حلقة الضوء التي تدور حول الثقب الأسود قد تكشف أسرارها الداخلية

حلقة الضوء في مدار الثقب الأسود يمكن أن تكشف أسرارها الداخلية
حلقة الضوء في مدار الثقب الأسود يمكن أن تكشف أسرارها الداخلية - تحتوي حلقة الفوتون المتوهجة باللون البرتقالي في هذا التصور للضوء المتدفق حول الثقب الأسود على سلسلة متوالية من صور الكون بأكمله. المصدر: مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا / جيريمي شنيتمان

يتم توجيه معظم الفوتونات التي تسير نحو الثقب الأسود بهدوء أو يتم ابتلاعها بعمق ولا تهرب أبدًا. ومع ذلك ، فإن حفنة مختارة تتجنب الحفرة عن طريق إجراء سلسلة من المنعطفات الحادة. تستمر بعض هذه الفوتونات في الدوران حول الثقب الأسود إلى الأبد.

تعتبر الحلقة التي تلي الفوتونات التي تدور حول مدارها ، والتي يشير إليها علماء الفيزياء الفلكية باسم "كاميرا الفيلم الكوني" و "مصيدة الضوء الأبدي" ، واحدة من أكثر الظواهر غرابة في الطبيعة. يقول سام جرالا ، الفيزيائي بجامعة أريزونا ، إنه إذا تم اكتشاف الفوتونات ، "سترى كل مادة في الكون مرات لا نهائية".

لم تلفت حلقة الفوتونات التي تدور حول الثقب الكثير من الانتباه من قبل المنظرين ، على عكس أفق الحدث الأيقوني للثقب الأسود ، المنطقة التي تكون فيها الجاذبية شديدة بحيث لا يمكن لأي شيء الهروب. بالنظر إلى أن أفق الحدث يمثل حدود ما هو معروف عن الكون ، فمن المنطقي أن ينبهر العلماء به. وفقًا للنظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين ، تتبع الجاذبية منحنيات في المكان والزمان في معظم أنحاء الكون. لكن داخل الثقوب السوداء ، ينحني الزمكان بعنف لدرجة أن النسبية العامة لم تعد قائمة. لذلك ، تحول منظرو الجاذبية الكمومية إلى الأفق بحثًا عن حلول بحثًا عن وصف كمي أكثر دقة للجاذبية.

قال أندرو سترومينجر ، عالم الثقوب السوداء ومنظر الجاذبية الكمومية في جامعة هارفارد ، "لقد تبنت فكرة أن أفق الحدث هو ما نحتاج إلى فهمه. واعتقدت أن حلقة الفوتون كانت شيئًا صعبًا تقنيًا ليس له أهمية عميقة.

يقوم سترومينجر حاليًا بتحويل مساره من تلقاء نفسه ويقنع المفكرين الآخرين أن يحذوا حذوه. بعبارة "ثقوب كير السوداء" ، كان يشير إلى الثقوب السوداء الدوارة التي تتشكل عندما تموت النجوم وتنهار جاذبيتها. وقال: "نحن نستكشف بحماس فكرة أن حلقة الفوتون هي ما تحتاج إلى فهمه لكشف أسرار ثقوب كير السوداء".

في مقال بعنوان Classic Quantum Gravity على الإنترنت في مايو ، اكتشف سترومينجر وزملاؤه أن حلقة الفوتونات المحيطة بالثقب الأسود الدوار لها تناسق غير متوقع أو يمكن تغييرها وستظل كما هي. التناظر يعني أن الحلقة قد تحتوي على بيانات حول البنية الكمومية للثقب. وقال إن القضية الرئيسية لفهم ديناميكيات الكم للثقوب السوداء هي "رائحتها مثل شيء يتعلق بالتناظر".

يناقش الباحثون ما إذا كانت حلقة الفوتون هي جزء من "التوأم الهولوغرافي" للثقب الأسود. هذا نظام كمي يشبه الثقب الأسود ويمكن اعتباره بمثابة ثقب أسود يخرج من صورة ثلاثية الأبعاد.

أشار أليكس مالوني ، الباحث النظري في جامعة ماكجيل في كندا والذي لم يشارك في الدراسة ، إلى أن "هذا يفتح طريقًا مثيرًا للاهتمام لفهم الأشكال ثلاثية الأبعاد لهندسة [الثقب الأسود]." أجد أنه من المثير للغاية أن التناظر الجديد يحكم بنية الثقوب السوداء بعيدًا عن أفق الحدث.

هناك حاجة إلى مزيد من البحث النظري قبل أن يتمكن الباحثون من تحديد ما إذا كانت حلقة الفوتون ترمز المحتويات الداخلية للثقب الأسود أو كيف تقوم بذلك. يقترح المنظرون أن العمل الجديد يوفر اختبارًا نهائيًا لأي نظام كمي على الأقل يدعي أنه يمثل التوأم الهولوغرافي للثقب الأسود. لاحظ خوان مالداسينا من معهد الدراسات المتقدمة في برينستون ، نيو جيرسي ، أحد الآباء المؤسسين للتصوير الهولوغرافي: "هذا هدف للتصوير الهولوغرافي".

حلقة الفوتون: الإخفاء
حقيقة أن حلقة الفوتون مرئية بالفعل ، على عكس أفق الحدث ، تضيف إلى الإثارة المحيطة بها. لقد قام سترومينجر بالفعل بدورة دوران للخلف واتجه نحو هذه الحلقات كنتيجة للصورة الأولى للثقب الأسود. اعترفت بالبكاء عندما كشف عنها Event Horizon Telescope (EHT) في عام 2019.

وسرعان ما تبع الارتباك ابتهاجا. كان للثقب الأسود في الصورة حلقة بارزة من الضوء تحيط به ، لكن علماء الفيزياء التابعين لفريق EHT لم يكونوا متأكدين مما إذا كان هذا الضوء ناتجًا عن البيئة الفوضوية للثقب أو ما إذا كان يحتوي على حلقة الفوتون الخاصة بالثقب الأسود. استعانوا بمساعدة سترومينجر وزملائه النظريين لتحليل الصورة.

قاموا بفحص قاعدة البيانات الشاملة لمحاكاة الكمبيوتر التي استخدمها فريق EHT لفك شفرة الآليات الفيزيائية التي تسبب إنتاج الضوء حول الثقوب السوداء. في هذه الصور التي تم إنشاؤها بواسطة الكمبيوتر ، تمكنوا من تحديد الحلقة الصغيرة الساطعة داخل حلقة الضوء البرتقالية الأكبر والأكثر ضبابية.

وفقًا لشهار هادار من جامعة حيفا في إسرائيل ، والذي عمل في العمل مع سترومينجر وعلماء الفيزياء في EHT أثناء دراستهم في جامعة هارفارد ، "لا يمكنك أن تفوتك فرصة إلقاء نظرة على جميع عمليات المحاكاة". وفقًا لهدار ، يبدو أن تكوين حلقة الفوتون هو "تأثير عالمي" يحدث حول جميع الثقوب السوداء.

استنتج المنظرون أن الخط الحاد لحلقة الفوتون يوفر معلومات مباشرة حول خصائص الثقب الأسود ، بما في ذلك كتلته ومقدار دورانه ، على عكس زوبعة الجسيمات المتصادمة بعنف والحقول التي تحيط بالثقوب السوداء. وفقًا لـ Strominger ، يمكن القول إنها الطريقة الأكثر أناقة ورائعة لرصد الثقب الأسود.

وفقًا لفريق من علماء الفلك والمحاكاة والمنظرين ، فإن صورة EHT الفعلية التي تظهر الثقب الأسود في قلب المجرة القريبة Messier 87 لم تكن دقيقة بما يكفي لتمييز حلقة الفوتون ، لكنها ليست بعيدة. في منشور عام 2020 ، اقترحوا أن تكون حلقات الفوتون مرئية بسهولة في المراصد المستقبلية عالية الدقة.

تساءل سترومينجر وزملاؤه أيضًا عما إذا كان شكل حلقات الفوتون له معنى أعمق بعد التحديق فيها لفترة طويلة في عمليات المحاكاة.

إذا قام فوتون واحد بعمل دورة واحدة حول ثقب أسود قبل أن يتسارع نحو الأرض ، فسنرى حلقة واحدة من الضوء. يظهر الفوتونان اللذان يدوران على شكل حرف U على أنهما فرعي أرق وأكثر أثيريًا داخل الحلقة الرئيسية. بالإضافة إلى ذلك ، تظهر الفوتونات التي تقوم بثلاث دورات U على أنها جزء فرعي داخل فرع فرعي آخر ، وبالتالي تشكل حلقات متحدة المركز ، كل منها أرق وأقل تدريجيًا.

كنتيجة لحقيقة أن الضوء من الحلقات السفلية الداخلية يدور أكثر ، وبالتالي يتم تسجيله قبل الضوء من الحلقات السفلية الخارجية ، يتم إنتاج الصور المتأخرة زمنيًا للكون المحيط بالترادف. في مقالهم لعام 2020 ، ذكرت المجموعة أن "مجموعة العناصر الفرعية معًا تشبه لقطات فيلم ، توثق تاريخ الكون المرئي كما يُرى من الثقب الأسود."

وفقًا لـ Strominger وزملائه ، جعلتنا لقطات EHT نعتقد أن هناك عددًا غير محدود من نسخ الكون على تلك الشاشة؟ ألا يمكن أن يكون هذا هو المكان المناسب لثنائي الهولوغرافيك؟

خلص الباحثون إلى أن البنية الدائرية للحلقة تشير إلى فئة من التناظر تُعرف باسم التناظر التوافقي. ثبات المقياس ، أو القدرة على أن تبدو متشابهة سواء قمت بالتكبير أو التصغير ، هي سمة من سمات الأنظمة المتناظرة المتناغمة. كل فوتون فرعي في هذا المثال هو نسخة دقيقة ومُصغّرة من النسخة السابقة له. يحتفظ النظام المتناسق بشكل متناغم بشكله الأصلي عندما يتم قلب جميع الإحداثيات المكانية وإزاحتها ثم عكسها مرة أخرى ، وكذلك عند تحريك الوقت للأمام أو للخلف.

في التسعينيات ، واجه سترومينغر تناسقًا متناغمًا عندما ظهر في نوع معين من الثقب الأسود خماسي الأبعاد الذي كان يدرسه.

من خلال تحليل خصائص هذا التناظر بعناية ، اكتشف هو وكومرون فافا تقنية جديدة لربط النسبية العامة بالعالم الكمي ، على الأقل ضمن هذه الأنواع المتطرفة من الثقوب السوداء. لقد ابتكروا لإزالة الثقب الأسود واستبدال أفق الحدث بسطح أطلقوا عليه اسم اللوحة الثلاثية الأبعاد ، والتي تحتوي على نظام من الجسيمات الكمومية التي تلتزم بالتناظر المطابق. ربطوا خصائص النظام بخصائص الثقب الأسود ، كما لو كانت صورة ثلاثية الأبعاد عالية الأبعاد للنظام الكمي المطابق للثقب الأسود. وبذلك ، أنشأوا رابطًا بين تعريف النسبية العامة للثقب الأسود والتعريف الميكانيكي الكمومي.

طبقت Maldacena نفس مبدأ التصوير المجسم على عالم لعبة كامل في عام 1997. انعكس نظام كمومي متناسق ومتناسق يعيش على سطح الزجاجة تمامًا في الزمكان ومعايير الجاذبية داخل الزجاجة ، واصفًا إياه بـ "كون داخل كون". بدا الجزء الداخلي وكأنه "عالم" مُسقط بشكل ثلاثي الأبعاد من سطحه ذي الأبعاد المنخفضة.

قبل العديد من المنظرين النظرية القائلة بأن الكون الحقيقي هو صورة ثلاثية الأبعاد نتيجة للاكتشاف. المشكلة هي أن كوزموس مالداسينا في الزجاجة يختلف عن كوننا. حدوده الخارجية تشبه سطحًا لأنه مليء بزمكان منحني سالبًا.

يعتقد المنظرون أن كوننا مسطح ، لكنهم غير متأكدين من الشكل الذي سيبدو عليه الثنائي المجسم للزمكان المسطح. قال سترومينغر: "نحتاج إلى العودة إلى العالم الحقيقي بينما نستلهم ما نكتشفه في هذه الأكوان الخيالية".

لذلك قرر الفريق البحث عن ثقب أسود دوار معقول في الزمكان المسطح ، على غرار تلك التي شوهدت في الصور الملتقطة بواسطة Event Horizon Telescope. "يجب أن يكون موطن الثنائي المجسم هو السؤال الأول الذي يجب تحديده. ثم ما هي التماثلات؟ قال هدار.

محاولة العثور على ثنائي الثلاثية الأبعاد
في الماضي ، أثبت التناظر المطابق أنه مؤشر موثوق به عند البحث عن الأنظمة الكمية التي ترسم خريطة ثلاثية الأبعاد للأنظمة القائمة على الجاذبية.

وفقًا لسترومينغر ، فإن الحديث عن التناظر المطابق والثقب الأسود في نفس الجملة يعادل التلويح باللحوم الحمراء أمام كلب.

بدأت المجموعة في البحث عن علامات التناظر المتوافق من تعريف الثقوب السوداء الدوارة في النسبية العامة ، والمعروفة باسم مقياس كير. لقد تخيلوا دق الثقب المظلم حتى دق مثل الجرس. على سبيل المثال ، هذه الاهتزازات التي تتلاشى ببطء هي موجات في الفضاء ، على غرار موجات الجاذبية الناتجة عن اصطدام ثقبين أسودين. على غرار كيفية اعتماد نغمات الجرس على شكل الجرس ، سيهتز الثقب الأسود عند بعض الترددات الرنانة (أي مقياس كير) اعتمادًا على شكل الزمكان.

مقياس كير معقد للغاية ويجعل من المستحيل تحديد النمط الدقيق للاهتزازات. فقط من خلال الأخذ في الاعتبار الاهتزازات عالية التردد التي تنتج عن الاصطدامات الشديدة مع الثقب الأسود ، تمكن الفريق من التنبؤ بالنمط. اكتشفوا صلة بين بنية حلقات الفوتون للثقب الأسود ونمط الموجة عالية الطاقة هذا. النموذج "مدفوع بالكامل بحلقة الفوتون" ، وفقًا لما ذكره أليكس لوبساسكا من مبادرة فاندربيلت للجاذبية والأمواج والسوائل في ولاية تينيسي ، والذي شارك في الدراسة الجديدة جنبًا إلى جنب مع سترومينجر وهدار ودانييل كابيك من جامعة هارفارد.

كان جائحة Covid-2020 في صيف عام 19 نقطة تحول. تمكن الباحثون أخيرًا من الالتقاء وجهًا لوجه بعد وضع السبورات والكراسي على العشب أمام مختبر جيفرسون للفيزياء بجامعة هارفارد. اكتشفوا أن الأشكال المتتالية للثقوب السوداء الحلقية مرتبطة بتناظر متناغم ، على غرار التناظر المتطابق الذي يربط كل حلقة فوتون بالحلقة السفلية أدناه. وفقًا لسترومينجر ، قد يمثل الارتباط بين حلقات الفوتون واهتزازات الثقب الأسود "مقدمة" للتصوير المجسم.

دليل آخر على أن حلقة الفوتون قد تكون غير عادية يأتي من علاقتها غير المتوقعة بهندسة الثقب الأسود. قال هدار: "إنه أمر غريب للغاية".

بينما تمشي عبر الأجزاء المختلفة من حلقة الفوتون ، فأنت في الواقع تستكشف أنصاف أقطار أو أعماق مختلفة للثقب الأسود.

تظهر هذه النتائج سترومينغر أن "المرشح الطبيعي" لجزء من اللوحة الثلاثية الأبعاد للثقب الأسود الدوار هو حلقة الفوتون ، وليس أفق الحدث.

إذا كان الأمر كذلك ، فقد يكون نهجًا جديدًا للتفكير في مفارقة معلومات الثقب الأسود ، وهو لغز طويل الأمد يتضمن ما يحدث لبيانات حول الأجسام التي تسقط في الثقوب السوداء. تشير التقديرات الحديثة إلى أن الكون أبقى بطريقة ما هذه المعلومات آمنة حيث تبدد الثقب الأسود في النهاية. الآن ، وفقًا لـ Strominger ، يمكن الاحتفاظ بالبيانات على اللوحة الثلاثية الأبعاد.

اقترح أنه ربما لا تدخل المعلومات في الواقع إلى الثقب الأسود ، لكنها معلقة في سحابة تحيط به ، والتي تمتد على الأرجح إلى حلقة الفوتون. وتابع: "لكننا لا نعرف بالضبط كيف يعمل أو كيف يتم ترميزه هناك".

يختلف بعض منظري الجاذبية الكمومية مع فرضية سترومينجر وزملائه القائلة بأن التوأم المجسم موجود في حلقة الفوتون أو بالقرب منها ، معتقدين أنه استقراء حازم للغاية من تناظر الحلقة المنسق.

إن مسألة مكان وجود الثنائي المجسم أعمق بكثير من مسألة التناظر. صرح دانيال هارلو ، الخبير في الجاذبية الكمومية والثقوب السوداء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. يؤكد هارلو أنه في هذه الحالة ، يجب أن تُظهر ثنائية ثلاثية الأبعاد مقنعة كيف تتطابق خصائص حلقة الفوتون ، مثل مسارات وترددات الفوتونات الفردية ، رياضيًا.

ومع ذلك ، فإن الاكتشاف الجديد يوفر إبرة قيمة يجب أن يمر بها أي ثنائي ثلاثي الأبعاد مقترح ، وفقًا لعدد من الخبراء: يجب أن يكون الثنائي قادرين على ترميز النمط الاهتزازي المميز للثقب الأسود الذي يدور بعد ضربه مثل الجرس.

وفقًا لـ Strominger ، فإن مطلب أن النظام الكمي الذي يصمم الثقب الأسود يجب أن يعيد إنتاج كل هذا التعقيد هو قيد قوي للغاية لا نحاول استخدامه أبدًا. وفقًا للفيزيائية النظرية إيفا سيلفرشتاين من جامعة ستانفورد ، يبدو أنها قطعة رائعة جدًا من البيانات النظرية التي يحاول الناس نسخها عند محاولة عمل تعريف ثنائي ثلاثي الأبعاد.

وافق مالداسينا على أنه سيكون من المثير للاهتمام معرفة كيفية دمج ذلك في الثنائي المجسم. لذلك ، من المحتمل أن يشجع بعض البحث في هذا المجال.

يعتقد مالوني أن التناظر المكتشف حديثًا لحلقة الفوتون سيكون موضع اهتمام المنظرين والجماهير على حدٍ سواء. في غضون بضع سنوات ، يمكن أن يبدأ Event Horizon Telescope في اكتشاف حلقات الفوتون إذا تم تمويل التحسينات المأمولة.

ومع ذلك ، فإن البيانات من الملاحظات المستقبلية لهذه الحلقات ستسمح باختبارات جادة للنسبية العامة بالقرب من الثقوب السوداء بدلاً من اختبار التصوير المجسم مباشرة. يجب اختبار بنية مصائد الضوء اللانهائية المحيطة بالثقوب السوداء ، والقدرة على ترميز الأسرار داخلها رياضيًا ، من قبل المنظرين باستخدام حسابات بالقلم الرصاص والورق.

المصدر: مجلة كوانتا / توماس ليوتن

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Günceleme: 12/09/2022 11:47

إعلانات مماثلة

كن أول من يعلق

Yorumunuz