Примечание редактора, 23 сентября 2008 года. Смитсоновский журнал представил профильного астрофизика Андреа Геза в апреле 2008 года. Сегодня Гез была одним из 28 получателей престижного гранта Макартура гения, отмечая ее вклад в исследование черных дыр в эволюции галактик.
Из этой истории
[×] ЗАКРЫТЬ
Исследователи во главе с Андреа Гез, астрофизиком из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, использовали изображения телескопа, сделанные с 1995 по 2006 год, чтобы создать эту анимацию, показывающую движение избранных звезд в центре Млечного пути. Орбиты этих звезд и расчеты, сделанные с помощью законов движения Кеплера, являются лучшим доказательством существования черной дыры в центре Млечного Пути. Особо следует отметить звезду S0-2, которая вращается вокруг черной дыры каждые 15.56 лет, и звезду S0-16, которая находится в пределах 90 астрономических единиц (расстояние от Земли до Солнца) черной дыры.
Видео: Млечный путь движется
[×] ЗАКРЫТЬ
Примерно через четыре миллиарда лет галактики Млечный Путь и Андромеда потерпят крах вместе. Визуализация: НАСА, ЕКА и Ф. Саммерс, кредит моделирования STScI: НАСА, ЕКА, Дж. Бесла, Колумбийский университет и Р. ван дер Марел, STScI
Видео: что происходит, когда галактики сталкиваются?
Связанный контент
- Внутри черных дыр
С вершины Мауна-Кеа, расположенной на высоте почти 14 000 футов над Тихим океаном, Млечный путь ярко светится по ночному небу, вид на нашу галактику. Части большого диска затенены пылью, а за одним из этих пыльных пятен рядом с чайником созвездия Стрельца находится центр Млечного пути. Спрятано глубоко загадочное сооружение, вокруг которого вращается более 200 миллиардов звезд.
Позади меня на скалистых скалах этого спящего вулкана на острове Гавайи находятся двойные купола обсерватории WM Keck. В каждом куполе находится телескоп с гигантским зеркалом шириной почти 33 фута, который, как глаз мухи, состоит из сцепленных сегментов. Зеркала являются одними из самых больших в мире для сбора звездного света, и один из телескопов оснащен ослепительно новым инструментом, который значительно увеличивает его мощность. Я смотрю на ближайший изящный спиральный рычаг Млечного Пути, ожидая, пока техники нажмут на выключатель.
Затем, внезапно и со слабым щелчком открывающейся заслонки, золотисто-оранжевый лазерный луч падает в небо из открытого купола. Луч света шириной 18 дюймов заканчивается внутри одного из самых черных пятен Млечного Пути. Это на самом деле заканчивается в 55 милях над поверхностью Земли. Сигнал, который он издает, позволяет телескопу компенсировать размытость земной атмосферы. Вместо дрожащих снимков, размазанных постоянно сменяющимися реками воздуха над нашими головами, телескоп производит такие же четкие изображения, как и те, которые получены спутниками в космосе. Кек был одним из первых обсерваторий, оснащенных лазерным указателем; теперь полдюжины других начинают использовать их. Технология дает астрономам четкое представление о ядре галактики, где звезды упакованы так же плотно, как летний рой комаров, и кружатся вокруг самого темного места из всех: гигантской черной дыры.
Черная дыра Млечного Пути, несомненно, самая странная вещь в нашей галактике - трехмерная полость в космосе, в десять раз превышающая физический размер нашего Солнца и в четыре миллиона раз больше массы, виртуальная бездонная яма, из которой ничего не выходит. Теперь считается, что в каждой крупной галактике есть черная дыра. И впервые ученые смогут изучить хаос, который наносят эти ошеломляющие сущности. В течение этого десятилетия астрономы Кека будут отслеживать тысячи звезд, попавших в гравитацию черной дыры Млечного Пути. Они попытаются выяснить, как звезды рождаются в непосредственной близости и как это искажает структуру самого пространства. «Я нахожу удивительным, что мы можем видеть звезды, кружащие вокруг черной дыры нашей галактики», - говорит Тафт Армандрофф, директор Обсерватории Кека. «Если бы вы сказали мне как аспиранту, что я увижу это во время моей карьеры, я бы сказал, что это научная фантастика».
Безусловно, свидетельство черных дыр является полностью косвенным; Астрономы никогда не видели ни одного. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказывала, что гравитация чрезвычайно плотного тела может так сильно изогнуть луч света, что он не сможет спастись. Например, если бы что-то с массой нашего Солнца было сжато в шар диаметром полтора мили, оно было бы достаточно плотным, чтобы задерживать свет. (Чтобы Земля стала черной дырой, ее масса должна быть сжата до размеров гороха.)
В 1939 году Дж. Роберт Оппенгеймер, человек, которому приписывают разработку атомной бомбы, рассчитал, что такое резкое сжатие может произойти с самыми большими звездами после того, как у них кончится водород и другое топливо. Оппенгеймер и его коллега утверждали, что как только звезды рассыплются, оставшийся газ разрушится из-за собственной гравитации в бесконечно плотную точку. Наблюдения с помощью телескопов в 1960-х и 1970-х годах подтвердили эту теорию. Несколько исследователей предположили, что единственным возможным источником энергии для чего-то столь же светящегося, как квазары - очень яркие маяки на расстоянии миллиардов световых лет - будет концентрация миллионов солнц, собранных вместе тем, что ученые впоследствии назвали сверхмассивной черной дырой. Затем астрономы нашли звезды, которые, казалось, вращались вокруг невидимых сущностей в нашем Млечном Пути, и пришли к выводу, что только звёзды гравитации из маленьких черных дыр - в несколько раз больше массы нашего Солнца и известные как дыры звездной массы - могут удерживать звезды на таких узких орбитах.
Космический телескоп Хаббл добавил доказательства черных дыр в 1990-х, измеряя, как быстро вращаются внутренние части других галактик - до 1, 1 миллиона миль в час в больших галактиках. Поразительные скорости указывали на ядра, в которых масса Солнца в миллиарды раз больше. Открытие того, что сверхмассивные черные дыры лежат в основе большинства, если не всех, галактик, было одним из величайших достижений Хаббла. «В начале обзора Хаббла я бы сказал, что черные дыры редки, может быть, одна галактика из 10 или 100, и что-то пошло не так в истории этой галактики», - говорит ученый Хаббла Дуглас Ричстоун из Мичиганского университета. «Теперь мы показали, что они являются стандартным оборудованием. Это самая замечательная вещь».
Однако даже из Хаббла ядро Млечного Пути оставалось неуловимым. Если в нашей галактике была сверхмассивная черная дыра, она была тихой, без видимых отрывов энергии, видимых от других. Хаббл, который был обслужен и модернизирован в последний раз в 2009 году, может отслеживать группы звезд рядом с центрами далеких галактик, но из-за его узкого угла зрения и густых пылевых облаков нашей галактики он не может принимать такой же вид. фотографии в нашей галактике. Другой подход заключается в том, чтобы отслеживать отдельные звезды в окрестностях черной дыры, используя инфракрасный свет, который проходит сквозь пыль, но звезды были слишком слабыми и слишком переполненными, чтобы большинство наземных телескопов не смогли их разрешить. Тем не менее, некоторые астрономы в 1990-х годах решили, что наблюдения за ядром Млечного Пути могут быть возможны. Тогда можно было бы ответить на несколько мучительных вопросов: как звезды живут и умирают в этих диких условиях? Что потребляет черная дыра? И можем ли мы увидеть в самом сердце Млечного Пути искривленное пространство и время, предсказанные Эйнштейном почти столетие назад?
Контрольная комната Кека находится в 20 милях от телескопа, в скучном городке Ваймеа. Для исследователей впечатляющий лазер виден только как слабый луч на мониторе компьютера. Астрономы проверяют свои записные книжки и смотрят на экраны, полные данных с телескопа, показаний погоды и последней картины звезд, на которые они нацелены. Они используют видеосвязь, чтобы поговорить с оператором телескопа, который проведет всю ночь на вершине. Дела идут так гладко, что делать нечего. Телескоп будет оставаться заблокированным на одном и том же месте в небе в течение четырех часов; лазер работает нормально, а камера, прикрепленная к телескопу, делает одну 15-минутную экспозицию за другой в автоматизированной последовательности. «Это просто самый скучный вид наблюдений», - извиняясь, говорит мне калифорнийский университет в Лос-Анджелесе Марк Моррис.
Несмотря на это, в комнате есть напряжение. Эта команда астрономов во главе с Андреа Гез из UCLA постоянно участвует в соревнованиях с астрономами в Институте внеземной физики им. Макса Планка в Гархинге, Германия. С начала 1990-х годов астрофизик Гархинг Рейнхард Гензел и его коллеги изучали черную дыру в центре Млечного пути с помощью телескопа новой технологии и массива очень больших телескопов в Чили. 45-летняя Гез подталкивает своих учеников к получению максимальной отдачи от каждого сеанса наблюдения в Кеке. Шесть лет назад она была избрана в Национальную академию наук - большая честь для кого-то, кому еще за тридцать. «Легко быть в авангарде астрономии, если у вас есть доступ к лучшим телескопам в мире», - говорит она.
Почти десять лет назад американские и немецкие команды независимо друг от друга пришли к выводу, что только гигантская черная дыра может объяснить поведение звезд в ядре Млечного Пути. Звезды, окружающие огромную массу - черная дыра или какая-то большая звезда - путешествуют в космосе намного быстрее, чем те, которые кружат вокруг меньшей массы. В визуальном плане большая масса создает более глубокую воронку в ткани пространства, вокруг которой вращаются звезды; как листья кружатся в водовороте, чем глубже водоворот, тем быстрее листья кружатся. Другие астрономы видели быстро движущиеся звезды и газовые облака вблизи центра Млечного Пути, поэтому и Гез, и Гензель подозревали, что плотное скопление вещества было скрыто от глаз.
Кропотливо собирая инфракрасные фотографии, сделанные с интервалом в месяцы и годы, две команды отслеживали самые внутренние звезды, находящиеся в пределах одного светового месяца от центра галактики. В совокупности изображения подобны замедленным съемкам движений звезд. «Вначале было ясно, что было несколько звезд, которые просто тянули», - вспоминает Гез. «Очевидно, они были очень близко к центру». Что-то ловило их в глубоком водовороте. Черная дыра имела больше смысла.
Клинкер появился в 2002 году, когда обе команды отточили свои изображения с помощью адаптивной оптики, технологии, которая компенсирует размытие атмосферы. Ученые проследили за звездами, которые находятся в опасной орбите близко к центру галактики, и обнаружили, что максимальная скорость самой быстрой звезды составляла 3 процента от скорости света - около 20 миллионов миль в час. Это поразительная скорость для газового шара, намного большего, чем наше Солнце, и это убедило даже скептиков, что за это ответственна сверхмассивная черная дыра.
Размытость земной атмосферы преследует пользователей телескопов с тех пор, как Галилео впервые исследовал Юпитер и Сатурн 400 лет назад. Смотреть на звезду в воздухе - это все равно, что смотреть на пенни на дне бассейна. Воздушные потоки заставляют звёздный свет дрожать взад-вперед.
Черная дыра нашей галактики испускает рентгеновские лучи (видимые здесь на снимке со спутникового телескопа Чандра), когда материя движется к ней. (Центр космических полетов им. Маршалла / НАСА) В 1990-х годах инженеры научились стирать искажения с помощью технологии, называемой адаптивной оптикой; компьютеры анализируют характер дрожания падающего звездного света с точностью до миллисекунды и миллисекунды и используют эти расчеты для приведения комплекта поршней к задней части тонкого и гибкого зеркала. Поршни сгибают зеркало сотни раз в секунду, регулируя поверхность, чтобы противодействовать искажениям и формировать острую центральную точку.
У технологии было одно главное ограничение. Компьютерам нужен был четкий путеводный свет как своего рода ориентир. Система работала, только если телескоп был направлен близко к яркой звезде или планете, ограничивая астрономов всего 1 процентом неба.
Создав искусственную направляющую звезду там, где это необходимо, лазер обсерватории Кека снимает это ограничение. Лазерный луч настроен на частоту, которая освещает атомы натрия, которые остаются в результате распада метеоритов в слое атмосферы. Компьютеры Кека анализируют искажения в столбе воздуха между зеркалом телескопа и созданной лазером звездой.
В куполе телескопа высотой 101 фут лазерная система находится внутри корпуса размером с шину. Лазер запускается с силой тока 50 000 Вт, усиливая световой луч в растворе красителя, изготовленного из этанола, стойкого к 190-градусному. Но к тому времени, когда свет настроен на свой правильный цвет, и его энергия направляется по одной траектории, его мощность уменьшается примерно до 15 Вт - все еще достаточно ярко, чтобы Федеральное авиационное управление потребовало от обсерватории выключить лазер, если самолет Ожидается, что полетит рядом со своим путем. С расстояния в несколько сотен футов лазер выглядит как тусклый янтарный луч карандаша. Чуть дальше его вообще не видно. Что касается остальной части острова, в Мауна-Кеа нет лазерного шоу.
Идентификация черной дыры - это одно; описание это другое. «Трудно нарисовать картину, которая относится к миру в нашем понимании, без использования математической сложности», - говорит Гез однажды днем в центре управления Keck. На следующий день она спрашивает своего 6-летнего сына, знает ли он, что такое черная дыра. Его быстрый ответ: "Я не знаю, мамочка. Не так ли?"
Марк Моррис считает, что «провал» создает метафору для черной дыры. Если бы вы находились в космосе рядом с черной дырой, - говорит он, - вы бы увидели, как вещи исчезают в нем со всех сторон ».
И Гез, и Моррис любят представлять, как выглядят из черной дыры. «Это процветающий центр города галактики по сравнению с пригородами, где мы находимся», - говорит Гез. «Звезды движутся с огромной скоростью. Вы увидите, как все меняется в масштабе десятков минут». Моррис подхватывает эту тему. «Если вы посмотрите на ночное небо с прекрасной вершины горы, вы просто захватите дух, сколько там звезд», - говорит он. «Теперь умножьте это на миллион. Вот как будет выглядеть небо в центре галактики. Это будет похоже на небо, полное Юпитера, и несколько звезд, ярких, как полная Луна».
В такой великолепной обстановке законы физики чудесным образом искажены. Гез и Моррис надеются собрать первые доказательства того, что звезды действительно путешествуют по странным орбитальным путям, предсказанным теорией относительности Эйнштейна. Если это так, каждая звезда будет изображать что-то похожее на рисунок из игрушечного рисунка Спирографа: серию петель, которые постепенно сдвигаются относительно черной дыры. Гез считает, что она и ее коллеги на несколько лет не заметили эту смену.
С каждым новым открытием ядро Млечного Пути становится все более запутанным и увлекательным. Команды Геза и Гензеля были поражены, обнаружив множество массивных молодых звезд в окрестностях черной дыры. Их десятки, всем от пяти до десяти миллионов лет - младенцев в космическом плане - и они примерно в десять раз массивнее нашего Солнца. Никто не совсем уверен, как они оказались так близко к черной дыре или как они появились. В других местах галактики жестикулирующим звездам требуется холодное, спокойное чрево в большом облаке пыли и газа. Ядро галактики совсем не спокойное: интенсивное излучение затопляет этот район, и гравитация черной дыры должна уничтожить газообразные питомники, прежде чем что-то там начнёт инкубироваться. Как сказал Рейнхард Гензел на конференции несколько лет назад, эти молодые звезды «не имеют никакого права быть там». Возможно, некоторые из них родились дальше и мигрировали внутрь, но большинство теоретиков считают, что они слишком молоды для этого сценария. Моррис считает, что интенсивная гравитация сжимает спиральный газ в диск вокруг черной дыры, создавая новые солнца в виде звездного рождения, которого не было ни в одной другой галактической среде.
Эти молодые звезды будут самоуничтожаться через несколько миллионов лет. И когда они это сделают, самые массивные из них оставят маленькие черные дыры. Моррис полагает, что сотни тысяч этих черных дыр звездной массы, накопленных звездами прошлых поколений, роятся вокруг центральной сверхмассивной черной дыры. Черные дыры звездной массы имеют ширину всего около 20 миль, поэтому столкновения между ними будут редкими. Вместо этого, Моррис говорит: «У вас будут черные дыры, качающиеся мимо друг друга ночью, и звезды, проходящие через это разрушительное дерби. Мисс между одной из черных дыр и звездой может рассеять звезду в сверхмассивную черную дыру или из галактического центра полностью ". Теоретики считают, что сверхмассивная черная дыра может поглотить звезду раз в десятки тысяч лет - событие, которое затопит центр галактики радиацией. «Это было бы впечатляющее событие», - говорит Моррис.
Астрономы видят признаки такого сожительства, когда исследуют внутреннюю часть Млечного Пути с помощью рентгеновских и радиотелескопов, которые обнаруживают ударные волны прошлых взрывов. Гигантские черные дыры в других галактиках слишком далеко, чтобы астрономы могли изучать их настолько глубоко, говорит Ави Леб, директор Института теории и вычислений Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже, штат Массачусетс. Вот почему он висит на каждом объявлении от команд Ghez и Genzel. «Прогресс, достигнутый наблюдателями за столь короткое время, был поистине замечательным», - говорит он. «Мы, теоретики, все болеем за них».
Леб и другие рисуют новую картину того, как развивалась Вселенная и ее 100 миллиардов галактик после Большого взрыва 13, 7 миллиардов лет назад. Они полагают, что все галактики начинались с пока еще необъяснимых "затравочных" черных дыр - в десятки тысяч раз больше массы нашего Солнца - которые экспоненциально росли во время циклов насильственного кормления, когда галактики сталкивались, что они делали чаще, когда Вселенная была моложе и галактики были ближе друг к другу. При столкновении некоторые звезды катапультируются в дальний космос, а другие звезды и газы падают в недавно объединенную черную дыру в центре галактик. По словам Лоэба, когда черная дыра растет, она превращается в бушующий квазар с газом, нагретым до миллиардов градусов. Затем квазар полностью выбрасывает остаток газа из галактики. По словам Лоэба, после истощения газа «сверхмассивная черная дыра находится в центре галактики в состоянии покоя и умирает от голода».
Похоже, что наш Млечный Путь с его черной дырой скромного размера поглотил лишь несколько небольших галактик и никогда не питал квазар. Тем не менее, грозное столкновение вырисовывается. Самая близкая большая галактика, называемая Андромедой, находится на пути столкновения с Млечным путем. Эти два начнут сливаться примерно через два миллиарда лет, постепенно образуя огромную галактику, которую Леб и его бывший коллега из Гарвард-Смитсоновского университета Т.Дж. Кокс называют «Милкомедой». Сверхмассивные центральные черные дыры галактик столкнутся, пожирая потоки газа и кратковременно зажигая новый квазар в этой спокойной части вселенной. «Мы опоздали в этом вопросе», - отмечает Леб. «Это случилось с большинством других галактик рано». (Земля не будет выброшена с орбиты Солнца в результате столкновения, и она не должна быть выбита ничем во время слияния. Но на небе будет гораздо больше звезд.)
За исключением тревожного будущего нашей галактики, Леб надеется, что скоро - возможно, через десятилетие - у нас появится первое изображение сверхмассивной черной дыры Млечного Пути благодаря появившейся глобальной сети телескопов «миллиметровой волны». Названные по длине волны радиоволн, которые они обнаруживают, приборы на самом деле не видят саму черную дыру. Скорее на концерте они нанесут на карту тень, которую он отбрасывает на завесу горячего газа позади него. Если все пойдет хорошо, тень будет иметь отличительную форму. Некоторые теоретики ожидают, что черная дыра будет вращаться. Если это так, то, согласно предсказанному Эйнштейном противоречивому затягиванию пространства, наша точка зрения на тень будет искажена в нечто вроде изогнутой и раздавленной слезинки. «Это была бы самая замечательная картина, которую мы могли бы получить», - говорит Леб.
В четвертую и последнюю ночь запланированных наблюдений Геза ветер и туман на вершине Мауна-Кеа держат купола телескопа закрытыми. Таким образом, астрономы рассматривают свои данные прошлых ночей. По словам Геза, изображения первых двух ночей варьировались от хорошего до превосходного; третья ночь была "респектабельной". Она говорит, что она довольна: у ее учеников достаточно, чтобы они были заняты, и Туан До из Калифорнийского университета в Ирвайне определила несколько больших молодых звезд, чтобы добавить к анализу команды. «Я чувствую невероятную привилегию работать над чем-то, над чем мне так весело», - говорит Гез. «Трудно поверить, что черные дыры действительно существуют, потому что это такое экзотическое состояние вселенной. Мы смогли это продемонстрировать, и я считаю это действительно глубоким».
Она проводит большую часть своего времени, наблюдая за командным центром в Ваймеа, но она была на вершине Мауна-Кеа, чтобы увидеть лазер в действии. Когда мы говорим о завораживающем зрелище, становится ясно, что Гез ценит иронию: астрономы любят тьму и часто жалуются на любой источник света, который может помешать их наблюдениям. И все же они здесь, бросая луч света в небеса, чтобы помочь осветить самое черное, что человечество может когда-либо надеяться увидеть.
Эта история Роберта Ириона была удостоена премии Американского астрономического общества 2010 года имени Дэвида Шрамма за научную журналистику.
