Бележка на редактора, 23 септември 2008 г.: Списание Smithsonian профилира астрофизикът Андреа Гез през април 2008 г. Днес Ghez беше един от 28 получатели на престижен гранд на MacArthur, признавайки приноса си за изследването на черните дупки в еволюцията на галактиките.
От тази история
[×] ЗАКРИТЕ
Изследователи, водени от Андреа Гез, астрофизик от UCLA, използваха телескопни снимки, направени от 1995 г. до 2006 г., за да създадат тази анимация, показваща движението на избрани звезди в центъра на Млечния път. Орбитите на тези звезди и изчисленията, направени по законите на Keplers за движението на планетата, дават най-доброто доказателство за съществуването на черна дупка в центъра на Млечния път. Особено внимание трябва да има звезда S0-2, която обикаля около черната дупка веднъж на 15, 56 години, и звезда S0-16, която идва в рамките на 90 астрономически единици (разстоянието от земята до слънцето) на черната дупка
Видео: Млечен път се движи
[×] ЗАКРИТЕ
След около четири милиарда години галактиките Млечен път и Андромеда ще се сринат заедно. Визуализация: НАСА, ЕКА и Ф. Самърс, STScI симулационен кредит: НАСА, ESA, Г. Бесла, Колумбийския университет и Р. ван дер Марел, STScI
Видео: Какво се случва, когато галактиките се сблъскат?
Свързано съдържание
- Вътре черни дупки
От върха на Мауна Кеа, близо 14 000 фута над Тихия океан, Млечният път се накланя светещо през нощното небе, откъм ръба на нашата галактика. Части от големия диск са затъмнени от прах и отвъд една от онези прашни петна, близо до чайника на съзвездието Стрелец, лежи центърът на Млечния път. Скрита има дълбоко мистериозна структура, около която се въртят повече от 200 милиарда звезди.
Зад мен на върха скалистите скали на този спящ вулкан на остров Хаваи са куполите близнаци на обсерваторията WM Keck. Във всеки купол се намира телескоп с гигантско огледало с ширина почти 33 фута и подобно на мушично око, направен от блокиращи се сегменти. Огледалата са сред най-големите в света за събиране на звездна светлина, а един от телескопите е оборудван с ослепително нов инструмент, който значително увеличава мощността му. Поглеждам към най-близката от грациозните спирални рамена на Млечния път, докато чакам техници да включат превключвателя.
Тогава, внезапно и с лекото щракване на отворен плъзгащ се затвор, златисто-оранжев лазерен лъч стреля в небето от отворения купол. Светлинният лъч, широк 18 инча, изглежда завършва вътре в едно от най-черните петна в Млечния път. Всъщност завършва на 55 мили над повърхността на Земята. Сигналът, който подава там, позволява на телескопа да компенсира замъгляването на земната атмосфера. Вместо развълнувани снимки, намазани от постоянно променящите се реки въздух над главите ни, телескопът произвежда изображения, толкова ясни, колкото всички получени от спътници в космоса. Кек беше една от първите обсерватории, снабдени с лазерен водач; сега половин дузина други започват да ги използват. Технологията осигурява на астрономите остър изглед към ядрото на галактиката, където звездите са натъпкани толкова плътно, колкото летен рояк от конете и се въртят около най-мрачното място на всички: гигантска черна дупка.
Черната дупка на Млечния път несъмнено е най-странното нещо в нашата галактика - триизмерна кухина в космоса, десет пъти по-голяма от физическия размер на нашето слънце и четири милиона пъти по-голяма от масата, виртуална бездънна яма, от която нищо не се измъква. Всяка голяма галактика, сега се вярва, има черна дупка в сърцевината си. И за първи път учените ще могат да изучат поражението, което тези умопомрачителни субекти изчезват. През цялото това десетилетие астрономите на Кек ще проследят хиляди звезди, уловени в гравитацията на черната дупка на Млечния път. Те ще се опитат да разберат как се раждат звезди в близостта му и как изкривява самата тъкан на космоса. "Струва ми се невероятно, че можем да видим звезди, които се разнасят около черната дупка на нашата галактика", казва Тафт Армандроф, директор на обсерваторията Кек. "Ако бяхте ми казали като аспирант, че щях да видя това по време на кариерата си, щях да кажа, че това е научна фантастика."
За да сте сигурни, доказателствата за черните дупки са напълно косвени; астрономите никога не са виждали такъв. Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн предвиждаше, че гравитацията на изключително плътно тяло може да огъне лъч светлина толкова силно, че да не може да избяга. Например, ако нещо с масата на нашето слънце беше свито на топка с диаметър мили и половина, щеше да е достатъчно гъсто, за да хване светлина. (За да стане Земята черна дупка, нейната маса ще трябва да се пресова до размера на грахово зърно.)
През 1939 г. Дж. Робърт Опенхаймер, човекът, който е кредитиран за разработването на атомната бомба, изчисли, че подобно драстично компресиране може да се случи на най-големите звезди, след като им изтече водород и друго гориво. След като звездите изскочиха, Опенхаймер и колега позираха, останалият газ ще се срине поради собствената си гравитация в безкрайно плътна точка. Наблюденията на телескопа през 60-те и 70-те години подкрепиха теорията. Няколко изследователи предположиха, че единственият възможен източник на енергия за нещо толкова светещо като квазарите - изключително ярки маяци на милиарди светлинни години - би било концентрация от милиони слънца, събрани заедно от това, което учените по-късно нарекоха свръхмасивна черна дупка. Тогава астрономите откриха звезди, които сякаш се белеха около невидими същества в нашия Млечен път и те заключиха, че само дърпането на гравитацията от малки черни дупки - съдържащи няколко пъти масата на нашето слънце и известни като дупки на звездна маса - може да задържи звездите в такива стегнати орбити.
Космическият телескоп Хъбъл добави към доказателствата за черните дупки през 90-те години, като измерва колко бързо се въртят най-вътрешните части на други галактики - до 1, 1 милиона мили в час в големи галактики. Страхотните скорости сочиха ядра, съдържащи до милиард пъти повече от масата на Слънцето. Откритието, че свръхмасивните черни дупки са в основата на повечето, ако не и на всички галактики, беше едно от най-големите постижения на Хъбъл. "В началото на проучването на Хъбъл бих казал, че черните дупки са рядкост, може би една галактика на 10 или 100 и че нещо се е объркало в историята на тази галактика", казва ученият от Хъбъл Дъглас Ричстоун от Мичиганския университет. "Сега показахме, че те са стандартно оборудване. Това е най-забележителното нещо."
Дори и от Хъбъл, ядрото на Млечния път остана неуловимо. Ако нашата галактика бе скована в свръхмасивна черна дупка, тя беше тиха, липсваха й откъсвания от енергия, виждани от другите. Хъбъл, който беше обслужен и надстроен за последен път през 2009 г., може да проследява групи звезди в близост до центровете на далечни галактики, но поради тесния ъгъл на видимост и плътните прашни облаци на нашата галактика не може да поеме същия вид снимки в нашата галактика. Друг подход би бил да се проследяват отделни звезди в близост до черната дупка, като се използва инфрачервена светлина, която преминава през прах, но звездите бяха твърде слаби и претъпкани, за да разрешат повечето наземни телескопи. Все пак някои астрономи през 90-те се осмеляват, че наблюденията на ядрото на Млечния път може да са възможни. След това могат да бъдат разгледани редица мъчителни въпроси: Как звездите живеят и умират в тази дива обстановка? Какво консумира черна дупка? И можем ли да станем свидетели на сърцето на Млечния път на изкривеното пространство и време, предвидено от Айнщайн преди близо век?
Контролната зала на Кек е на 20 мили от телескопа, в градчето Ваймеа. За изследователите там зрелищният лазер е видим само като бял лъч на компютърен монитор. Астрономите проверяват своите преносими компютри и наблюдават екрани, пълни с данни от телескопа, показанията на времето и най-новата картина на звездите, към които са насочени. Те използват видеовръзка, за да говорят с оператора на телескопа, който ще прекара цяла нощ на върха. Нещата вървят толкова гладко, че няма какво да се направи. Телескопът ще остане заключен на едно и също място в небето в продължение на четири часа; лазерът работи добре, а камера, прикрепена към телескопа, прави една 15-минутна експозиция след друга в автоматизирана последователност. „Тук става въпрос само за най-скучния вид наблюдение там“, казва ми извинително Калифорнийският университет в Лос Анджелис астрономът Марк Морис.
Въпреки това в стаята има напрежение. Този екип от астрономи, ръководен от Андреа Гез от UCLA, е в непрекъсната конкуренция с астрономите от Института за извънземна физика на Макс Планк в Гърчинг, Германия. От началото на 90-те години на миналия век астрофизикът Garching Райнхард Гензел и неговите колеги са изследвали черната дупка в центъра на Млечния път, използвайки телескопа за нови технологии и много големия телескоп в Чили. 45-годишният Гез настоява учениците да се възползват максимално от всяка наблюдателна сесия в Кек. Преди шест години тя бе избрана в Националната академия на науките - доста чест за някой, който все още е на 30-те си години. „Лесно е да си начело на астрономията, ако имаш достъп до най-добрите телескопи в света“, казва тя.
Преди близо десетилетие американските и германските екипи изведоха независимо, че само гигантска черна дупка може да обясни поведението на звездите в ядрото на Млечния път. Звезди, обикалящи огромна маса - било черна дупка или някоя голяма звезда - пътуват в пространството много по-бързо от онези, които обикалят по-малка маса. Визуално по-голямата маса създава по-дълбока фуния в тъканта на пространството, около която се въртят звездите; като листата кръжат във водовъртеж, колкото по-дълбока е водовъртежът, толкова по-бързо листата се въртят. Други астрономи бяха виждали бързо движещи се звезди и облаци от газ в близост до центъра на Млечния път, така че и Гез, и Гензел подозираха, че от гледката е скрит плътен клъстер от материя.
Чрез старателно компилиране на инфрачервени снимки, направени месеци и години един от друг, двата екипа проследиха най-вътрешните звезди, тези в рамките на един светлинен месец от центъра на галактиката. Комбинирани, изображенията са като филми с времетраене на движенията на звездите. „В началото беше ясно, че има няколко звезди, които просто се теглят“, спомня си Гез. "Ясно е, че те бяха изключително близо до центъра." Нещо ги хвана в дълбока водовъртеж. Черна дупка имаше най-голям смисъл.
Клинчърът идва през 2002 г., когато и двата екипа изострят изображенията си с помощта на адаптивна оптика, технология, която компенсира замъгляването на атмосферата. Учените следяха звезди, които орбитаха опасно близо до центъра на галактиката и откриха, че максималната скорост на най-бързата звезда е 3 процента от скоростта на светлината - около 20 милиона мили в час. Това е стряскаща скорост за глобус, далеч по-голям от нашето слънце, и убеди дори скептиците, че за него е отговорна свръхмасивна черна дупка.
Размиването на земната атмосфера порази потребителите на телескопи след първите проучвания на Галилей за Юпитер и Сатурн преди 400 години. Да гледаш звезда през въздуха е все едно да гледаш стотинка на дъното на плувен басейн. Въздушните течения карат звездата да трепне напред и назад.
Черната дупка на нашата галактика излъчва рентгенови лъчи (направени видими тук на изображение от сателитния телескоп Чандра), докато материята се върти към нея. (Център за космически полети Маршал / НАСА) През 90-те години инженерите се научиха да заличават изкривяванията с технология, наречена адаптивна оптика; компютрите анализират модела на трептене на входящата звездна светлина на милисекунда и използват тези изчисления, за да задвижат набор от бутала на гърба на тънко и гъвкаво огледало. Буталата огъват огледалото стотици пъти всяка секунда, коригирайки повърхността, за да противодейства на изкривяванията и да образуват остра централна точка.
Технологията имаше едно основно ограничение. Компютрите се нуждаеха от ясна водеща светлина като вид ориентир. Системата работеше само ако телескопът беше насочен близо до ярка звезда или планета, ограничавайки астрономите до само 1 процент от небето.
Създавайки изкуствена водеща звезда, където и да е необходимо, лазерът на обсерваторията Кек премахва това ограничение. Лазерният лъч е настроен на честота, която осветява натриеви атоми, които се оставят чрез разпадане на метеорити в слой от атмосферата. Компютрите на Кек анализират изкривяването в въздушната колона между огледалото на телескопа и създадената с лазер звезда.
В купола на телескопа висок 101 фута, лазерната система е разположена в заграждение с размер на шината. Лазерът започва с разтърсваща мощност от 50 000 вата, усилваща светлинния лъч в багрилен разтвор, направен от 190-етанолов доказан етанол. Но до момента, в който светлината е настроена на правилния си цвят и енергията й се насочва по един път, нейната мощност намалява до около 15 вата - все още достатъчно ярка, че Федералната авиационна администрация изисква обсерваторията да изключи лазера, ако самолетът е очаква се да лети близо до пътя си. От няколкостотин метра разстояние лазерът изглежда като мрачен кехлибарен молив. От малко по-далече изобщо не се вижда. Що се отнася до останалата част от острова, в Mauna Kea няма лазерно шоу.
Определянето на черна дупка е едно; описвайки го е друго. "Трудно е да нарисуваш картина, свързана със света, както го разбираме, без да използваш математическа сложност", казва Гез един следобед в контролния център на Кек. На следващия ден тя пита 6-годишния си син дали знае какво е черна дупка. Неговият бърз отговор: "Не знам, мамо. Не трябва ли?"
Марк Морис смята, че „мивка“ прави подходяща метафора за черна дупка. Ако бяхте в космоса близо до черната дупка - казва той, - щяхте да видите как нещата изчезват в нея от всички посоки.
И Гез, и Морис обичат да си представят, че гледат от черна дупка. „Това е процъфтяващият градски център на галактиката в сравнение с предградията, където се намираме“, казва Гез. "Звездите се движат с огромна скорост. Ще видите нещата да се променят във времева скала от десетки минути." Морис се занимава с тази тема. "Ако погледнете нощното небе от красив връх на планината, това ви отнема дъх колко звезди има", казва той. "Сега, умножете това с милион. Така ще изглежда небето в галактическия център. Би било като небе, пълно с Юпитери и няколко звезди, ярки като пълната Луна."
В такава великолепна обстановка законите на физиката са чудесно усукани. Гез и Морис се надяват да съберат първите доказателства, че звездите наистина пътуват по странните орбитални пътеки, предвидени от теорията на относителността на Айнщайн. Ако е така, всяка звезда би проследила нещо като модел от играчка за рисуване на Спирограф: поредица от бримки, които постепенно се изместват в положение спрямо черната дупка. Гез смята, че тя и колегите й са на няколко години от забелязването на тази смяна.
С всяка нова находка ядрото на Млечния път става все по-объркващо и завладяващо. И двата екипа на Гез и Гензел се стреснаха да открият много масивни млади звезди в квартала на черната дупка. Има десетки от тях, всички само на пет до десет милиона години - бебета, в космическо отношение - и те са приблизително десет пъти по-масивни от нашето слънце. Никой не е напълно сигурен как са се доближили толкова до черната дупка или как са станали. Навсякъде в галактиката, гестиращите звезди изискват студена, спокойна утроба в голям облак прах и газ. Галактическото ядро е всичко друго, но не и спокойно: интензивната радиация наводнява района, а гравитацията на черната дупка трябва да раздроби газообразни разсадници, преди всичко да се инкубира там. Както Райнхард Гензел го изложи на конференция преди няколко години, тези млади звезди "нямат дяволско право да са там". Възможно е някои от тях да са се родили по-далеч и да са мигрирали навътре, но повечето теоретици смятат, че са твърде млади за този сценарий. Морис смята, че интензивната гравитация компресира спираловиден газ в диск около черната дупка, създавайки новите слънца във вид на звездно раждане, което не се наблюдава в никоя друга галактическа среда.
Тези млади звезди ще се самоунищожат след няколко милиона години. А когато го направят, най-масовите ще оставят след себе си малки черни дупки. Морис теоретизира, че стотици хиляди от тези черни дупки на звездна маса, натрупани от минали поколения звезди, се роят около централната, свръхмасивна черна дупка. Черните дупки на звездната маса са широки само около 20 мили, така че сблъсъците между тях биха били редки. Вместо това Морис казва: „Ще имате черни дупки, които ще се люлеет една през друга през нощта и звезди, които се движат през това разрушително дерби. Близо пропускане между една от черните дупки и звезда може да разпръсне звездата в свръхмасивната черна дупка или извън галактическия център изцяло. " Теоретиците смятат, че свръхмасивната черна дупка може да хвърли звезда веднъж на десетки хиляди години - събитие, което да наводни центъра на галактиката с радиация. „Би било грандиозно събитие“, казва Морис.
Астрономите виждат признаци на подобен гоблет, когато изследват интериора на Млечния път с рентгенови и радио телескопи, които откриват ударните вълни от минали експлозии. Гигантските черни дупки в други галактики са твърде далеч, за да могат астрономите да учат в такава дълбочина, казва Ави Льоб, директор на Института за теория и изчисления в Харвард-Смитсонския център за астрофизика в Кеймбридж, Масачузетс. Затова той виси на всяко съобщение от екипите на Ghez и Genzel. „Напредъкът, постигнат от наблюдателите за толкова кратко време, беше наистина забележителен“, казва той. "Ние теоретиците сме мажоретки за тях."
Лоб и други рисуват нова картина за това как Вселената и нейните 100 милиарда галактики са се развили след Големия взрив преди 13, 7 милиарда години. Те вярват, че всички галактики са започнали с все още необясними "семенни" черни дупки - десетки до хиляди пъти по-големи от масата на нашето слънце - които нарастват експоненциално по време на насилствени цикли на хранене при сблъскване на галактики, което правят по-често, когато Вселената е била по-млада и галактиките бяха по-близо една до друга. При сблъсък някои звезди катапултират в дълбокото пространство, а други звезди и газове се спускат в току-що комбинираната черна дупка в центъра на галактиките. Докато черната дупка расте, казва Льоб, тя се превръща в бушуващ квазар с газ, нагряван до милиарди градуса. След това квазарът взривява останалия газ от галактиката изцяло. След изчерпването на газта, казва Лоб, "свръхмасивната черна дупка седи в центъра на галактиката, спира и гладува."
Изглежда, че Млечният ни път със своята скромна по размер черна дупка е погълнал само няколко по-малки галактики и никога не е зареждал квазар. Обаче страхотен сблъсък се извисява. Най-близката голяма галактика, наречена Андромеда, е на сблъсък с Млечния път. Двамата ще започнат да се сливат след около два милиарда години, като постепенно ще образуват масивна галактика, която Лоб и неговият бивш колега от Харвард-Смитсонов TJ Кокс наричат „Милкомеда“. Свръхмасивните централни черни дупки на галактиките ще се сблъскат, поглъщайки потоци от газ и запалвайки нов квазар за кратко време в тази успокоена част на Вселената. „Закъсняваме с цъфтежа в това отношение“, отбелязва Льоб. "Това се случи с повечето други галактики в началото." (Земята няма да бъде изхвърлена от орбитата на Слънцето при сблъсъка и не бива да бъде разбита от нищо по време на сливането. Но в небето ще има много повече звезди.)
Тревожното бъдеще на нашата галактика настрана, Лоб се надява, че скоро - може би след десетилетие - ще имаме първото изображение на свръхмасивната черна дупка на Млечния път благодарение на възникващата глобална мрежа от телескопи с „милиметрова вълна“. Наречени по дължината на вълната на радиовълните, които откриват, инструментите всъщност няма да виждат самата черна дупка. По-скоро на концерт ще картографират сянката, която хвърля върху завеса от горещ газ зад нея. Ако всичко върви добре, сянката ще има отличителна форма. Някои теоретици очакват черната дупка да се върти. Ако е така, според противоречивото влачене на космоса, предвидено от Айнщайн, нашето виждане за сянката ще бъде изкривено в нещо като слънчева и нарязана капка. „Това би била най-забележителната картина, която можем да имаме“, казва Льоб.
В четвъртата и последна вечер от планираните наблюдения на Гез, вятърът и мъглата на върха в Мауна Кеа държат куполите на телескопа затворени. Така астрономите преглеждат своите данни от предишни нощи. Изображенията от първите две нощи варираха от добра до отлична, казва Гез; третата нощ беше „уважавана“. Тя казва, че е доволна: студентите й имат достатъчно, за да ги заемат, а Туан До от Калифорнийския университет в Ървайн идентифицира няколко големи, млади звезди, които да добавят към анализа на екипа. "Чувствам се невероятно привилегирован да работя в нещо, на което се забавлявам толкова много", казва Гез. "Трудно е да се повярва, че наистина съществуват черни дупки, защото това е толкова екзотично състояние на Вселената. Успяхме да го демонстрираме и намирам това наистина дълбоко."
Тя прекарва по-голямата част от времето си в надзор над командния център във Ваймея, но е била на върха на Мауна Кеа, за да види лазера в действие. Докато говорим за хипнотизиращия гледка, става ясно, че Гез оценява иронията: астрономите обичат тъмното и често се оплакват от всеки източник на светлина, който може да попречи на наблюденията им. И все пак тук са, хвърляйки светлинен маяк в небето, за да помогнат за осветяването на най-черното нещо, което човечеството може да се надява да види.
Тази история на Робърт Ирион спечели наградата на Американското астрономическо общество за 2010 г. Дейвид Н. Шрамм за научна журналистика.
