Bir kara deliğe doğru koşan fotonların çoğu ya yumuşak bir şekilde yönlendirilir ya da derinliklerine yutulur ve asla kaçmaz. Bununla birlikte, seçkin bir avuç, bir dizi keskin U dönüşü yaparak kraterden kaçınır. Bu fotonlardan bazıları, sonsuzluk gibi görünen bir süre boyunca kara deliğin çevresinde dönmeye devam eder.
Astrofizikçilerin “kozmik film kamerası” ve “sonsuz ışık tuzağı” olarak adlandırdıkları, yörüngedeki fotonların ardından gelen halka, doğanın en tuhaf fenomenlerinden biridir. Arizona Üniversitesi’nde fizikçi olan Sam Gralla’ya göre, fotonlar tespit edilirse, “evrendeki her maddeyi sonsuz kez göreceksiniz” diyor.
Deliğin yörüngesinde daha uzakta dönen foton halkası, kara deliğin ikonik olay ufkunun, yerçekiminin hiçbir şeyin kaçamayacağı kadar yoğun olduğu bölgenin aksine, teorisyenlerin pek ilgisini çekmedi. Olay ufkunun evren hakkında bilinenlerin sınırını temsil ettiği düşünülürse, bilim adamlarının ondan büyülenmiş olması mantıklıdır. Albert Einstein’ın genel görelilik teorisine göre, yerçekimi kozmosun büyük çoğunluğunda uzay ve zamandaki eğrileri takip eder. Ancak kara delikler içinde uzay-zaman o kadar şiddetli bir şekilde bükülür ki, genel görelilik artık geçerli değildir. Bu nedenle, kuantum kütleçekimi teorisyenleri, yerçekiminin daha doğru, kuantum tanımını araştırmak için çözümler için ufka döndüler.
Harvard Üniversitesi’ndeki kara delikler ve kuantum yerçekimi teorisyeni Andrew Strominger, “Olay ufkunun anlamamız gereken şey olduğu fikrini benimsemiştim. Ve foton halkasının derin bir önemi olmayan teknik, zorlu bir nesne olduğuna inandım.
Strominger şu anda kendi başına bir U dönüşü yapıyor ve diğer düşünürleri onu takip etmeye ikna ediyor. “Kerr kara delikleri” derken, yıldızlar öldüğünde ve yerçekimsel olarak çöktüğünde oluşan dönen karadeliklerden bahsediyordu. “Heyecanla, foton halkasının Kerr kara deliklerinin sırlarını ortaya çıkarmak için anlamanız gereken şey olduğu fikrini araştırıyoruz” dedi.
Strominger ve meslektaşları, Mayıs ayında çevrimiçi olarak Klasik Kuantum Yerçekimi makalesinde dönen bir kara deliği çevreleyen foton halkasının beklenmedik bir simetriye sahip olduğunu veya değiştirilebileceğini ve hala aynı kalacağını keşfettiler. Simetri, halkanın deliğin kuantum yapısı hakkında veri içerebileceğini ima eder. Kara deliklerin kuantum dinamiklerini kavramanın ana konusu, “bu simetriyle ilgili bir şey gibi kokuyor” dedi.
Araştırmacılar, foton halkasının bir kara deliğin “holografik ikizinin” bir parçası olup olmadığını tartışıyorlar; bu, kara delikle aynı olan ve bir hologramdan çıkan kara delik olarak düşünülebilecek bir kuantum sistemidir.
Kanada’daki McGill Üniversitesi’nde çalışmaya dahil olmayan bir teorisyen olan Alex Maloney, “bu [kara delik] geometrilerinin holografisini anlamak için çok ilginç bir yol açtığını” belirtti. Yeni simetrinin olay ufkundan uzaktaki kara deliklerin yapısını yönetmesini çok heyecan verici buluyorum.
Araştırmacılar foton halkasının bir kara deliğin iç içeriğini kodlayıp kodlamadığını veya nasıl kodladığını kesin olarak söyleyemeden önce, çok daha fazla teorik araştırma gereklidir. Teorisyenler, yeni çalışmanın en azından kara deliğin holografik ikizini temsil ettiğini iddia eden herhangi bir kuantum sistemi için kesin bir test sağladığını öne sürüyorlar. Holografinin kurucu babalarından biri olan New Jersey, Princeton’daki İleri Araştırma Enstitüsü’nden Juan Maldacena, “Bu, holografik bir betimleme için bir hedeftir” gözlemini yaptı.
Foton Halkası: Gizleme
Olay ufkunun aksine foton halkasının aslında görünür olması etrafındaki heyecanı artırıyor. Strominger gerçekten bir U dönüşü yaptı ve bir kara deliğin ilk görüntüsünün bir sonucu olarak bu halkalara yöneldi. Event Horizon Telescope (EHT) 2019’da onu ortaya çıkardığında ağladığını itiraf etti.
Kafa karışıklığı hızla sevinmeyi takip etti. Fotoğraftaki kara deliğin etrafını saran önemli bir ışık halkası vardı, ancak EHT ekibinin fizikçileri, bu ışığın deliğin kaotik ortamının bir sonucu mu yoksa kara deliğin foton halkasını mı içerdiğinden emin değildi. Resmi analiz etmek için Strominger ve teorik meslektaşlarından yardım istediler.
EHT ekibinin kara delikler etrafında ışık üretilmesine neden olan fiziksel mekanizmaları çözmek için kullandığı kapsamlı bilgisayar simülasyonları veritabanını incelediler. Bilgisayar tarafından oluşturulan bu resimlerde daha geniş, daha bulanık turuncu ışık halkasının içindeki küçük, parlak halkayı seçebildiler.
Harvard’dayken Strominger ve EHT fizikçileri ile çalışma üzerinde çalışan İsrail’deki Hayfa Üniversitesi’nden Shahar Hadar’a göre, “tüm simülasyonlara baktığınızda bunu kaçıramazsınız.” Hadar’a göre, foton halkasının yaratılması, tüm kara deliklerin etrafında meydana gelen “evrensel bir etki” gibi görünüyor.
Teorisyenler, foton halkasının keskin çizgisinin, kara delikleri çevreleyen şiddetli çarpışan parçacıkların ve alanların kasırgasının aksine, kütlesi ve dönüş miktarı da dahil olmak üzere kara deliğin özellikleri hakkında doğrudan bilgi sağladığı sonucuna vardı. Strominger’e göre, kara deliği gerçekten gözlemlemenin tartışmasız en zarif ve büyüleyici yolu.
Gökbilimciler, simülatörler ve teorisyenlerden oluşan bir ekibe göre, yakındaki galaksi Messier 87’nin kalbindeki kara deliği gösteren gerçek EHT görüntüsü, foton halkasını ayırt etmek için yeterince kesin değildi, ancak çok da uzak değil. 2020 yayınında, foton halkalarının gelecekteki, daha yüksek çözünürlüklü gözlemevlerinde kolayca görülebilmesi gerektiğini önerdiler.
Strominger ve meslektaşları, simülasyonlarda onlara uzun süre baktıktan sonra foton halkalarının şeklinin daha da derin bir anlam ifade edip etmediğini de sorguladılar.
Tek bir foton, Dünya’ya doğru hızlanmadan önce bir kara deliğin etrafında tek bir U dönüşü gerçekleştirseydi, tek bir ışık halkası görürdük. İki U-dönen fotonlar, ana halka içinde daha ince, daha eterik bir alt halka olarak görünür. Ek olarak, üç U dönüşü gerçekleştiren fotonlar, başka bir alt halka içinde bir alt halka olarak görünür ve bu şekilde, her biri giderek daha ince ve daha sönük olan iç içe halkalar oluşturur.
İç alt halkalardan gelen ışığın daha fazla yörünge yapması ve böylece dış alt halkalardan gelen ışıktan önce kaydedilmesi gerçeğinin bir sonucu olarak, çevreleyen kozmosun zaman gecikmeli görüntüleri art arda üretilir. Grup, 2020 makalesinde “birlikte, alt halkalar koleksiyonunun bir filmin kareleri gibi olduğunu ve kara delikten görüldüğü gibi görünür evrenin tarihini belgelediğini” belirtti.
Strominger ve çalışma arkadaşlarına göre EHT görüntüleri, “Hey, o ekranda kozmosun sınırsız sayıda kopyası olduğunu düşünmemize neden oldu? Bu, holografik ikilinin yeri olamaz mı?
Araştırmacılar halkanın dairesel yapısının, konformal simetri olarak bilinen bir simetri sınıfını önerdiği sonucuna vardılar. Ölçek değişmezliği veya yakınlaştırıp uzaklaştırsanız da aynı görünüme sahip olma özelliği, uyumlu simetrik sistemlerin bir özelliğidir. Bu örnekteki her foton alt halkası, kendisinden öncekinin kesin, küçültülmüş bir kopyasıdır. Uyumlu simetrik bir sistem, tüm uzaysal koordinatlar ters çevrildiğinde, kaydırıldığında ve sonra bir kez daha ters çevrildiğinde ve ayrıca zaman ileri veya geri hareket ettirildiğinde orijinal şeklini korur.
1990’larda Strominger, incelemekte olduğu belirli bir beş boyutlu kara delik tipinde göründüğünde uyumlu simetriyle karşılaştı.
O ve Cumrun Vafa, bu simetrinin özelliklerini dikkatlice analiz ederek, en azından bu aşırı karadelik türlerinin içinde, genel göreliliği kuantum dünyasına bağlamak için yeni bir teknik keşfettiler. Kara deliği çıkarmayı ve olay ufkunu, holografik plaka olarak adlandırdıkları, konformal simetriye yapışan kuantum bir parçacık sistemi içeren bir yüzeyle değiştirmeyi tasarladılar. Sanki kara deliğin konformal kuantum sisteminin daha yüksek boyutlu bir hologramıymış gibi, sistemin özellikleri ile kara deliğin özellikleri arasında bir bağıntı kurdular. Bunu yaparken, bir kara deliğin genel görelilik tanımı ile kuantum mekaniksel tanımı arasında bir bağlantı oluşturdular.
Maldacena 1997’de aynı holografik prensibi eksiksiz bir oyuncak evrene uyguladı. Şişenin yüzeyinde yaşayan uyumlu simetrik bir kuantum sistemi, şişenin içindeki uzay-zaman ve yerçekimi parametrelerine mükemmel bir şekilde yansıtıldı ve buna “bir evren içinde evren” adını verdi. ” İç kısım, alt boyutlu yüzeyinden holografik olarak yansıtılan bir “dünya”ymış gibi görünüyordu.
Birçok teorisyen, keşif sonucunda gerçek kozmosun bir hologram olduğu teorisini benimsemiştir. Sorun şu ki Maldacena’nın bir şişe içindeki kozmosu bizimkiyle aynı değil. Dış sınırı bir yüzeyi andırır çünkü negatif kavisli uzay-zamanla doludur.
Teorisyenler evrenimizin düz olduğuna inanıyorlar, ancak düz uzay-zamanın holografik ikilisinin nasıl görüneceğinden emin değiller. Strominger, “Bu hayali evrenlerde keşfettiklerimizden ilham alırken gerçek dünyaya dönmemiz gerekiyor.
Böylece ekip, Event Horizon Teleskobu tarafından çekilen görüntülerde görülenlere benzer şekilde, düz uzay-zamanda yer alan makul bir dönen kara deliği araştırmaya karar verdi. “Holografik ikilinin ikametgahı belirlenecek ilk soru olmalı. O zaman simetriler nelerdir?” dedi Hadar.
Holografik İkiliyi bulmaya çalışmak
Geçmişte, yerçekimi tabanlı sistemlerle holografik olarak eşlenen kuantum sistemleri ararken, konformal simetrinin güvenilir bir gösterge olduğu kanıtlanmıştır.
Strominger’e göre aynı cümlede konformal simetriden ve kara delikten bahsetmek, bir köpeğin önünde kırmızı et sallamakla eşdeğerdir.
Grup, Kerr metriği olarak bilinen genel görelilikteki dönen kara deliklerin tanımından uyumlu simetri işaretleri aramaya başladı. Karanlık deliği bir çan gibi çalana kadar çekiçlediklerini hayal ettiler. Örneğin, iki kara delik çarpıştığında üretilen kütleçekim dalgalarına benzer şekilde, bu yavaş yavaş sönen titreşimler uzaydaki dalgalardır. Bir çanın zil tonlarının çanın şekline bağlı olmasına benzer şekilde, kara delik uzay-zamanın şekline bağlı bazı rezonans frekanslarında (yani Kerr metriği) titreyecektir.
Kerr metriği son derece karmaşıktır ve titreşimlerin kesin modelini belirlemeyi imkansız hale getirir. Ekip, sadece kara delikle çok şiddetli çarpışmaların sonucu olan yüksek frekanslı titreşimleri hesaba katarak, kalıbı tahmin edebildi. Kara deliğin foton halkalarının yapısı ile bu yüksek enerjideki dalga modeli arasında bir bağlantı keşfettiler. Harvard’dan Strominger, Hadar ve Daniel Kapec ile birlikte yeni çalışmanın yazarlarından olan Tennessee’deki Vanderbilt Yerçekimi, Dalgalar ve Akışkanlar Girişimi’nden Alex Lupsasca’ya göre, model “tamamen foton halkası tarafından yönlendiriliyor”.
2020 yazında yaşanan Covid-19 pandemisi bir dönüm noktası oldu. Araştırmacılar, Harvard’ın Jefferson fizik laboratuvarının önündeki çimlerin üzerine karatahtalar ve koltuklar kurulduktan sonra nihayet yüz yüze bir araya gelebildiler. Her bir foton halkasını aşağıdaki alt halkaya bağlayan uyumlu simetriye benzer şekilde, halkalı kara deliklerin ardışık tonlarının uyumlu simetri ile bağlandığını keşfettiler. Strominger’e göre, foton halkaları ve kara delik titreşimleri arasındaki bağlantı, holografinin bir “habercisi”ni temsil edebilir.
Foton halkasının olağandışı olabileceğine dair bir başka ipucu, halkanın kara deliğin geometrisiyle beklenmedik ilişkisinden geliyor. Hadar, “Son derece, çok tuhaf” dedi.
Foton halkasının çeşitli yerlerinde yürürken aslında kara deliğin farklı yarıçaplarını veya derinliklerini keşfediyorsunuz.
Bu sonuçlar Strominger’e, dönen bir kara deliğin holografik plakasının bir kısmı için “doğal adayın” olay ufku değil foton halkası olduğunu gösteriyor.
Eğer öyleyse, kara deliklere düşen nesneler hakkındaki verilere ne olduğunu içeren uzun süredir devam eden bir bilmece olan kara delik bilgi paradoksu hakkında düşünmek için yeni bir yaklaşım olabilir. Son tahminler, bir kara delik sonunda dağılırken evrenin bir şekilde bu bilgiyi güvende tuttuğunu gösteriyor. Şimdi, Strominger’e göre, veriler holografik plaka üzerinde tutulabilir.
Belki de bilgi aslında kara deliğe girmiyor, daha ziyade onu çevreleyen bir bulutta asılı kalıyor, ki bu büyük olasılıkla foton halkasına kadar uzanıyor, diye önerdi. “Ama bunun nasıl çalıştığını veya orada nasıl kodlandığını tam olarak bilmiyoruz” diye devam etti.
Bazı kuantum yerçekimi teorisyenleri, Strominger ve meslektaşlarının, holografik ikizin foton halkasının içinde veya yakınında var olduğu hipotezine katılmazlar ve bunun halkanın uyumlu simetrisinden aşırı iddialı bir ekstrapolasyon olduğuna inanırlar.
Holografik ikilinin nerede var olduğu sorusu, simetri meselesinden çok daha derindir. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden kuantum yerçekimi ve kara delikler konusunda uzman olan Daniel Harlow belirtti. Harlow, bu durumda ikna edici bir holografik ikiliğin, bireysel fotonların yörüngeleri ve frekansları gibi foton halkasının özelliklerinin matematiksel olarak nasıl eşleştiğini göstermesi gerektiğini vurguluyor.
Bununla birlikte, yeni bulgu, bir dizi uzmana göre önerilen herhangi bir holografik ikilinin iplik geçirmesi gereken değerli bir iğne sağlıyor: ikili, bir çan gibi vurulduktan sonra dönen bir kara deliğin kendine özgü titreşim modelini kodlayabilmelidir.
Strominger’e göre, kara deliği modelleyen kuantum sisteminin tüm bu karmaşıklığı yeniden üretmesi gerekliliği, asla kullanmaya çalışmadığımız çok güçlü bir sınırlamadır. Stanford Üniversitesi’nden teorik fizikçi Eva Silverstein’a göre, insanların holografik bir ikili tanım yapmaya çalışırken kopyalamaya çalıştıkları oldukça harika bir teorik veri parçası gibi görünüyor.
Bunu holografik bir ikiliye nasıl dahil edeceğini bilmek ilginç olurdu, dedi Maldacena aynı fikirde. Bu nedenle, muhtemelen bu alanda bazı araştırmaları teşvik edecektir.
Maloney, foton halkasının yeni keşfedilen simetrisinin hem teorisyenlerin hem de izleyicilerin ilgisini çekeceğini düşünüyor. Birkaç yıl içinde, eğer umulan geliştirmeler finanse edilirse Event Horizon Teleskobu foton halkalarını tespit etmeye başlayabilir.
Bununla birlikte, bu halkaların gelecekteki gözlemlerinden elde edilen veriler, doğrudan holografiyi test etmek yerine kara deliklere yakın ciddi genel görelilik testlerine izin verecektir. Kara delikleri çevreleyen sonsuz ışık tuzaklarının yapısının, içindeki sırları matematiksel olarak şifreleme yeteneğinin, teorisyenler tarafından kalem-kağıt hesaplamaları kullanılarak test edilmesi gerekecektir.
Kaynak: Quanta Magazine / Thomas Lewton
