子系统再现所有这些复杂性是一个令人难以置信的强大约束，这是之前我们从未尝试过的” 。斯坦福大学的理论物理学家伊娃·西尔弗斯坦说，“对尝试来复制当一个全息双描述时的人，这似乎是一片非常好的理论数据一样” 。

马尔达塞纳表示同意，他说，“人们会喜欢理解怎样将这个融入一个全息双中。因此，它可能会刺激在这个方向上的一些研究” 。

马洛尼怀疑新发现的光子环的对称性将激发理论家和观察者的兴趣。如果希望的事件地平线望远镜升级得到资金，它可以在几年内开始来探测光子环。

不过，未来的这些环的测量将不会直接测试全息学，相反，这些数据将允许在黑洞附近对广义相对论的极端测试。这要靠理论家们用纸笔的计算来确定是否黑洞周围的无限光陷阱的结构能数学上加密之内的秘密。

https://www.quantamagazine.org/black-holes-ring-of-light-could-encrypt-its-inner-secrets-20220908/