Toimetaja märkus, 23. september 2008: Smithsoniani ajakiri profileeris astrofüüsik Andrea Ghezit 2008. aasta aprillis. Ghez oli täna üks 28-st maineka MacArthuri geeniuse stipendiumi saajast, tunnustades tema panust galaktikate evolutsiooni mustade aukude uurimisse.
Sellest loost
[×] SULETUD
UCLA astrofüüsiku Andrea Ghezi juhitud teadlased kasutasid selle animatsiooni loomiseks 1995. aastast kuni 2006. aastani tehtud teleskoobi pilte, mis näitavad Linnutee keskmes valitud tähtede liikumist. Nende tähtede orbiidid ja Keplersi planeetide liikumise seadusi kasutades tehtud arvutused annavad veel parimaid tõendeid Linnutee keskmes oleva musta augu olemasolu kohta. Eriti tähelepanuväärsed on täht S0-2, mis tiirleb mustast august kord 15, 56 aasta jooksul, ja täht S0-16, mis asub musta augu 90 astronoomilise ühiku (maapinnast päikese vahel) piires.
Video: Linnutee liigub
[×] SULETUD
Umbes nelja miljardi aasta pärast hävivad Linnutee ja Andromeda galaktikad koos. Visualiseerimine: NASA, ESA ja F. Summers, STScI Simulatsiooni krediit: NASA, ESA, G. Besla, Columbia ülikool ja R. van der Marel, STScI
Video: Mis juhtub, kui galaktikad kokku põrkuvad?
Seotud sisu
- Mustade aukude sees
Vaikse ookeani kohal ligi 14 000 jalga kõrgemal asuva Mauna Kea tippkohtumisest kallutab Linnutee helendavalt üle öise taevalaotuse, meie galaktika servavaatelt. Suure ketta osad on tolmu varjatud ja peale ühe tolmuse täpi asub Amburi tähtkuju teekannu lähedal Linnutee keskpunkt. Varjatud on sügavalt salapärane struktuur, mille ümber keerleb üle 200 miljardi tähe.
Minu taga on selle Hawaii saarel seisva vulkaani koledad kivimid WM Kecki vaatluskeskuse kaksikkuplid. Igas kuplis asub peaaegu 33 jalga laiuse hiiglasliku peegliga teleskoop, mis on nagu kärbsenäpp valmistatud omavahel ühendatud segmentidest. Peeglid on maailma suurimad tähevalguse kogumiseks ja üks teleskoop on varustatud pimestava uue tööriistaga, mis suurendab selle võimsust tunduvalt. Vaatan lähitulevikku Linnutee graatsilistest spiraalivarredest, kui ootan, kuni tehnikud lülitit klappima hakkavad.
Siis, äkki ja libiseva aknaluugi nõrga klõpsuga, laseb avatud kuppel taevasse kuldoranž laserikiir. Valguskiir, 18 tolli lai, näib lõppevat Linnutee ühe kõige mustema koha sees. See lõpeb tegelikult 55 miili kõrgusel Maa pinnast. Signaal, mille see sinna annab, võimaldab teleskoobil kompenseerida Maa atmosfääri hägustumist. Meie peade kohal pidevalt muutuvate õhuvoolude poolt määrdunud piltide asemel tekitab teleskoop sama selgeid pilte kui kosmoses olevad satelliidid. Keck oli üks esimesi observatooriume, kus paigaldati laserjuht; nüüd on pool tosinat teist hakanud neid kasutama. See tehnoloogia pakub astronoomidele terava ülevaate galaktika tuumast, kus tähed on pakitud sama tihedalt kui suveniiride suveniir ja keerduvad ümber kõigi pimedaimate kohtade: hiiglasliku musta augu.
Linnutee must auk on kahtlemata kummalisem asi meie galaktikas - kolmemõõtmeline õõnsus ruumis, mis on kümme korda suurem meie päikese füüsilisest suurusest ja neli miljonit korda massist, virtuaalne põhjatu auk, kust midagi ei pääse. Arvatakse, et iga suurema galaktika keskmes on must auk. Ja esimest korda saavad teadlased uurida, kuidas need mõistust tekitavad üksused hävitavad. Kogu selle kümnendi jooksul jälgivad Kecki astronoomid tuhandeid tähti, kes on tabatud Linnutee musta augu raskuses. Nad püüavad aru saada, kuidas tähed sünnivad selle läheduses ja kuidas see moonutab ruumi enda kangast. "Minu arvates on hämmastav, et näeme tähti, kes piitsutavad meie galaktika musta augu ümber, " ütleb Kecki observatooriumi direktor Taft Armandroff. "Kui te oleksite mulle abituriendina öelnud, et ma näeksin seda oma karjääri jooksul, oleksin öelnud, et see on ulme."
Muidugi on mustade aukude olemasolu tõendatud kaudselt; astronoomid pole kunagi sellist näinud. Albert Einsteini üldine relatiivsusteooria ennustas, et äärmiselt tiheda keha raskusjõud võib valguskiirt nii tugevasti painutada, et see ei pääse välja. Näiteks kui midagi meie päikese massiga kahandataks pooleteise miili läbimõõduga kuuliks, oleks see piisavalt tihe, et lõksu pääseda. (Et Maa muutuks mustaks auguks, tuleb selle mass tihendada herne suuruseks.)
1939. aastal arvutas aatomipommi väljatöötamise eest krediidi saanud mees J. Robert Oppenheimer, et selline drastiline kokkusurumine võib juhtuda suurimate tähtedega, kui neil on vesinik ja muu kütus otsa saanud. Kui tähed läksid laiali, Oppenheimer ja üks kolleeg poseerisid, kukub järelejäänud gaas oma raskuse tõttu lõpmata tihedasse kohta. Teleskoobi vaatlused 1960. ja 1970. aastatel toetasid seda teooriat. Mõni teadlane soovitas kvasaride - eriti heledate majakate - miljardite valgusaastate kaugusel - ainsa võimaliku energiaallikana miljonite päikeste kontsentratsiooni, mille tõmbasid teadlased hiljem ülitäpseks mustaks auguks. Astronoomid leidsid siis tähed, mis näisid piitsutavat meie Linnutees nähtamatute üksuste ümber, ja nad jõudsid järeldusele, et ainult raskusjõu tõmbamine väikestest mustadest aukudest - mis sisaldab mitu korda meie päikese massi ja mida tuntakse kui tähemassi auke - suudab tähti hoida sellistel tihedatel orbiitidel.
Hubble'i kosmoseteleskoop lisas 1990. aastatel mustade aukude kohta tõendusmaterjali, mõõtes, kui kiiresti teiste galaktikate sisemised osad pöörlevad - suurtes galaktikates kuni 1, 1 miljonit miili tunnis. Stardikiirused osutasid tuumadele, mis sisaldavad Päikese massi kuni miljard korda. Avastus, et ülimassiivsed mustad augud on enamiku, kui mitte kõigi galaktikate keskmes, oli Hubble'i üks suurimaid saavutusi. "Hubble'i uuringu alguses oleksin öelnud, et mustad augud on haruldased, võib-olla üks galaktika 10-st või 100-st, ja et selle galaktika ajaloos läks midagi valesti, " ütleb Michigani ülikooli Hubble'i teadlane Douglas Richstone. "Nüüd näitasime, et need on standardvarustus. See on kõige tähelepanuväärsem asi."
Isegi Hubble'ist jäi Linnutee tuum tabamatuks. Kui meie galaktika kandis ülimassiivset musta auku, oli see vaikne, puududes teistelt vaadatud energia. 2009. aastal viimast korda hooldatud ja täiustatud Hubble suudab jälgida tähtede rühmi kaugete galaktikate keskuste lähedal, kuid kitsa vaatenurga ja meie galaktika paksude tolmupilvede tõttu ei saa see võtta samasuguseid pildid meie galaktikas. Teine lähenemisviis oleks jälgida üksikuid tähti musta augu läheduses olevast infrapunavalgusest, mis liigub läbi tolmu, kuid tähed olid liiga nõrgad ja liiga rahvarohked, et enamus maapealseid teleskoope lahendada. Sellegipoolest julgustasid mõned astronoomid 1990ndatel, et Linnutee tuuma võib olla võimalik jälgida. Seejärel võiks käsitleda mitmeid ahistavaid küsimusi: kuidas tähed elavad ja surevad selles metsikus keskkonnas? Mida must auk tarbib? Ja kas võime Linnutee keskmes olla tunnistajaks väändunud ruumile ja ajale, mida Einstein ennustas peaaegu sajand tagasi?
Kecki kontrollruum asub teleskoobist 20 miili kaugusel Waimea rannaäärses linnas. Sealsete teadlaste jaoks on suurejooneline laser nähtav ainult arvutimonitoril wan-kiirgusena. Astronoomid kontrollivad oma sülearvuteid ja jälgivad ekraane, mis on täis andmeid teleskoobi kohta, ilmatulemusi ja uusimat pilti nende tähtedest, kellele nad on suunatud. Nad kasutavad telesideoperaatoriga vestlemiseks videolinki, kes veedab tippkohtumisel kogu öö. Asjad lähevad nii sujuvalt, et teha pole palju. Teleskoop jääb neli tundi lukustatuks taevasse kohta; laser töötab hästi ja teleskoobi külge kinnitatud kaamera võtab automatiseeritud järjestuses ühe 15-minutise särituse teise järel. "See puudutab kõige ebameeldivamaid vaatlusi, " ütleb Los Angelese California ülikooli astronoom Mark Morris mulle vabandavalt.
Isegi siis on ruumis pinge. See astronoomide meeskond, mida juhib UCLA esindaja Andrea Ghez, on käimas pidevas konkurentsis Saksamaa Garchingi Max Plancki Maavälise Füüsika Instituudi astronoomidega. Alates 1990. aastate algusest on Garchingi astrofüüsik Reinhard Genzel ja tema kolleegid uurinud Tšiilis uue tehnoloogia teleskoobi ja väga suure teleskoobi massiivi kasutades Linnutee keskel asuvat musta auku. Ghez, 45, sunnib oma õpilasi saama igast Kecki vaatlusistungist maksimumi. Kuus aastat tagasi valiti ta Riiklikku Teaduste Akadeemiasse - see oli suur au kellelegi, kes oli veel 30-aastane. "Kui teil on juurdepääs maailma parimatele teleskoopidele, on lihtne astronoomia esireas olla, " ütleb ta.
Ligi kümmekond aastat tagasi järeldasid Ameerika ja Saksamaa meeskonnad iseseisvalt, et Linnutee tuumikus olevate tähtede käitumist võib selgitada ainult hiiglaslik must auk. Kopsakaid masse tiirlevad tähed - kas must auk või mõni suur täht - läbivad kosmose palju kiiremini kui need, mis tiirlevad väiksema massi ümber. Visuaalselt loob suurem mass kosmose kangasse sügavama lehtri, mille ümber tähed keerlevad; nagu mullivannil ringlevad lehed, mida sügavam on mullivann, seda kiiremini lehed keerlevad. Teised astronoomid olid Linnutee keskuse lähedal näinud kiiresti liikuvaid tähti ja gaasipilvi, nii et nii Ghez kui ka Genzel kahtlustasid, et tihe mateeria klaster on vaate eest varjatud.
Koondades vaevaga kuude ja aastate kaupa tehtud infrapunafotosid, jälgisid kaks meeskonda sisemisi tähti, neid, mis asuvad ühe valguskuu jooksul galaktika keskpunktist. Kombineeritult on pildid nagu aeg-ajalt liikuvad filmid tähtede liikumisest. "Varakult oli selge, et seal on mõned tähed, kes lihtsalt vedasid, " meenutab Ghez. "On selge, et nad olid keskusele väga lähedal." Midagi lõi nad sügavasse keerisesse. Must auk oli kõige mõistlikum.
Klinker tuli 2002. aastal, kui mõlemad meeskonnad teritasid oma pilte, kasutades adaptiivset optikat - tehnoloogiat, mis kompenseerib atmosfääri hägustumist. Teadlased jälgisid galaktika keskpunkti lähedale orbiidil tiirlevaid tähti ja leidsid, et kiireima tähe tippkiirus oli 3 protsenti valguse kiirusest - umbes 20 miljonit miili tunnis. See on hämmastav kiirus meie päikesest tunduvalt suurema gaasimaailma jaoks ja see veenis isegi skeptikuid, et selle eest vastutab ülimenukas must auk.
Maa atmosfääri hägustumine on teleskoobi kasutajaid vaevanud alates Galileo esimestest uuringutest Jupiteri ja Saturni kohta 400 aastat tagasi. Tähe läbi õhu vaatamine on nagu penni pealt vaadates basseini põhjas. Õhuvoolud muudavad tähevalguse edasi-tagasi värisema.
Meie galaktika must auk kiirgab röntgenkiirte (mis on siin nähtav Chandra satelliitteleskoobi kujutisel), kui aine pöörleb selle poole. (Marshalli kosmoselennukeskus / NASA) 1990ndatel õppisid insenerid moonutusi moonutama, kasutades tehnoloogiat, mida nimetatakse adaptiivseks optikaks; arvutid analüüsivad sissetuleva tähtvalguse värisevat mustrit millisekundi jooksul millisekundi järgi ja kasutavad neid arvutusi kolvikomplekti juhtimiseks õhukese ja painduva peegli tagaküljel. Kolvid painutavad peeglit sadu kordi sekundis, kohandades pinda moonutuste vastu ja moodustades terava keskpunkti.
Tehnoloogial oli üks oluline piirang. Omamoodi tugipunktina vajasid arvutid selget suunavat valgust. Süsteem töötas ainult juhul, kui teleskoop oli suunatud ereda tähe või planeedi lähedale, piirates astronoomide ulatust vaid 1 protsendini taevast.
Luues kunstliku juhttähe kõikjal, kus seda vajatakse, eemaldab Kecki vaatluskeskuse laser selle piirangu. Laserkiir on häälestatud sagedusele, mis süttib naatriumi aatomeid, mis jäetakse meteoriitide lagunemisel atmosfääri kihis. Kecki arvutid analüüsivad teleskoobipeegli ja laseriga loodud tähe vahel õhu kolonnis esinevat moonutust.
Teleskoobi 101-suu kõrguses kuplis asub lasersüsteem siinisuuruses korpuses. Laser käivitub 50 000 vatti võimsusega, võimendades valguskiirt 190-korrektsest etanoolist valmistatud värvilahuses. Kuid selleks ajaks, kui valgus on oma õigele värvile kohandatud ja selle energia suunatakse ühele teele, kahaneb selle võimsus umbes 15 vatti - ikkagi piisavalt hele, et föderaalne lennuamet nõuab vaatluskeskuselt laseri sulgemist, kui lennuk on eeldatakse, et ta lendab oma tee lähedale. Mitusada jalga kaugusel näeb laser välja nagu tuhm merevaigust pliiatsikiir. Veidi kaugemalt pole see üldse nähtav. Mis puutub ülejäänud saaresse, siis Mauna Keas lasernäitust ei toimu.
Musta augu tuvastamine on üks asi; selle kirjeldamine on teine. "Raske on maalida pilti, mis on seotud maailmaga, nagu me sellest aru saame, ilma matemaatilist keerukust kasutamata, " ütleb Ghez ühel pärastlõunal Kecki juhtimiskeskuses. Järgmisel päeval küsib naine oma 6-aastaselt pojalt, kas ta teab, mis on must auk. Tema kiire vastus: "Ma ei tea, emme. Kas sa ei peaks?"
Mark Morris arvab, et "kraanikauss" muudab musta augu jaoks sobivaks metafooriks. Kui te asuksite kosmoses musta augu lähedal, "näeksite, et asjad kaovad sellesse igast suunast."
Nii Ghezile kui ka Morrisele meeldib kujutada end mustast august välja vaatavat. "See on galaktika õitsev kesklinn, võrreldes eeslinnadega, kus me oleme, " ütleb Ghez. "Tähed liiguvad tohutu kiirusega. Te näeksite, kuidas asjad muutuvad kümnete minutite skaalal." Morris võtab selle teema üles. "Kui vaatate öist taevast kaunilt mäetipult, võtab see hinge, kui palju tähti on, " ütleb ta. "Nüüd korrutage see miljoniga. Nii näeks välja galaktika keskuse taevas. See oleks nagu Jupiterit täis taevas ja mõni täht, nii hele kui täiskuu."
Sellises suurepärases keskkonnas on füüsikaseadused imeliselt väänatud. Ghez ja Morris loodavad koguda esimesi tõendeid selle kohta, et tähed tõepoolest rändavad mööda veidraid orbitaalteid, mida ennustas Einsteini relatiivsusteooria. Kui jah, siis jälgib iga täht midagi Spirographi joonistamismängu mustrilt sarnast: silmuste seeria, mis nihkuvad järk-järgult positsioonis musta augu suhtes. Ghez arvab, et tema ja ta kolleegid on selle nihke märkamisest mitu aastat eemal.
Iga uue leiuga muutub Linnutee tuum veelgi segasemaks ja põnevamaks. Nii Ghez'i kui ka Genzeli meeskonnad olid jahmunud, et avastada musta augu naabruses palju massiivseid noori tähti. Neid on hulgaliselt, kõik vaid viie kuni kümne miljoni aasta vanused - kosmilises mõttes imikud - ja nad on umbes kümme korda massiivsemad kui meie päike. Keegi pole täiesti kindel, kuidas nad musta auku nii lähedale jõudsid või kuidas nad tekkisid. Mujal galaktikas vajavad tiinetavad tähed suures tolmu- ja gaasipilves külma, rahulikku emakat. Galaktika tuum on kõike muud kui rahulik: intensiivne kiirgus ujutab piirkonna üle ja musta augu gravitatsioon peaks raputama gaasilised puukoolid enne, kui seal midagi inkubeerub. Nagu Reinhard Genzel mitu aastat tagasi konverentsil ütles, pole neil noortel staaridel "neetud õigust seal olla". Võimalik, et mõni neist sündis kaugemal ja rändas sissepoole, kuid enamus teoreetikuid arvavad, et nad on selle stsenaariumi jaoks liiga noored. Morrise arvates surub intensiivne gravitatsioon spiraalse gaasi musta auku ümbritsevasse kettale, luues uued päikesed sellist tüüpi tähesündimisel, mida pole üheski teises galaktilises keskkonnas näha.
Need noored tähed hävitavad ennast juba mõne miljoni aasta pärast. Ja kui nad seda teevad, jätavad kõige massiivsemad neist maha väikesed mustad augud. Morris teoreetiliselt väidab, et sajad tuhanded need tähemassiga mustad augud, mis on kogunenud eelmiste põlvkondade tähtede hulgast, tiirlevad keskse ülitäpse musta augu ümber. Tähemassi mustad augud on vaid umbes 20 miili laiad, nii et nendevahelised kokkupõrked oleksid haruldased. Selle asemel ütleb Morris: "Teil on öösel mustad augud, mis liiguvad mööda hävitusderbyt. Täht, mis jääb ühe musta augu vahele, võib tähe hajutada ülitähtsasse musta auku või galaktika keskusest täielikult välja. " Teoreetikud arvavad, et ülimassiivne must auk võib iga kümnete tuhandete aastate tagant tähe guugeldada - sündmus, mis ujutaks radiatsiooni abil galaktika keskpunkti. "See oleks tähelepanuväärne sündmus, " ütleb Morris.
Astronoomid näevad sellise kugistamise märke, kui nad uurivad Linnutee interjööri röntgen- ja raadioteleskoopide abil, mis tuvastavad varasemate plahvatuste lööklaineid. Hiiglaslikud mustad augud teistes galaktikates on astronoomide jaoks nii kaugel, et neid nii põhjalikult uurida, ütles Massachusettsi osariigis Cambridge'is asuva Harvardi Smithsoniani astrofüüsika keskuse teooria ja arvutuse instituudi direktor Avi Loeb. Sellepärast ripub ta igal Ghezi ja Genzeli meeskonna teadaandel. "Vaatlejate tehtud edusammud nii lühikese aja jooksul on olnud tõeliselt märkimisväärsed, " ütleb ta. "Meie, teoreetikud, oleme nende jaoks kõik cheerleaderid."
Loeb ja teised maalivad uue pildi sellest, kuidas universum ja selle 100 miljardit galaktikat arenesid alates Suurest Paugust 13, 7 miljardit aastat tagasi. Nad usuvad, et kõik galaktikad algasid seni seletamatute "seemne" mustade aukudega - kümneid tuhandeid kordi meie päikese massiga -, mis kasvasid plahvatusohtlike vägivaldsete toitmistsüklite ajal plahvatuslikult, kui galaktikad põrkasid, mida nad tegid sagedamini, kui universum oli noorem ja galaktikad olid üksteisega lähemal. Kokkupõrkel katapultnevad mõned tähed sügavasse kosmosesse ja teised tähed ja gaasid varitsevad galaktikate keskpunktis äsja ühendatud musta auku. Musta augu kasvades muutub Loebi sõnul see märatsevaks kvasariks, mille gaas on kuumutatud miljarditesse kraadidesse. Seejärel prügistab kvaasar ülejäänud gaasi täielikult galaktikast välja. Pärast gaasi ammendumist ütleb Loeb, et "ülimassiivne must auk istub galaktika keskpunktis, uinunud ja näljas."
Näib, et meie Linnutee on oma tagasihoidliku suurusega musta auguga neelanud vaid mõned väiksemad galaktikad ja pole kunagi kvaasarit toita. Hirmutav kokkupõrge kangastub siiski. Lähim suur galaktika, nimega Andromeda, on kokkupõrkerajal Linnuteega. Need kaks hakkavad nüüd umbes kahe miljardi aasta pärast ühinema, moodustades järk-järgult tohutu galaktika, mida Loeb ja tema endine Harvard-Smithsoniani kolleeg TJ Cox nimetavad "Milkomedaks". Galaktikate ülimassiivsed keskmised mustad augud põrkuvad, neelates torusid gaasi ja süütades korraks universumi selles sedasi piirkonnas uue kvaasari. "Oleme selles osas hilja õitsejad, " märgib Loeb. "Enamiku teiste galaktikatega juhtus see varakult." (Kokkupõrke korral ei saa Maa Päikese orbiidilt välja paiskuda ja ühinemise ajal ei tohiks see midagi raputada. Kuid taevas on palju rohkem tähti.)
Meie galaktika murettekitav tulevik kõrvale jättes loodab Loeb, et varsti - võib-olla kümne aasta jooksul - saab temast esimene pilt Linnutee ülimassiivsest mustast august, tänu tekkivale ülemaailmsele "millimeetri laine" teleskoopide võrgule. Need instrumendid, mida nimetatakse nende tuvastatud raadiolainete lainepikkuseks, ei näe tegelikult musta auku ise. Pigem kaardistavad nad varju, mille ta selle taga kuuma gaasi kardinale heidab. Kui kõik hästi läheb, on vari eristatav. Mõni teoreetik arvab, et must auk keerleb. Kui jah, siis vastavalt Einsteini ennustatud vastupidisele intuitiivsele ruumi tõmbamisele moondub meie vaade varju millekski nii, nagu kaldu ja lömastatud pisaravool. "See oleks kõige tähelepanuväärsem pilt, mis meil olla võiks, " ütleb Loeb.
Ghezi kavandatud vaatluste neljandal ja viimasel ööl hoiavad tuul ja udu Mauna Kea tippkohtumisel teleskoobi kuplid suletuna. Nii vaatavad astronoomid üle oma varasemate ööde andmed. Kahe esimese öö pildid varieerusid headest suurepärasteni, ütles Ghez; kolmas öö oli "auväärne". Ta on enda sõnul rahul: tema õpilastel on piisavalt, et neid kinni hoida, ja Tuan Do Californias Irvine'is tuvastas meeskonna analüüsi jaoks mõned suured noored tähed. "Mul on tohutult hea meel töötada selle nimel, kus mul on nii lõbus, " räägib Ghez. "On raske uskuda, et mustad augud on tõesti olemas, kuna see on selline universumi eksootiline seisund. Oleme suutnud seda demonstreerida ja minu arvates on see tõesti sügav."
Ta veedab suurema osa ajast Waimea juhtimiskeskuse järelevalves, kuid ta on käinud Mauna Kea tipus, et näha laserit töötamas. Kui me räägime rämedast vaatepildist, on selge, et Ghez hindab irooniat: astronoomid armastavad pimedat ja kurdavad sageli kõigi valgusallikate üle, mis võivad nende vaatlusi häirida. Kuid siin nad on, kui heidavad taevasse valguse majaka, mis aitab valgustada kõige mustemat, mida inimkond võib kunagi loota.
See Robert Irioni lugu võitis Ameerika Astronoomiaühingu 2010. aasta David N. Schrammi auhinna teadusajakirjanduse eest.
