Физики-теоретики обнаружили, что в концентрических кольцах фотонов, которые вращаются вокруг черных дыр, есть конформная симметрия — внешние кольца являются увеличенной копией внутренних. Для этого ученые проанализировали снимки черной дыры в соседней галактике Мессье 87. Открытие подтверждает, что часть информации о черной дыре закодирована в фотонных кольцах, — а это может помочь в построении теории квантовой гравитации, предполагают ученые в работе в Classical and Quantum Gravity.

Вокруг черных дыр образуется светящаяся область, которая включают плазму и фотонные кольца. Фотонные кольца имеют особую структуру и состоят из фотонов, сделавших разное количество полуоборотов вокруг черной дыры перед тем, как начать движение 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.

Илья Бения