Nota editorului, 23 septembrie 2008: revista Smithsonian a profilat astrofizicianul Andrea Ghez în aprilie 2008. Astăzi, Ghez a fost unul dintre 28 de beneficiari ai unei prestigioase subvenții pentru geniul MacArthur, recunoscând contribuțiile sale la studiul găurilor negre în evoluția galaxiilor.
Din această poveste
[×] ÎNCHIS
Cercetătorii conduși de Andrea Ghez, astrofizician la UCLA, au folosit imagini telescopice realizate din 1995, însă în 2006, pentru a crea această animație care arată mișcarea unor stele selecte din centrul Căii Lactee. Orbitele acestor stele și calculele făcute folosind legile Keplers ale mișcării planetare oferă cele mai bune dovezi pentru existența unei găuri negre în centrul Căii Lactee. De remarcat sunt steaua S0-2, care orbitează gaura neagră o dată la 15, 56 ani, și steaua S0-16, care se află în 90 de unități astronomice (distanța de la pământ la soare) a găurii negre
Video: Calea Lactee se deplasează
[×] ÎNCHIS
În aproximativ patru miliarde de ani de acum, galaxiile Calea Lactee și Andromeda se vor prăbuși împreunăVizualizare: NASA, ESA și F. Summers, credit de simulare STScI: NASA, ESA, G. Besla, Universitatea Columbia și R. van der Marel, STScI
Video: Ce se întâmplă când galaxiile se ciocnesc?
Continut Asemanator
- În găurile negre
De pe vârful Mauna Kea, la aproape 14.000 de metri deasupra Oceanului Pacific, Calea Lactee se înclină luminos pe cerul nopții, o vedere marginală asupra galaxiei noastre. Părți ale discului mare sunt întunecate de praf, iar dincolo de una dintre acele pete de praf, în apropiere de ceainicul constelației Săgetător, se află centrul Căii Lactee. Ascunsă este o structură profund misterioasă în jurul căreia se învârtesc peste 200 de miliarde de stele.
În spatele meu în vârful stâncilor vulcanice ale acestui vulcan latent de pe insula Hawaii se află cupolele gemene ale Observatorului WM Keck. Fiecare cupolă găzduiește un telescop cu o oglindă uriașă de aproape 33 de metri lățime și, ca ochiul unei muste, format din segmente interblocate. Oglinzile sunt printre cele mai mari din lume pentru colectarea luminii stelare, iar unul dintre telescoape a fost echipat cu un nou instrument orbitor care îi crește mult puterea. Mă uit la cea mai apropiată dintre brațele spiralate ale Căii Lactee, în timp ce aștept ca tehnicienii să flutureze comutatorul.
Apoi, dintr-o dată și cu un ușor clic al unui obturator glisant deschis, un fascicul laser portocaliu-auriu se trage în cer de la cupola deschisă. Raza de lumină, lată de 18 cm, pare să se încheie în interiorul uneia dintre cele mai negre pete din Calea Lactee. De fapt, se termină la 55 de mile deasupra suprafeței Pământului. Semnalul pe care îl face acolo permite telescopului să compenseze neclaritatea atmosferei Pământului. În loc de imagini zgâlțâite înfundate de râurile în continuă schimbare de aer peste capul nostru, telescopul produce imagini la fel de clare ca oricare obținute de sateliții din spațiu. Keck a fost unul dintre primele observatoare care au fost echipate cu un ghid laser; acum alte jumătate de duzină încep să le folosească. Tehnologia oferă astronomilor o viziune ascuțită asupra miezului galaxiei, unde stelele sunt împachetate la fel de strâns ca un roi de vară de gânați și se învârt în jurul celui mai întunecat loc dintre toate: o gaură neagră uriașă.
Gaura neagră a Calea Lactee este, fără îndoială, cel mai ciudat lucru din galaxia noastră - o cavitate tridimensională în spațiu de zece ori mai mare decât dimensiunea fizică a soarelui nostru și de patru milioane de ori masa, o groapă virtuală fără fund din care nu scapă nimic. Fiecare galaxie majoră, se crede acum, are o gaură neagră la miezul său. Și pentru prima dată, oamenii de știință vor putea studia devastările pe care le provoacă aceste entități pline de minte. De-a lungul acestui deceniu, astronomii Keck vor urmări mii de stele prinse în gravitatea găurii negre a Căii Lactee. Ei vor încerca să-și dea seama cum se nasc stelele în apropierea sa și cum distorsionează țesătura spațiului în sine. "Mi se pare uimitor că putem vedea stele care se plimbă în jurul găurii noastre negre a galaxiei", spune Taft Armandroff, directorul Observatorului Keck. „Dacă mi-ai fi spus ca student absolvent că o să văd asta pe parcursul carierei mele, aș fi spus că este science fiction”.
Cu siguranță, dovezile pentru găuri negre sunt în totalitate indirecte; astronomii nu au văzut niciodată unul. Teoria generală a relativității lui Albert Einstein a prezis că gravitatea unui corp extrem de dens ar putea îndoi o rază de lumină atât de grav încât nu a putut scăpa. De exemplu, dacă ceva cu masa soarelui nostru s-ar micșora într-o bilă în diametru de o milă și jumătate, ar fi suficient de dens pentru a prinde lumina. (Pentru ca Pământul să devină o gaură neagră, masa sa ar trebui să fie comprimată la dimensiunea unei mazăre.)
În 1939, J. Robert Oppenheimer, omul credit cu dezvoltarea bombei atomice, a calculat că o astfel de compresie drastică ar putea să se întâmple cu cele mai mari stele după ce au rămas cu hidrogen și alt combustibil. Odată ce stelele s-au revărsat, Oppenheimer și un coleg s-au poziționat, gazul rămas s-ar prăbuși datorită gravitației sale într-un punct infinit de dens. Observațiile telescopului din anii 1960 și 1970 au susținut teoria. Câțiva cercetători au sugerat singura sursă de energie posibilă pentru ceva atât de luminos precum cvasarii - baloane extrem de strălucitoare de miliarde de ani-lumină distanță - ar fi o concentrare de milioane de soluri trase împreună de ceea ce oamenii de știință au numit mai târziu o gaură neagră super-masivă. Apoi, astronomii au descoperit stele care păreau să biruiască în jurul unor entități invizibile pe Calea Lactee, și au ajuns la concluzia că doar atragerea de gravitație din micile găuri negre - care conține de mai multe ori masa soarelui nostru și cunoscută sub numele de gauri de masă stelară - ar putea păstra stelele. în orbite atât de strânse.
Telescopul spațial Hubble s-a adăugat la dovezile pentru găuri negre din anii 90 prin măsurarea cât de repede se rotesc părțile cele mai interioare ale altor galaxii - până la 1, 1 milioane de mile pe oră în galaxiile mari. Vitezele de pornire au indicat nuclee care conțin de până la un miliard de ori masa Soarelui. Descoperirea că găurile negre supermasive sunt în centrul majorității, dacă nu toate, galaxiile a fost una dintre cele mai mari realizări ale lui Hubble. "La începutul sondajului Hubble, aș fi spus că găurile negre sunt rare, poate o galaxie din 10 sau 100 și că ceva nu a mers în istoria acelei galaxii", spune omul de știință Hubble, Douglas Richstone, de la Universitatea din Michigan. "Acum am arătat că sunt echipamente standard. Este cel mai remarcabil lucru."
Chiar și de la Hubble, însă, miezul Căii Lactee a rămas evaziv. Dacă galaxia noastră arăta o gaură neagră super-masivă, era liniștită, lipsită de centurile de energie văzute de la ceilalți. Hubble, care a fost deservit și modernizat pentru ultima dată în 2009, poate urmări grupuri de stele în apropierea centrelor galaxiilor îndepărtate, dar din cauza unghiului său de vedere îngust și a norilor de praf groși ai galaxiei noastre, nu poate avea același fel de imagini din galaxia noastră. O altă abordare ar fi urmărirea stelelor individuale din vecinătatea găurii negre folosind lumina infraroșie, care călătorește prin praf, dar stelele erau prea slabe și prea aglomerate pentru a rezolva majoritatea telescoapelor la sol. Cu toate acestea, unii astronomi din anii 90 au încurajat să fie posibile observații ale miezului Calea Lactee. O serie de întrebări îngrozitoare ar putea fi apoi adresate: Cum trăiesc și mor stelele în acel cadru sălbatic? Ce consumă o gaură neagră? Și putem fi martorii, în centrul Căii Lactee, a spațiului și a timpului distorsionat prevăzuți de Einstein în urmă cu aproape un secol?
Sala de control Keck se află la 20 de mile de telescop, în orașul ranching Waimea. Pentru cercetătorii de acolo, laserul spectaculos este vizibil doar sub forma unui fascicul wan de pe un monitor de computer. Astronomii își verifică caietele și urmăresc ecranele pline cu date de la telescop, citirile meteo și cele mai recente imagini ale stelelor vizate. Ei folosesc un link video pentru a discuta cu operatorul de telescop, care va petrece toată noaptea la summit. Lucrurile merg atât de lin, încât nu sunt multe de făcut. Telescopul va rămâne blocat pe același loc din cer timp de patru ore; laserul funcționează bine și o cameră atașată la telescop necesită o expunere de 15 minute după alta într-o secvență automatizată. „Este vorba despre cel mai plictisitor tip de observație existentă”, îmi spune scuze, la Universitatea din California, din Los Angeles, astronomul Mark Morris.
Chiar și așa, în cameră există tensiune. Această echipă de astronomi, condusă de Andrea Ghez de la UCLA, se află într-o competiție continuă cu astronomi la Institutul Max Planck pentru fizică extraterestră din Garching, Germania. De la începutul anilor ’90, astrofizicianul Garching Reinhard Genzel și colegii săi au studiat gaura neagră din centrul Căii Lactee folosind Telescopul Tehnologiei Noi și matricea foarte mare din Chile. Ghez, în vârstă de 45 de ani, își împinge elevii să obțină la maxim fiecare sesiune de observație la Keck. Acum șase ani a fost aleasă la Academia Națională de Științe - o onoare pentru cineva care încă mai are 30 de ani. „Este ușor să fii în fruntea astronomiei dacă ai acces la cele mai bune telescoape din lume”, spune ea.
În urmă cu aproape un deceniu, echipele americane și germane au dedus în mod independent că doar o gaură neagră uriașă ar putea explica comportamentele stelelor din miezul Căii Lactee. Stelele care înconjoară o masă grea - fie o gaură neagră sau o stea mare - călătoresc prin spațiu mult mai repede decât cele care înconjoară o masă mai mică. Din punct de vedere vizual, masa mai mare creează o pâlnie mai profundă în țesătura spațiului în jurul căreia se învârt stelele; ca frunzele înconjurătoare într-un jacuzzi, cu cât este mai adâncă vârtejul, cu atât frunzele se învârt mai repede. Alți astronomi văzuseră stele și nori de gaz cu mișcare rapidă în apropierea centrului Calea Lactee, așa că atât Ghez, cât și Genzel bănuiau că un grup dens de materie era ascuns din vedere.
Compunând cu atenție fotografii cu infraroșu, luate luni și ani întregi, cele două echipe au urmărit stelele cele mai interioare, cele aflate într-o lună lumină din centrul galaxiei. Combinate, imaginile sunt ca niște filme în timp ale mișcărilor vedetelor. „De la început, era clar că există câteva stele care doar transportau”, își amintește Ghez. „Clar, erau extrem de aproape de centru”. Ceva îi prindea într-un vârtej adânc. O gaură neagră avea cel mai mult sens.
Clincherul a venit în 2002, când ambele echipe și-au ascuțit imaginile folosind o optică adaptivă, tehnologie care compensează neclaritatea atmosferei. Oamenii de știință au urmărit stele care orbitează periculos de centrul galaxiei și au descoperit că cea mai rapidă viteză a stelei era de 3% din viteza luminii - aproximativ 20 de milioane de mile pe oră. Aceasta este o viteză uluitoare pentru un glob de gaz mult mai mare decât soarele nostru și a convins chiar și pe scepticii că o gaură neagră supermasivă era responsabilă pentru asta.
Neclaritatea atmosferei Pământului a afectat utilizatorii telescopului de la primele studii ale lui Galileo asupra lui Jupiter și Saturn în urmă cu 400 de ani. A privi o stea prin aer este ca și cum ai privi un ban pe fundul unei piscine. Curenții de aer fac ca lumina stelelor să se aprindă înainte și înapoi.
Gaura neagră a galaxiei noastre emite raze X (făcute vizibile aici într-o imagine din telescopul satelit Chandra) în timp ce materia se învârte spre ea. (Marshall Space Flight Center / NASA) În anii 90, inginerii au învățat să șteargă distorsiunile cu o tehnologie numită optică adaptivă; calculatoarele analizează modelul sclipitor al luminii stelelor de intrare pe o milisecundă cu o milisecundă și folosesc aceste calcule pentru a conduce un set de pistoane pe spatele unei oglinzi subțiri și pliabile. Pistoanele flexează oglinda de sute de ori pe secundă, reglând suprafața pentru a contracara distorsiunile și formează un punct central ascuțit.
Tehnologia a avut o limitare majoră. Calculatoarele aveau nevoie de o lumină de ghidare clară ca un fel de punct de referință. Sistemul a funcționat numai dacă telescopul era orientat aproape de o stea sau planetă strălucitoare, limitând astronomii la doar 1 la sută din cer.
Prin crearea unei stele de ghid artificial oriunde este nevoie, laserul Observatorului Keck înlătură această limitare. Fasciculul laser este reglat pe o frecvență care luminează atomii de sodiu, care sunt lăsați prin dezintegrarea meteoritelor într-un strat al atmosferei. Calculatoarele lui Keck analizează distorsiunea din coloana de aer dintre oglinda telescopului și stea creată cu laser.
În interiorul cupolei de 101 metri înălțime a telescopului, sistemul laser se află într-o incintă cu dimensiunea autobuzului. Laserul pornește cu o putere de 50.000 de wați, care amplifică fasciculul de lumină într-o soluție de vopsit fabricată din etanol 190-proof. Dar, până când lumina este reglată la culoarea corectă, iar energia sa este canalizată de-a lungul unei singure căi, puterea sa scade la aproximativ 15 wați - încă suficient de luminos încât Administrația Aviației Federale impune observatorului să închidă laserul dacă un avion este se aștepta să zboare lângă calea sa. De la câteva sute de metri laserul arată ca un fascicul de creion de chihlimbar. De la un pic mai departe nu este deloc vizibil. În ceea ce privește restul insulei, la Mauna Kea nu există niciun spectacol cu laser.
Identificarea unei găuri negre este un lucru; descrierea este alta. „Este dificil să pictezi o imagine care are legătură cu lumea așa cum o înțelegem, fără a folosi complexitatea matematică”, spune Ghez într-o după-amiază la centrul de control Keck. A doua zi, o întreabă pe fiul ei de 6 ani dacă știe ce este o gaură neagră. Răspunsul său rapid: "Nu știu, mami. Nu ar trebui?"
Mark Morris crede că „chiuveta” face o metaforă adecvată pentru o gaură neagră. Dacă ai fi în spațiu lângă gaura neagră, spune el, ai vedea că lucrurile dispar în ea din toate direcțiile.
Atât lui Ghez, cât și al lui Morris le place să își imagineze privirea dintr-o gaură neagră. "Acesta este centrul orașului înfloritor al galaxiei, în comparație cu suburbiile în care ne aflăm", spune Ghez. "Stelele se mișcă cu viteze extraordinare. Ai vedea că lucrurile se schimbă la o scară de timp de zeci de minute." Morris preia această temă. „Dacă te uiți la cerul nopții de pe un munte frumos, îți îndepărtează respirația câte stele există”, spune el. "Acum, înmulțiți asta cu un milion. Așa arăta cerul din centrul galactic. Ar fi ca un cer plin de Jupiteri și câteva stele la fel de strălucitoare ca Luna plină."
Într-un cadru atât de magnific, legile fizicii sunt răsucite minunat. Ghez și Morris speră să strângă primele dovezi conform cărora stelele călătoresc într-adevăr pe căile orbitale ciudate prezise de teoria relativității lui Einstein. Dacă da, fiecare stea ar urmări ceva asemănător unui model dintr-o jucărie cu desen Spirograf: o serie de bucle care se schimbă treptat în poziție în raport cu gaura neagră. Ghez crede că ea și colegii ei sunt la câțiva ani distanță de a depista această schimbare.
Cu fiecare nouă descoperire, miezul Căii Lactee devine mai perplex și mai fascinant. Atât echipele lui Ghez, cât și ale lui Genzel au fost uimite să descopere multe stele tinere masive din cartierul găurii negre. Există scoruri dintre ei, cu vârsta de doar cinci-zece milioane de ani - sugari, în termeni cosmici - și sunt de aproximativ zece ori mai masivi decât soarele nostru. Nimeni nu este în întregime sigur cum au ajuns atât de aproape de gaura neagră sau cum au ajuns. În altă parte a galaxiei, stelele gestante necesită un pântec rece și calm într-un nor mare de praf și gaze. Nucleul galactic este altceva decât calm: radiațiile intense inundă zona, iar gravitația găurii negre ar trebui să mărunțească pepiniere gazoase înainte de a se incuba acolo. Așa cum a spus Reinhard Genzel la o conferință în urmă cu câțiva ani, acele tinere vedete „nu au dreptul al naibii de a fi acolo”. Este posibil ca unii dintre ei s-au născut mai departe și au migrat spre interior, dar majoritatea teoreticienilor cred că sunt prea tineri pentru acel scenariu. Morris crede că gravitația intensă comprimă gazul în spirală într-un disc din jurul găurii negre, creând noi soare într-un tip de naștere a stelelor care nu a fost văzut în niciun alt mediu galactic.
Aceste stele tinere se vor autodistruge acum câteva milioane de ani. Iar când o vor face, cei mai masivi vor lăsa în urmă mici găuri negre. Morris teoretizează că sute de mii de aceste găuri negre cu masă stelară, acumulate din generațiile trecute de stele, se învârt în jurul găurii negre centrale, supermasive. Găurile negre din masa stelară au doar aproximativ 20 de mile lățime, astfel încât coliziunile dintre ele ar fi rare. În schimb, Morris spune: „Vei avea găuri negre care se balansează una peste alta în timpul nopții și stelele care se deplasează prin acest derby de distrugere. O ratare aproape între una dintre găurile negre și o stea ar putea împrăștia steaua în gaura neagră supermasivă sau în afara centrului galactic în întregime ". Teoreticienii consideră că gaura neagră supermasivă poate gâdilă o stea o dată la zeci de mii de ani - un eveniment care ar inunda centrul galaxiei cu radiații. „Ar fi un eveniment spectaculos”, spune Morris.
Astronomii văd semne de o asemenea zbuciumare atunci când examinează interiorul Calea Lactee cu radiografii și telescoape radio, care detectează undele de șoc ale exploziilor din trecut. Gurile negre uriașe din alte galaxii sunt prea departe pentru ca astronomii să studieze în asemenea profunzime, spune Avi Loeb, directorul Institutului de Teorie și Calcul al Centrului de Astrofizică Harvard-Smithsonian din Cambridge, Massachusetts. De aceea, el stă la fiecare anunț din partea echipelor Ghez și Genzel. „Progresele realizate de observatori într-un timp atât de scurt au fost cu adevărat remarcabile”, spune el. „Noi, teoreticienii, suntem toți cheerleaders pentru ei”.
Loeb și alții pictează o nouă imagine despre cum a evoluat universul și 100 de miliarde de galaxii de la Big Bang în urmă cu 13, 7 miliarde de ani. Ei cred că toate galaxiile au început cu găuri negre, încă neexplicate „de sămânță” - de zeci până la mii de ori masa soarelui nostru - care au crescut exponențial în timpul ciclurilor de hrănire violente când galaxiile s-au ciocnit, ceea ce le făceau mai des când universul era mai tânăr. iar galaxiile erau mai strânse între ele. Într-o coliziune, unele stele se catapulează în spațiul adânc, iar alte stele și gaze intră în noua gaură neagră combinată din centrul galaxiilor. Pe măsură ce gaura neagră crește, spune Loeb, se transformă într-un cvasar furibund, cu gaz încălzit la miliarde de grade. Quasarul apoi aruncă restul gazelor din galaxie în întregime. După ce gazul s-a epuizat, Loeb spune, „gaura neagră super-masivă stă în centrul galaxiei, stă în picioare și înfometat”.
Se pare că Calea noastră Lactee, cu gaura sa neagră de dimensiuni modeste, a absorbit doar câteva galaxii mai mici și nu a alimentat niciodată un quasar. Cu toate acestea, o coliziune de temut apare. Cea mai apropiată galaxie mare, numită Andromeda, se află pe un traseu de coliziune cu Calea Lactee. Cei doi vor începe să se contopească acum aproximativ două miliarde de ani, formând treptat o galaxie masivă pe care Loeb și fostul său coleg Harvard-Smithsonian TJ Cox o numesc „Milkomeda”. Gurile negre centrale ale super-masive ale galaxiilor se vor ciocni, devorând torenți de gaz și aprindând un nou quasar pentru o perioadă scurtă de timp în această parte sedată a universului. "Am înflorit târziu în această privință", remarcă Loeb. „S-a întâmplat la majoritatea celorlalte galaxii de la început”. (Pământul nu va fi aruncat de pe orbita Soarelui de coliziune și nu ar trebui să fie lovit de nimic în timpul fuziunii. Dar vor fi mult mai multe stele pe cer.)
Viitorul tulburător al galaxiei noastre deoparte, Loeb speră că în curând - poate într-un deceniu - vom avea prima imagine a găurii negre supermasive a Căii Lactee, datorită unei rețele globale emergente de telescoape „val de milimetru”. Numite pentru lungimea de undă a undelor radio pe care le detectează, instrumentele nu vor vedea de fapt gaura neagră. Mai degrabă, în concert, vor cartografia umbra pe care o aruncă pe o perdea de gaz fierbinte din spatele ei. Dacă totul merge bine, umbra va avea o formă distinctivă. Unii teoreticieni se așteaptă ca gaura neagră să se învârtă. Dacă da, conform tragerii contraintuitive a spațiului prevăzută de Einstein, viziunea noastră despre umbră va fi denaturată în ceva asemănător cu o lacrimă înfundată. „Ar fi cea mai remarcabilă imagine pe care am putea-o avea”, spune Loeb.
În cea de-a patra și ultima noapte a observațiilor planificate ale lui Ghez, vântul și ceața de pe vârful Mauna Kea țin cupele telescopului închise. Așadar, astronomii își revizuiesc datele din nopțile anterioare. Imaginile din primele două nopți variau de la bine la excelent, spune Ghez; a treia noapte era „respectabilă”. Ea spune că este mulțumită: studenții ei au suficient pentru a-i ține ocupați, iar Tuan Do de la Universitatea California din Irvine a identificat câteva vedete mari, tinere, pe care să le adauge analizei echipei. "Mă simt incredibil privilegiat să lucrez la ceva la care mă distrez atât de mult", spune Ghez. "Este greu de crezut că găurile negre există cu adevărat, pentru că este o stare atât de exotică a universului. Am reușit să o demonstrăm și consider că este profund profund."
Ea își petrece cea mai mare parte a timpului supravegheând centrul de comandă de la Waimea, dar a fost în vârful Mauna Kea pentru a vedea laserul în acțiune. Când vorbim despre fascinanta vedere, este clar că Ghez apreciază o ironie: astronomii iubesc întunericul și adesea se plâng de orice sursă de lumină care ar putea interfera cu observațiile lor. Totuși, aici sunt, aruncând un cer de lumină în ceruri pentru a ajuta la iluminarea celui mai negru lucru pe care umanitatea îl poate spera vreodată.
Această poveste de Robert Irion a câștigat Premiul David N. Schramm al Societății Americane de Astronomie din 2010 pentru jurnalism științific.
