Белешка уредника, 23. септембра 2008.: часопис "Смитхсониан" профилисала је астрофизичарка Андреа Гхез у априлу 2008. Данас је Гхез била један од 28 прималаца престижне МацАртхур геније, признајући њен допринос у истраживању црних рупа у еволуцији галаксија.
Из ове приче
[×] ЗАТВОРИ
Истраживачи под водством Андреа Гхез, астрофизичара са УЦЛА, користили су слике телескопа снимљене од 1995. до 2006. године како би креирали ову анимацију која приказује кретање одабраних звезда у центру Млечног пута. Орбите ових звијезда и прорачуни рађени помоћу Кеплерсових закона планетарног кретања дају најбољи доказ за постојање црне рупе у средишту Млијечног пута. Посебно треба истаћи звезду С0-2, која орбитира црном рупом једном сваких 15, 56 година, и звезду С0-16, која долази унутар 90 астрономских јединица (удаљеност од земље до сунца) црне рупе
Видео: Млечни пут се креће
[×] ЗАТВОРИ
За око четири милијарде година од данас, галаксије Млечни пут и Андромеда ће се срушити заједноВизуализација: НАСА, ЕСА и Ф. Суммерс, СТСцИ Симулација: НАСА, ЕСА, Г. Бесла, Цолумбиа Университи и Р. ван дер Марел, СТСцИ
Видео: Шта се догађа када се галаксије сударају?
Сличан садржај
- Унутра црне рупе
Са врха Мауна Кеа, скоро 14.000 стопа изнад Тихог океана, Млечни пут се блиставо нагиње преко ноћног неба, руба погледа на нашу галаксију. Делови великог диска су прекривени прашином, а иза једне од прашњавих мрља, близу чајника сазвежђа Стрелац, налази се центар Млечног пута. Скривена је дубоко мистериозна структура око које се врти више од 200 милијарди звезда.
Иза мене на вртоглавим стијенама овог успаваног вулкана на острву Хаваји налазе се куполе близанци ВМ Кецк Обсерватори. Свака купола садржи телескоп са џиновским огледалом широким скоро 33 метра и попут летећег ока, начињеним од испреплетених сегмената. Огледала су међу највећим на свету за прикупљање звездане светлости, а један од телескопа опремљен је сјајно новим алатом који увелико повећава његову снагу. Гледам у најближу грациозну спиралну руку Млечног Пута док чекам да техничари укључе прекидач.
Затим, изненада и са слабим кликом клизача који се отвара, златно наранџаст ласерски зрак пуца у небо из отворене куполе. Зрачак светлости, широк 18 центиметара, чини се да завршава унутар једне од најмрачнијих тачака на Млечном путу. Заправо се завршава на 55 миља изнад површине Земље. Сигнал који тамо даје омогућава телескопу да надокнади замућење Земљине атмосфере. Уместо узбурканих слика размазаних рекама зрака које се непрестано померају изнад наших глава, телескоп производи слике јасне као и све које добијају сателити у свемиру. Кецк је био један од првих опсерваторија опремљених ласерским водичем; сад их пола других почиње да их користи. Технологија астрономима пружа оштар поглед на језгро галаксије, где су звезде скупа једнако чврсто као летњи рој гноја и врте се око најмрачнијег места свих: огромне црне рупе.
Црна рупа Млијечног Пута несумњиво је најчуднија ствар у нашој галаксији - тродимензионална шупљина у простору десет пута већа од физичке величине нашег сунца и четири милиона пута већа од масе, виртуална јама без дна из које ништа не бјежи. Свака вероватна галаксија, верује се сада, има црну рупу у сржи. И по први пут ће научници моћи да проучавају пустош који настају од овог умног ентитета. Кроз ову деценију астролози Кецк ће пратити хиљаде звезда ухваћених у гравитацију црне рупе Млечног пута. Покушаће да схвате како се звезде рађају у његовој близини и како искривљују саму тканину простора. „Невјероватно ми је што можемо видјети звијезде како се врте око црне рупе наше галаксије“, каже Тафт Армандрофф, директор опсерваторије Кецк. "Да сте ми као дипломцу рекли да бих то видео током каријере, рекао бих да је то научна фантастика."
Да будемо сигурни, докази о црним рупама су потпуно индиректни; астрономи га никада нису стварно видели. Опћа теорија релативности Алберта Еинстеина предвиђала је да гравитација изузетно густе тела може толико савити зрак светлости да не може побећи. На пример, ако би се нешто са масом нашег сунца скртило у куглу пречника миљу и по, било би довољно густо да ухвати светлост. (Да би Земља постала црна рупа, њена маса морала би да се сабије на величину грашка.)
1939. године, Ј. Роберт Оппенхеимер, човек заслужан за развој атомске бомбе, израчунао је да би се такве драстичне компресије могле догодити највећим звездама након што им понестане водоника и другог горива. Једном када би звезде испливале, Оппенхеимер и његов колега позирали, преостали гас би се срушио због сопствене гравитације у бесконачно густу тачку. Опажања телескопа 1960-их и 1970-их подржала су теорију. Неколико истраживача је сугерирало да је једини могући извор енергије за нешто тако блиставо као што су квазари - изузетно светли светиони удаљени милијарде светлосних година - била би концентрација милиона сунца које је окупило оно што су научници касније назвали супермасивном црном рупом. Астрономи су тада пронашли звезде за које се чинило да лете око невидљивих ентитета у нашем Млечном путу, па су закључили да само повлачење гравитације из малих црних рупа - које садрже неколико пута већу масу нашег сунца и познату као рупе звездане масе - може задржати звезде у тако тијесним орбитама.
Свемирски телескоп Хуббле додао је доказ о црним рупама 1990-их мерећи колико се брзо врте унутрашњи делови других галаксија - до 1, 1 милиона миља на сат у великим галаксијама. Запањујуће брзине указивале су на језгре које садрже чак милијарду пута већу масу Сунца. Откриће да су супермасивне црне рупе у сржи већине, ако не и свих галаксија, било је једно од највећих достигнућа Хубблеа. "На почетку анкете о Хубблеу рекао бих да су црне рупе ретке, можда је једна галаксија у 10 или 100 и да је нешто пошло по злу у историји те галаксије", каже Хубблеов научник Доуглас Рицхстоне са Универзитета у Мичигену. "Сада смо показали да су стандардна опрема. То је нешто најзначајније."
Чак и са Хуббле-а, језгро Млечног пута остало је недостижно. Ако је наша галаксија носила супермасивну црну рупу, било би тихо, недостајало јој је трагова енергије које се виде од других. Хуббле, који је последњи пут сервисиран и надограђен 2009. године, може пратити групе звезда у близини средишта удаљених галаксија, али због свог уског угла погледа и густих облака прашине наше галаксије не може да прими исту врсту слике у нашој галаксији. Други приступ би био праћење појединих звезда у близини црне рупе помоћу инфрацрвеног светла, које пролази кроз прашину, али звезде су биле превише слабе и пренапучене да би се већина земаљских телескопа могла решити. Ипак, неки астрономи деведесетих потхвалили су се да би опажања језгра Млечног пута могла бити могућа. Тада би се могла решити бројна мучна питања: Како звезде живе и умиру у том дивљом окружењу? Шта троши црна рупа? И можемо ли да будемо сведоци, у срцу Млечног пута, искривљеног простора и времена које је Еинстеин предвидио пре готово једног века?
Контролна соба Кецк удаљена је 20 миља од телескопа, у градићу Ваимеа. За тамошње истраживаче, спектакуларни ласер је видљив само као бели зрак на монитору рачунара. Астрономи проверавају своје свеске и екране са екраном пуним података из телескопа, временских очитавања и најновијих слика звезда које циљају. Користе видео везу да разговарају са оператором за телескоп, који ће провести читаву ноћ на самиту. Ствари иду тако глатко да нема пуно посла. Телескоп ће остати закључан на истом месту на небу четири сата; ласер ради добро, а камера причвршћена на телескоп изводи једно 15-минутно излагање једно за другим у аутоматизованом редоследу. "Овде се ради само о најсуровијој врсти посматрања, " извињава ми се калифорнијски универзитет из Лос Анђелеса астроном Марк Моррис.
Упркос томе, у соби постоји напетост. Овај тим астронома, који предводи Андреа Гхез из УЦЛА, у току је такмичење са астрономима из Института Мак Планцк за ванземаљску физику у Гарцхингу у Немачкој. Од почетка деведесетих, арх. Астрофизичар Реинхард Гензел и његови колеге проучавали су црну рупу у центру Млечног пута користећи телескоп нове технологије и веома велики телескопски низ у Чилеу. Гхез (45) гура своје студенте да извуку максимум из сваке посматрачке сесије у Кецк-у. Пре шест година изабрана је у Националну академију наука - прилично је част за некога још у тридесетима. "Лако је бити на челу астрономије ако имате приступ најбољим телескопима на свету", каже она.
Пре скоро деценију, амерички и немачки тимови независно су закључили да само џиновска црна рупа може објаснити понашање звезда у језгри Млечног пута. Звезде које круже силном масом - било да је црна рупа или нека велика звезда - путују кроз свемир много брже од оних које круже мањом масом. Визуелно гледано, већа маса ствара дубљи левак у ткиву простора око којег се врте звезде; попут лишћа које кружи у вртлогу, што је дубљи вртлог, брже се лишће заврти. Други астрономи видели су брзе звезде и облаке гаса у близини центра Млечног пута, тако да су и Гхез и Гензел сумњали да је густ накупина материје скривена од погледа.
С мукотрпним састављањем инфрацрвених фотографија снимљених месецима и годинама, две екипе пратиле су најунутарње звезде, оне у року од једног светлосног месеца од центра галаксије. Комбиноване, слике су попут филмова звезда са временским кашњењем. "Рано је било јасно да постоји неколико звезда које су тек вукле", сећа се Гхез. "Јасно је да су били изузетно близу центру." Нешто их је заробило у дубоком вртлогу. Црна рупа је имала највише смисла.
Клиничар је дошао 2002. године, када су оба тима изоштрила своје слике користећи адаптивну оптику, технологију која надокнађује замагљеност атмосфере. Научници су пратили звезде које орбитирају опасно близу центра галаксије и открили су да је највећа брзина најбрже звезде била 3 процента брзине светлости - око 20 милиона миља на сат. То је невјеројатна брзина глобуса плина далеко већег од нашег сунца, а чак је и скептицима увјерила да је за то одговорна супермасивна црна рупа.
Замућивање Земљине атмосфере обузело је кориснике телескопа од првих Галилеових студија Јупитера и Сатурна пре 400 година. Гледање звезде кроз ваздух је попут гледања пенија на дну базена. Зрачне струје чине да се звезда светлуца напред и назад.
Црна рупа наше галаксије емитује рендген зраке (који су овде видљиви на слици са сателитског телескопа Цхандра) док се материја окреће ка њој. (Центар за свемирске летове Марсхалл / НАСА) Током деведесетих година, инжењери су научили да бришу дисторзије технологијом која се зове адаптивна оптика; рачунари анализирају образац треперења долазне звездане милисекунде по милисекунди и користе те прорачуне за погон скупа клипова на задњој страни танког и флексибилног огледала. Клипови савијају огледало стотине пута у секунди, подешавајући површину да би умањили изобличења и формирали оштру централну тачку.
Технологија је имала једно велико ограничење. Рачунарима је била потребна јасна водиља као врста референтне тачке. Систем је функционисао само ако је телескоп циљао близу сјајне звезде или планете, ограничавајући астронома на само 1 проценат неба.
Стварајући вештачку звезду водича где год је то потребно, ласер Кецк опсерваторије уклања то ограничење. Ласерски сноп је подешен на фреквенцију која светли атоми натријума, а који су остављени распадањем метеорита у слоју атмосфере. Кецкови рачунари анализирају изобличење у колони ваздуха између огледала телескопа и ласера створене звезде.
Унутар куполе телескопа високог 101 метра, ласерски систем налази се у кућишту величине аутобуса. Ласер почиње са снажних 50 000 вати снаге, појачавајући светлосни сноп у раствору обојеном од етанола отпорног на 190. Али до тренутка када се светлост прилагоди својој исправној боји и енергија се усмери дуж једне стазе, снага се смањује на око 15 вата - још увек довољно светла да Федерална управа за ваздухопловство захтева да опсерваторија искључи ласер ако је авион за које се очекује да ће летети близу своје стазе. Са неколико стотина метара ласер изгледа као нејасна оранка. Мало даље то уопште није видљиво. Што се тиче остатка острва, у Мауна Кеа не постоји ласер ласер схов.
Препознавање црне рупе је једна ствар; описујући то је друго. "Тешко је насликати слику која се односи на свет онакав какав га разумемо, без употребе математичке сложености", каже Гхез једног поподнева у контролном центру Кецк. Следећег дана пита свог 6-годишњег сина да ли он зна шта је црна рупа. Његов брзи одговор: "Не знам, мама. Зар не би?"
Марк Моррис мисли да "рупа" чини погодну метафору за црну рупу. Да сте били у свемиру близу црне рупе, "каже, " видели бисте да ствари нестају у њу из свих праваца. "
И Гхез и Моррис воле да замишљају како гледају из црне рупе. "Ово је напредно градско средиште галаксије, у поређењу с предграђима где смо", каже Гхез. "Звезде се крећу огромном брзином. Видели бисте да се ствари мењају на временској скали од десетина минута." Моррис говори о овој теми. "Ако погледате ноћно небо са прелепе планине, одузима вам дах колико звезда има", каже он. "Сада, помножите то са милион. Тако би изгледало небо у галактичком центру. Било би то као небо пуно Јупитера и неколико звезда сјајних попут пуног Месеца."
У тако величанственом окружењу закони физике су чудесно увијени. Гхез и Моррис надају се да ће прикупити прве доказе да звезде заиста путују чудним орбиталним стазама које је предвиђала Еинстеинова теорија релативности. Ако је то случај, свака звезда би пронашла нешто попут узорка на играчки за цртање Спирографа: низ петљи које се постепено померају у положају у односу на црну рупу. Гхез мисли да су она и њене колеге неколико година удаљени од примете те смене.
Са сваким новим налазом, језгро Млечног пута постаје све збуњујуће и фасцинантније. И Гхезови и Гензелови тимови били су запрепаштени када су открили многе масивне младе звезде у окружењу црне рупе. Има их десетина, свих само пет до десет милиона година - одојчади, у космичком смислу - и оне су отприлике десет пута веће од нашег сунца. Нико није сасвим сигуран како су се толико приближили црној рупи или како су дошли. Другдје у галаксији, гестантским звездама је потребна хладна, смирена материца у великом облаку прашине и гаса. Галактичко језгро је све само не смирено: интензивна радијација преплави ово подручје, а гравитација црне рупе требало би да уништи гасовите расаднике пре него што се тамо инкубира. Као што је Реинхард Гензел рекао на конференцији пре неколико година, те младе звезде "немају преклето право да буду тамо". Могуће је да су се неки родили даље и мигрирали према унутра, али већина теоретичара мисли да су премлади за тај сценарио. Моррис мисли да интензивна гравитација компримира спирални гас у диск око црне рупе, стварајући нова сунца у типу рођења звезда који нису виђени ни у једном другом галактичком окружењу.
Ове младе звезде ће се од сада самоуништити за неколико милиона година. А кад то ураде, најмасовније ће оставити иза себе мале црне рупе. Моррис теоретизира да се стотине хиљада тих црних рупа звјездане масе, нагомиланих од претходних генерација звијезда, крећу око централне, супермасивне црне рупе. Црне рупе звјездане масе широке су само око 20 миља, тако да би судари између њих били ријетки. Уместо тога, Моррис каже: "Имаћете црне рупе које ће се пробијати једна поред друге током ноћи, а звезде које се крећу кроз овај дерби уништавања. Ближи пропуст између једне од црних рупа и неке звезде могао би да расипа звезду у супермасирану црну рупу или у потпуности изван галактичког центра. " Теоретичари сматрају да супермасивна црна рупа може пробити звезду једном у десетинама хиљада година - догађај који би зрачењем преплавио центар галаксије. "То би био спектакуларан догађај", каже Моррис.
Астрономи примећују знакове таквог грчевитог прегледавања унутрашњости Млечног пута помоћу рендгенских и радио-телескопа који откривају ударне таласе прошлих експлозија. Огромне црне рупе у другим галаксијама су предалеко да би астрономи могли проучавати толику дубину, каже Ави Лоеб, директор Института за теорију и рачунање при Харвард-Смитхсониан Центру за астрофизику у Цамбридгеу, Массацхусеттс. Због тога он виси о свакој најави екипа Гхеза и Гензела. "Напредци које су посматрачи постигли у тако кратком року били су заиста изванредни", каже он. "Ми теоретичари смо сви навијачи за њих."
Лоеб и други сликају нову слику о томе како се универзум и његове 100 милијарде галаксија развили од Великог праска пре 13, 7 милијарди година. Они верују да су све галаксије почеле са још увек необјашњеним „семенским“ црним рупама - десетинама и хиљадама пута већим од масе нашег сунца - које су експоненцијално порасле током циклуса насилног храњења када су се галаксије сударале, што су чинили чешће када је свемир био млађи и галаксије су биле ближе једна другој. У судару се неке звезде катапултирају у свемир, а друге звезде и гасови се залије у новокомбиновану црну рупу у центру галаксија. Како црна рупа расте, каже Лоеб, претвара се у бесни квазар са гасом загрејаним на милијарде степени. Затим квазар у потпуности избацује остатак гаса из галаксије. Након што се гас испразни, каже Лоеб, "супермасивна црна рупа седи у центру галаксије, успавана и изгладњела."
Изгледа да је наш Млечни пут, са црном рупом скромне величине, апсорбирао само неколико мањих галаксија и никада није напунио квазар. Међутим, туробни ударци су на површини. Најближа велика галаксија, звана Андромеда, налази се на путу судара са Млечним путем. Њих ће се од данас почети спајати око две милијарде година, постепено ће формирати огромну галаксију коју Лоеб и његов бивши колега са Харвард-Смитхсонијана ТЈ Цок називају „Милкомеда“. Супермасивне централне црне рупе галаксија ће се сударити, прождирећи бујице гаса и запалити нови квазар за кратко време у овом седативном делу свемира. "У том погледу каснимо цветати", напомиње Лоеб. "То се догодило већини других галаксија рано." (Земља се сударом неће избацити из Сунчеве орбите и не би је требало ништа ударити током спајања. Али на небу ће бити много више звезда.)
Узнемирујућа будућност наше галаксије, Лоеб се нада да ће ускоро - можда у року од једне деценије - имати прву слику супермасивне црне рупе Млијечног пута захваљујући настајању глобалне мреже телескопа „милиметарских таласа“. Названи по таласној дужини радио таласа које детектују, инструменти заправо неће видети црну рупу. Уместо тога, у концерту ће мапирати сенку коју баца на завесу врућег гаса иза ње. Ако све пође добро, сенка ће имати карактеристичан облик. Неки теоретичари очекују да се црна рупа врти. Ако је тако, према контраинтуитивном повлачењу простора који је предвидио Ајнштајн, наш поглед на сенку биће искривљен у нешто попут суза и смекша. "То би била најупечатљивија слика коју можемо имати", каже Лоеб.
У четвртој и последњој ноћи Гхезових планираних осматрања, ветар и магла на врху Мауна Кеа одржавају затворене куполе телескопа. Тако астрономи прегледавају своје податке из претходних ноћи. Слике из прве две ноћи кретале су се од добре до одличне, каже Гхез; трећа ноћ је била „угледна“. Каже да је задовољна: њени студенти имају довољно да их запосле, а Туан До са Калифорнијског универзитета у Ирвинеу је идентификовао неколико великих, младих звезда које су додале у анализу тима. "Осећам се невероватно привилеговано да радим на нечему у чему сам јако забаван", каже Гхез. "Тешко је вјеровати да црне рупе заиста постоје, јер је то тако егзотично стање универзума. Успјели смо то демонстрирати, и то сматрам заиста дубоким."
Већину свог времена проводи надгледајући командни центар Ваимеа, али била је на врху Мауна Кеа да види ласер у акцији. Док говоримо о очаравајућем призору, јасно је да Гхез цени иронију: астрономи воле мрак и често се жале на било који извор светлости који би могао ометати њихова запажања. Па ипак, ево их, бацајући светлост светла у небо како би помогли да осветли најмрачније што човек може да се нада.
Ова прича Роберта Ириона освојила је награду Давид Н. Сцхрамм за научно новинарство Америчког астрономског друштва 2010. године.
