Физики установили, что в концентрических кольцах фотонов, вращающихся вокруг черных дыр, присутствует конформная симметрия, при которой внешние кольца представляют собой увеличенную копию внутренних. Данный вывод был сделан на основе анализа изображений черной дыры в галактике Мессье 87. По мнению исследователей, представленных в статье в журнале *Classical and Quantum Gravity*, это открытие подтверждает, что некоторая информация о черной дыре закодирована в фотонных кольцах, что потенциально может способствовать разработке теории квантовой гравитации. Вокруг черных дыр формируется светящаяся область, включающая плазму и фотонные кольца; при этом фотонные кольца обладают специфической структурой, состоящей из фотонов, совершивших различное число полуоборотов вокруг центрального объекта перед направлением к наблюдателю.
Анализируя параметры колец, ученые могут определить с большой точностью массу и момент импульса черной дыры. Концентрическая структура колец может свидетельствовать о наличии между ними конформной симметрии, которая сохраняет углы между объектами и масштабную инвариантность. Наличие такой симметрии может иметь важное теоретическое значение для поиска голографического двойника черной дыры — квантовой системы, которая содержит всю информацию о черной дыре, — и накладывать на него определенные ограничения.
Некоторые ученые считают, что обнаружение голографического двойника черной дыры, приблизит их к теории квантовой гравитации, что позволит связать квантовую механику и общую теорию относительности. Согласно этому предположению черная дыра является голографической проекцией квантовой системы на область пространства-времени. Соответственно, она должна воспроизводить свойства оригинальной системы, в частности, сохранять симметрию. Это условие позволяет упростить поиск двойника.
Эндрю Строминджер (Andrew Strominger) с коллегами из Хайфского университета обнаружили конформную симметрию фотонных колец и конформную симметрию квазинормальных мод вращающейся черной дыры и предположили, что голографический двойник черной дыры может скрываться в фотонных кольцах. Несмотря на критическое отношение некоторых ученых к такому обобщению, практическое открытие конформности играет важную роль в понимании физики черных дыр.
Для анализа ученые использовали первое изображение тени черной дыры в галактике Мессье 87, полученное в 2019 году на Телескопе горизонта событий. На оригинальном радиоснимке видно лишь светлую область вокруг черной дыры, которая включает аккреционную плазму и фотонные кольца. Разглядеть кольца ученые смогли после компьютерных симуляций. Внутренние кольца более тусклые и тонкие, их формируют фотоны, сделавшие несколько оборотов вокруг черной дыры и соответственно содержащие информацию о ее более раннем состоянии.
Сначала ученые теоретически проанализировали околокольцевую область и обосновали конформную симметрию колец вращающейся черной дыры, исходя из решения Керра для уравнений Эйнштейна в общей теории относительности. Затем они проанализировали оптическое изображение относительно положения наблюдателя и выяснили, что кольца действительно переходят друг в друга посредством растяжения.
Также физики проанализировали квазинормальные моды (частоты Рюэля) вращающейся черной дыры — затухающие колебания, возникающие в случае нарушения теплового равновесия. Поскольку поведение системы в метрике Керра слишком сложное, они использовали приближенный метод и рассчитали лишь высокочастотные вибрации. Оказалось, что последовательные квазинормальные моды также имеют конформную симметрию. Дополнительно ученые предложили способ расчета квазинормальных мод с помощью геометрической оптики. Физики выяснили, что коэффициенты пропорциональности между конформными частотами колебаний черной дыры и фотонными кольцами равны. Значит, фотонные кольца содержат информацию о колебаниях черной дыры. Ученые предложили следующее интуитивное объяснение: когда объект падает в черную дыру, нарушая ее тепловое равновесие, он проходит через фотонную оболочку вокруг дыры, выбивая фотоны. Эти выбитые фотоны делают обороты вокруг дыры и устремляются к наблюдателю, формируя тем самым фотонные кольца.
Конформная симметрия колец и квазинормальных мод накладывает строгие ограничения на голографический двойник, который должен воспроизвести эту симметрию. Стоит отметить, что конформная симметрия носит универсальный характер и не зависит от типа звезды. Важный практический смысл имеет и тот факт, что ученые в очередной раз подтвердили успехи теоретической астрофизики с помощью наблюдательной. Вопрос, кодируют ли фотонные кольца квантовую информацию о черной дыре и являются ли частью ее голографического двойника, остается открытым.
Пока разрешения телескопов недостаточно для наблюдения структуры фотонного кольца. Но ученые уже определили условия, когда это станет возможно.
Автор: Илья Бения
Источник: https://nplus1.ru/
