Editor's Note, 23. septembra 2008: Revija Smithsonian je aprila 2008 profilirala astrofizičarko Andreo Ghez, danes pa je bila ena izmed 28 prejemnic prestižne štipendije za genij MacArthur, ki je priznala svoj prispevek k preučevanju črnih lukenj v evoluciji galaksij.
Iz te zgodbe
[×] ZAPRTA
Raziskovalci pod vodstvom Andrea Ghez, astrofizičarke na UCLA, so uporabili slike teleskopa, posnete od leta 1995 do leta 2006, da bi ustvarili to animacijo, ki prikazuje gibanje izbranih zvezd v središču Mlečne poti. Orbite teh zvezd in izračuni, uporabljeni po Keplersovih zakonih gibanja planetov, so najboljši dokazi za obstoj črne luknje v središču Mlečne poti. Posebej velja omeniti zvezdo S0-2, ki kroži v črni luknji enkrat na 15, 56 let, in zvezdo S0-16, ki pride znotraj 90 astronomskih enot (oddaljenost od zemlje do sonca) črne luknje
Video: Mlečni pot se premika
[×] ZAPRTA
V približno štirih milijardah let se bosta galaksiji Mlečna pot in Andromeda strmoglaviliVizualizacija: NASA, ESA in F. Summers, STScI Simulacija: NASA, ESA, G. Besla, Columbia University in R. van der Marel, STScI
Video: Kaj se zgodi, ko se galaksije trčijo?
Sorodne vsebine
- V notranjosti Črne luknje
Z vrha Mauna Kea, skoraj 14.000 čevljev nad Tihim oceanom, se Mlečna pot svetlobno nagiba čez nočno nebo, ob robu naše galaksije. Deli velikega diska so zakriti prah, in zunaj enega od teh prašnih madežev, blizu čajnika ozvezdja Strelec, leži središče Mlečne poti. Skrita je globoko skrivnostna zgradba, okoli katere se vrti več kot 200 milijard zvezd.
Za menoj na vrtoglavih skalah tega mirujočega vulkana na otoku Havaji so dvojne kupole opazovalnice WM Keck. Vsaka kupola ima teleskop z velikanskim ogledalom, širokim skoraj 33 čevljev, in podobno kot muharjevo oko, sestavljen iz prepletenih segmentov. Ogledala so med največjimi na svetu za zbiranje zvezdne svetlobe, eden od teleskopov pa je opremljen z bleščeče novim orodjem, ki močno poveča njegovo moč. Gledam v najbližje milostne spiralne roke Mlečne poti, ko čakam, da tehniki preklopijo stikalo.
Potem nenadoma in z rahlim klikom odprte zaslonke zlato-oranžni laserski žarek strelja v nebo z odprte kupole. Zdi se, da se žarek svetlobe, širok 18 centimetrov, konča znotraj ene najbolj črnih točk na Mlečni poti. Dejansko se konča 55 milj nad površino Zemlje. Signal, ki ga odda tam, omogoča teleskopu, da kompenzira zamegljenost Zemljine atmosfere. Namesto razburljivih slik, ki so jih razmazale nenehno premikajoče se reke zraka nad našimi glavami, teleskop ustvari slike, jasne kot vse, ki jih dobijo sateliti v vesolju. Keck je bil eden prvih opazovalnic, ki so ga opremili z laserskim vodnikom; zdaj jih začne uporabljati pol ducata drugih. Tehnologija astronomom omogoča oster pogled na jedro galaksije, kjer so zvezde natrpane tako tesno kot poletni roj dronov in se vrtijo okoli najbolj črnega mesta vseh: velikanske črne luknje.
Črna luknja Mlečne poti je nedvomno najčudnejša stvar naše galaksije - tridimenzionalna votlina v vesolju, ki je desetkrat večja od fizične velikosti našega sonca in štiri milijone krat večje od mase, navidezna brezdna jama, iz katere ne uide nič. Zdaj velja, da ima vsaka večja galaksija črno luknjo v svojem jedru. In prvič, bodo znanstveniki lahko preučili pustoš, ki se jih ti moteči subjekti znebijo. Skozi to desetletje bodo astroni Keck spremljali tisoče zvezd, ujetih v gravitaciji črne luknje Mlečne poti. Skušali bodo ugotoviti, kako se rodijo zvezde v njegovi bližini in kako izkrivlja tkanino samega prostora. "Zdi se mi neverjetno, da lahko opazujemo zvezde, ki se valjajo po črni luknji naše galaksije, " pravi Taft Armandroff, direktor opazovalnice Keck. "Če bi mi kot podiplomski študent rekel, da bi to videl v svoji karieri, bi rekel, da gre za znanstveno fantastiko."
Zagotovo so dokazi o črnih luknjah povsem posredni; astronomi tega še nikoli niso videli. Splošna teorija relativnosti Alberta Einsteina je predvidevala, da lahko gravitacija izjemno gostega telesa tako močno upogne žarek svetlobe, da ne more uiti. Če bi se na primer nekaj z maso našega sonca skrčilo v kroglico premera miljo in pol, bi bilo dovolj gosto, da bi ujel svetlobo. (Da bi Zemlja postala črna luknja, bi bilo treba njeno maso stisniti na velikost graha.)
Leta 1939 je J. Robert Oppenheimer, mož, ki je zaslužen za razvoj atomske bombe, izračunal, da se lahko takšna drastična kompresija zgodi največjim zvezdam, potem ko jim zmanjka vodika in drugega goriva. Ko so zvezde razpršile, Oppenheimer in kolega pozicionirali, bi preostali plin zaradi lastne gravitacije propadel v neskončno gosto točko. Opazovanja teleskopa v šestdesetih in sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so podprla teorijo. Kar nekaj raziskovalcev je predlagalo, da bi bil edini možen vir energije za nekaj tako svetlečega, kot so kvazarji - izjemno svetli svetilniki, oddaljeni več milijard svetlobnih let -, koncentracija milijonov soncev, ki jih je združilo tisto, kar so znanstveniki pozneje poimenovali supermasivno črno luknjo. Nato so astronomi našli zvezde, za katere se zdi, da se v naši Mlečni poti vrtijo po nevidnih entitetah, in ugotovili so, da lahko samo vlečenje gravitacije iz majhnih črnih lukenj - ki vsebujejo večkratno maso našega sonca in znano kot luknje zvezdne mase - ohranja zvezde v tako tesnih orbitah.
Vesoljski teleskop Hubble je dokaz o črnih luknjah v devetdesetih dopolnil z merjenjem, kako hitro se vrtijo najbolj notranji deli drugih galaksij - do 1, 1 milijona milj na uro v velikih galaksijah. Osupljive hitrosti so kazale na jedra, ki vsebujejo do milijardo večjo maso Sonca. Odkritje, da so supermasivne črne luknje v središču večine, če ne celo vseh galaksij, je bil eden največjih dosežkov Hubbleja. "Na začetku raziskave Hubble bi rekel, da so črne luknje redke, morda ena galaksija v 10 ali 100 in da je v zgodovini te galaksije nekaj šlo narobe, " pravi znanstvenik Hubble Douglas Richstone z univerze v Michiganu. "Zdaj smo pokazali, da gre za standardno opremo. Najbolj izstopa."
Kljub temu pa je Hubble jedro Mlečne poti ostal nedostopen. Če je naša galaksija imela supermasivno črno luknjo, je bilo tiho, manjkalo ji je prahu energije, ki so ga videli drugi. Hubble, ki so ga nazadnje servisirali in nadgradili leta 2009, lahko spremlja skupine zvezd v bližini središč oddaljenih galaksij, vendar zaradi ozkega zornega kota in debelih oblakov prahu naše galaksije ne more sprejeti iste vrste slike v naši galaksiji. Drug pristop bi bil sledenje posameznim zvezdam v bližini črne luknje z uporabo infrardeče svetlobe, ki potuje skozi prah, vendar so bile zvezde preveč blede in preveč gneče, da bi jih lahko razrešil večina zemeljskih teleskopov. Kljub temu so se nekateri astronomi v 90. letih upali, da bodo opažanja jedra Mlečne poti mogoča. Nato bi se lahko lotili številnih mučnih vprašanj: Kako zvezde živijo in umirajo v tej divji okolici? Kaj porabi črna luknja? In ali smo lahko v središču Mlečne poti priča izkrivljenemu prostoru in času, ki ga je Einstein napovedal pred skoraj stoletjem?
Nadzorna soba Keck je 20 kilometrov od teleskopa v mestu Waimea. Tamkajšnjim raziskovalcem je spektakularni laser viden le kot beli žarek na računalniškem monitorju. Astronomi preverjajo svoje zvezke in gledajo zaslone, polne podatkov iz teleskopa, vremenskih odčitkov in najnovejše slike zvezd, na katere ciljajo. Uporabljajo video povezavo za pogovor z operaterjem teleskopa, ki bo preživel vso noč na vrhu. Stvari gredo tako gladko, da ni veliko delati. Teleskop bo štiri ure ostal zaprt na istem mestu na nebu; laser deluje brezhibno, kamera, pritrjena na teleskop, pa ima samodejno 15-minutno osvetlitev za drugim v avtomatiziranem zaporedju. "Gre samo za najbolj dolgočasno opazovanje tam, " mi opravičeval kalifornijski univerza v Los Angelesu astronom Mark Morris.
Kljub temu je v sobi napetost. Ta ekipa astronomov, ki jo vodi Andrea Ghez iz UCLA, je v konkurenci z astronomi z Inštituta za zunajzemeljsko fiziko Max Planck v Nemčiji Garching. Že od zgodnjih devetdesetih let naprej je Garching astrofizik Reinhard Genzel s sodelavci preučeval črno luknjo v središču Mlečne poti s pomočjo Teleskopa nove tehnologije in zelo velikega teleskopskega sklopa v Čilu. 45-letna Ghez potisne svoje učence, da kar najbolje izkoristijo vsako opazovalno sejo v Kecku. Pred šestimi leti je bila izvoljena v Nacionalno akademijo znanosti - kar je bila čast za nekoga, ki je bil še star 30 let. "Z lahkoto si na čelu astronomije, če imaš dostop do najboljših teleskopov na svetu, " pravi.
Pred skoraj desetletjem so ameriške in nemške ekipe neodvisno sklepale, da lahko le velika črna luknja razloži vedenje zvezd v jedru Mlečne poti. Zvezde, ki krožijo zajetne mase - bodisi črna luknja ali kakšna velika zvezda - potujejo skozi vesolje veliko hitreje kot tiste, ki krožijo z manjšo maso. Vizualno gledano večja masa ustvarja globlji lijak v tkanini prostora, okoli katerega se vrtijo zvezde; kot listi, ki krožijo v vrtincu, globlje kot je vrtinec, hitreje se vrtijo listi. Drugi astronomi so v bližini središča Mlečne poti videli hitro premikajoče se zvezde in oblake plina, zato sta tako Ghez kot Genzel sumila, da se pred pogledom skriva gosta kopica snovi.
Z mukotrpnim sestavljanjem infrardečih fotografij, posnetih mesece in leta narazen, sta obe ekipi izsledili najgloblje zvezde, tiste znotraj enega svetlobnega meseca v središču galaksije. Slike so kombinirane kot filmi, ki se premikajo po zvezdah. "Že zgodaj je bilo jasno, da je bilo nekaj zvezd, ki so pravkar vlekle, " se spominja Ghez. "Jasno, bili so izredno blizu središču." Nekaj jih je ujelo v globokem vrtincu. Črna luknja je imela najbolj smisel.
Kliničar je prišel leta 2002, ko sta obe ekipi izostrili slike s prilagodljivo optiko, tehnologijo, ki kompenzira zamegljenost ozračja. Znanstveniki so spremljali zvezde, ki krožijo krožno v bližini centra galaksije, in ugotovili, da je največja hitrost zvezde 3 odstotne hitrosti svetlobe - približno 20 milijonov milj na uro. To je presenetljiva hitrost za globinski plin, ki je veliko večji od našega sonca, in celo skeptike je prepričal, da je zanj kriva supermasivna črna luknja.
Zamegljenost Zemljine atmosfere je prizadela uporabnike teleskopov že od prvih Galileovih raziskav Jupitra in Saturna pred 400 leti. Gledanje zvezde skozi zrak je kot gledanje peni na dnu bazena. Zračni tokovi povzročajo, da zvezdna svetloba trepeta naprej in nazaj.
Črna luknja naše galaksije oddaja rentgenske žarke (tu so vidni na sliki s satelitskega teleskopa Chandra), ko se materi vrtijo vanjo. (Center za vesoljske lete v Marshallu / NASA) V 90. letih prejšnjega stoletja so se inženirji naučili odpraviti popačenja s tehnologijo, imenovano prilagodljiva optika; računalniki analizirajo vznemirjajoči vzorec dohodne zvezde na milisekunde z milisekundami in izračune uporabijo za pogon sklopa bata na zadnji strani tankega in upogljivega ogledala. Bati se zrcalo stisnejo sto krat na sekundo, prilagajajo površino tako, da preprečijo popačenja in tvorijo ostro osrednjo točko.
Tehnologija je imela eno veliko omejitev. Računalniki so potrebovali jasno vodilno luč kot nekakšno referenčno točko. Sistem je deloval le, če je bil teleskop usmerjen blizu svetle zvezde ali planeta, omejeval je astronome na samo 1 odstotek neba.
Z ustvarjanjem umetne zvezde vodnika, kjer koli je to potrebno, laser Keck Observatory odstrani to omejitev. Laserski žarek je nastavljen na frekvenco, ki prižge natrijeve atome, ki jih puščajo razpadli meteoriti v plasti atmosfere. Keckovi računalniki analizirajo izkrivljanje v zračnem stolpcu med ogledalom teleskopa in laserjem ustvarjeno zvezdo.
Znotraj 101-metrske visoke kupole teleskopa laserski sistem sedi v ohišju velikosti vodila. Laser se začne s hitrostjo 50.000 vatov moči, ki svetlobni žarek ojača v barvni raztopini iz etanola, ki je odporen na 190. Ko pa se svetloba prilagodi pravilni barvi in se njena energija usmeri po enotni poti, njena moč pade na približno 15 vatov - še vedno dovolj svetla, da zvezna uprava za letalstvo od opazovalnice zahteva, da laser ugasne, če je letalo naj bi letelo blizu svoje poti. Od nekaj sto metrov je laser videti kot žarek svinčnik. Od malo dlje sploh ni vidno. Kar se tiče preostalega otoka, v Mauna Kea ni laserskega šova.
Prepoznavanje črne luknje je ena stvar; opisovanje je drugo. "Težko je naslikati sliko, ki se nanaša na svet, kot ga razumemo, ne da bi pri tem uporabil matematično kompleksnost, " pravi Ghez nekega popoldneva v nadzornem centru Keck. Naslednji dan vpraša svojega 6-letnega sina, če ve, kaj je črna luknja. Njegov hitri odgovor: "Ne vem, mamica. Ali ne bi?"
Mark Morris meni, da "vrtača" naredi primeren metafor za črno luknjo. Če bi bili v vesolju blizu črne luknje, "pravi, " bi videli, da stvari izginjajo vanj iz vseh smeri. "
Tako Ghez kot Morris se rad predstavljata, kako bi gledala iz črne luknje. "To je uspešno mestno središče galaksije v primerjavi s predmestjem, kjer smo, " pravi Ghez. "Zvezde se premikajo z ogromno hitrostjo. Videli bi, da se stvari spreminjajo na časovni lestvici več deset minut." Morris se loteva te teme. "Če z lepega vrha pogledate na nočno nebo, vam vzame dih, koliko zvezd je tam, " pravi. "Zdaj pomnožite to za milijon. Tako bi izgledalo nebo v galaktičnem središču. Bilo bi kot nebo, polno Jupitrov, in nekaj zvezd, ki so svetle kot polna Luna."
V tako veličastnem okolju se zakoni fizike čudovito zasukajo. Ghez in Morris upata, da bosta zbrala prve dokaze, da zvezde resnično potujejo po čudnih orbitalnih poteh, ki jih predvideva Einsteinova teorija relativnosti. V tem primeru bi vsaka zvezda zasledila nekaj podobnega vzorcu iz igrače za risanje Spirografa: niz zank, ki se postopoma premikajo glede na črno luknjo. Ghez meni, da sta ona in njeni sodelavci nekaj let oddaljeni od tega premika.
Z vsako novo ugotovitvijo postane jedro Mlečne poti vse bolj zapleteno in očarljivo. Tako Ghezovi kot Genzeljevi ekipi so bili presenečeni, ko so odkrili številne ogromne mlade zvezde v soseski črne luknje. Število jih je, starih komaj pet do deset milijonov let - dojenčki v kozmičnem smislu - in so približno desetkrat večji kot naše sonce. Nihče ni povsem prepričan, kako so se tako približali črni luknji ali kako so prišli. Drugje v galaksiji gestantske zvezde zahtevajo hladno, mirno maternico v velikem oblaku prahu in plina. Galaktično jedro je vse prej kot umirjeno: intenzivno sevanje preplavi območje, gravitacija črne luknje pa bi morala razbiti plinovite drevesnice, preden se tam kaj inkubira. Kot je na konferenci pred nekaj leti zapisal Reinhard Genzel, te mlade zvezde "nimajo preklete pravice biti tam." Možno je, da so se nekateri rodili dlje in se preselili navznoter, vendar večina teoretikov meni, da so za ta scenarij še premladi. Morris meni, da intenzivna gravitacija stisne spiralni plin v disk okoli črne luknje, kar ustvarja nova sonca v tipu rojstva zvezd, kakršnega še nismo videli v nobenem drugem galaktičnem okolju.
Te mlade zvezde bodo od zdaj samouničile nekaj milijonov let. In ko bodo, bodo najbolj množični pustili za seboj majhne črne luknje. Morris teoretizira, da se na stotine tisoč teh črnih lukenj zvezdne mase, nakopičenih iz preteklih generacij zvezd, roti okoli osrednje, supermasivne črne luknje. Črne luknje zvezdne mase so široke le približno 20 milj, zato bi bili trki med njimi redki. Morris pravi: "Črne luknje se bodo ponoči vrtele ena nad drugo in zvezde, ki se premikajo po tem uničevalnem derbiju. Skoraj zgrešena ena izmed črnih lukenj in zvezde bi lahko zvezdo raztresela v supermasivno črno luknjo oz. v celoti iz galaktičnega središča. " Teoretiki menijo, da lahko supermasivna črna luknja zreži zvezdo enkrat na deset tisoč let - dogodek, ki bi z žarki preplavil središče galaksije. "To bi bil spektakularen dogodek, " pravi Morris.
Astronomi vidijo znake takšnega klanjanja, ko v notranjosti Mlečne poti pregledajo rentgenske in radijske teleskope, ki zaznajo udarne valove preteklih eksplozij. Ogromne črne luknje v drugih galaksijah so astronomi predaleč, da bi se lahko učili v takšni globini, pravi Avi Loeb, direktor Inštituta za teorijo in računanje pri Harvard-Smithsonian Centru za astrofiziko v Cambridgeu v Massachusettsu. Zato visi o vsaki napovedi ekip Ghez in Genzel. "Napredek opazovalcev v tako kratkem času je bil res izjemen, " pravi. "Mi teoretiki smo zanje vsi navijači."
Loeb in drugi slikajo novo sliko o tem, kako se je vesolje in njegove 100 milijardne galaksije razvijalo od velikega poka, pred 13, 7 milijardami let. Verjamejo, da so se vse galaksije začele s še nerazjasnjenimi "semenskimi" črnimi luknjami - več deset tisočkrat večjo maso našega sonca - ki so med naletnimi cikli hranjenja ob trčenju galaksij naraščale eksponentno, kar so počeli bolj pogosto, ko je bilo vesolje mlajše in galaksije so bile bližje skupaj. Nekatere zvezde se v trčenju strmoglavijo v globok vesolj, druge zvezde in plini pa padejo v novo kombinirano črno luknjo v središču galaksij. Ko raste črna luknja, pravi Loeb, se spremeni v divjajoč kvazar s plinom, segretim na milijarde stopinj. Kvazar nato preostali del plina izpušča iz galaksije. Po izčrpanju plina Loeb pravi, "supermasivna črna luknja sedi v središču galaksije, miruje in strada."
Zdi se, da je naša Mlečna pot s svojo skromno veliko črno luknjo absorbirala le nekaj manjših galaksij in nikoli ni podžgala kvazarja. Kljub temu nas pesti strašljiv trk. Najbližja velika galaksija, imenovana Andromeda, je na trku z Mlečno potjo. Obe strani se bosta od zdaj začeli združevati približno dve milijardi let, postopoma pa bosta tvorili ogromno galaksijo, ki jo Loeb in njegova nekdanja Harvard-Smithsonijska kolegica TJ Cox imenujeta "Milkomeda". Supermasivne centralne črne luknje v galaksijah bodo trčile, ki bodo požrle hudournike plina in za kratek čas vžgale nov kvazar v tem umirjenem delu vesolja. "V zvezi s tem smo pozno cveteli, " ugotavlja Loeb. "Zgodilo se je z večino drugih galaksij zgodaj." (Zemlja se ob trčenju ne bo vrgla iz Sončeve orbite in med združitvijo je ne bi smelo ničesar prebiti. Toda na nebu bo veliko več zvezd.)
Navidezna prihodnost naše galaksije je ob strani, Loeb upa, da bomo kmalu - morda v desetletju - dobili prvo sliko supermasivne črne luknje Mlečne poti, zahvaljujoč nastajajoči svetovni mreži teleskopov "milimetrskih valov". Poimenovani po valovni dolžini radijskih valov, ki jih zaznajo, instrumenti dejansko ne bodo videli črne luknje same. Namesto tega bodo v konceptu preslikali senco, ki jo vre na zaveso vročega plina. Če bo šlo vse v redu, bo imela senca izrazito obliko. Nekateri teoretiki pričakujejo, da se bo vrtela črna luknja. Če je tako, bo glede na kontraintuitivno vlečenje vesolja, ki ga je napovedal Einstein, naš pogled na senco izkrivil v nekaj, kot je solza in zmečkan solza. "To bi bila najbolj izjemna slika, ki bi jo lahko imeli, " pravi Loeb.
Četrto in zadnjo noč Ghezovih načrtovanih opazovanj, veter in megla na vrhu Mauna Kea ohranjajo kupole teleskopa zaprte. Tako astronomi pregledajo svoje podatke iz prejšnjih noči. Slike iz prvih dveh noči so se gibale od dobrega do odličnega, pravi Ghez; tretja noč je bila "ugledna." Pravi, da je zadovoljna: njeni študenti imajo dovolj, da jih zaposlijo, in Tuan Do iz kalifornijske univerze v Irvine je identificiral nekaj velikih, mladih zvezdnikov, ki so jih dodali v analizo ekipe. "Počutim se izjemno privilegiran, da delam pri nečem, ob čemer se tako zabavam, " pravi Ghez. "Težko je verjeti, da resnično obstajajo črne luknje, saj gre za tako eksotično stanje vesolja. To smo lahko dokazali in to se mi zdi resnično globoko."
Večino svojega časa porabi za nadziranje poveljniškega centra v Waimei, vendar je bila na vrhu Mauna Kea, da bi videla laser v akciji. Ko govorimo o očarljivem pogledu, je jasno, da Ghez ceni ironijo: astronomi imajo radi temno in se pogosto pritožujejo nad vsakim virom svetlobe, ki bi lahko oviral njihova opažanja. Pa vendar so tu, ki v nebesa mečejo žarek svetlobe, da bi pomagali osvetliti najbolj črno stvar, ki si jo človeštvo sploh lahko upa.
Ta zgodba Roberta Iriona je dobila nagrado Ameriškega astronomskega društva za nagrado David N. Schramm za znanstveno novinarstvo iz leta 2010.
