Bilješka urednika, 23. rujna 2008.: časopis Smithsonian u travnju 2008. profilirala je astrofizičarku Andrea Ghez. Danas je Ghez bila jedan od 28 primatelja prestižne donacije MacArthur genija, priznajući njezin doprinos proučavanju crnih rupa u evoluciji galaksija.
Iz ove priče
[×] ZATVORI
Istraživači pod vodstvom Andrea Ghez, astrofizičara iz UCLA, koristili su slike teleskopa snimljene od 1995. do 2006. kako bi stvorili ovu animaciju koja prikazuje kretanje odabranih zvijezda u središtu Mliječnog puta. Orbite ovih zvijezda i proračuni rađeni korištenjem Keplersovih zakona planetarnog gibanja daju najbolji dokaz za postojanje crne rupe u središtu Mliječnog puta. Posebno treba spomenuti zvijezdu S0-2, koja orbitira crnom rupom jednom svakih 15, 56 godina, i zvijezdu S0-16, koja dolazi unutar 90 astronomskih jedinica (udaljenost od zemlje do sunca) crne rupe
Video: Mliječni put kreće
[×] ZATVORI
Za otprilike četiri milijarde godina od danas će se galaksije Mliječni put i Andromeda srušiti zajednoVizualizacija: NASA, ESA i F. Summers, STScI Simulacijski kredit: NASA, ESA, G. Besla, Sveučilište Columbia i R. van der Marel, STScI
Video: Što se događa kad se galaksije sudaraju?
Povezani sadržaj
- Unutar crnih rupa
S vrha Mauna Kea, gotovo 14 000 stopa iznad Tihog oceana, Mliječni put se blistavo naginje preko noćnog neba, ruba pogleda na našu galaksiju. Dijelovi velikog diska prekriveni su prašinom, a onkraj one prašnjave mrlje, blizu čajnika sazviježđa Strijelac, nalazi se središte Mliječnog puta. Skrivena je duboko misteriozna struktura oko koje se vrti više od 200 milijardi zvijezda.
Iza mene vrtoglave stijene ovog uspavanog vulkana na otoku Havaji su kupole blizanke WM Keck Observatory. U svakoj se kupoli nalazi teleskop s ogromnim zrcalom širokim skoro 33 metra i poput letećeg oka, načinjen od isprepletenih segmenata. Ogledala su među najvećim na svijetu za prikupljanje zvijezde, a jedan od teleskopa opremljen je sjajno novim alatom koji uvelike povećava njegovu snagu. Gledam u najbližu gracioznu spiralnu ruku Mliječnog Puta dok čekam da tehničari uključe prekidač.
Potom, iznenada i laganim klikom klizača koji se otvara, zlatna narančasta laserska zraka puca u nebo s otvorene kupole. Zraka svjetlosti, široka 18 centimetara, čini se da završava unutar jednog od najmračnijih mjesta na Mliječnom putu. Zapravo završava 55 milja iznad površine Zemlje. Signal koji tamo daje omogućava teleskopu da nadoknadi zamućenje Zemljine atmosfere. Umjesto nervoznih slika razmazanih rijekama zraka koje se neprestano izmjenjuju iznad glave, teleskop proizvodi slike jasne kao i sve koje dobivaju sateliti u svemiru. Keck je bio jedan od prvih opservatorija opremljenih laserskim vodičem; sad ih pola tuceta počinje koristiti. Tehnologija pruža astronomima oštar pogled na jezgru galaksije, gdje su zvijezde skupa toliko čvrsto kao ljetni roj gnoja i vrte se oko najmračnijeg mjesta svih: ogromne crne rupe.
Crna rupa Mliječnog Puta nesumnjivo je najčudnija stvar u našoj galaksiji - trodimenzionalna šupljina u prostoru deset puta veća od fizičke veličine našeg sunca i četiri milijuna puta veća od mase, virtualne jame bez dna iz koje ništa ne bježi. Svaka velika galaksija, kako se sada vjeruje, ima crnu rupu u srži. I po prvi put će znanstvenici moći proučavati pustoš koji ova umarajuća entiteta puše. Kroz ovo desetljeće astrolozi Keck pratit će tisuće zvijezda uhvaćenih u gravitaciju crne rupe Mliječnog Puta. Pokušat će shvatiti kako se zvijezde rađaju u njegovoj blizini i kako iskrivljuju samu tkaninu prostora. "Nevjerojatno mi je što možemo vidjeti zvijezde kako se vuku oko crne rupe naše galaksije", kaže Taft Armandroff, direktor opservatorija Keck. "Da ste mi kao diplomcu rekli da bih to vidio tijekom karijere, rekao bih da je to znanstvena fantastika."
Dakako, dokazi o crnim rupama potpuno su neizravni; astronomi zapravo nikada nisu ni vidjeli jednoga. Opća teorija relativnosti Alberta Einsteina predviđala je da gravitacija izuzetno gustog tijela može saviti zraku svjetlosti tako jako da ne može pobjeći. Primjerice, kad bi se nešto s masom našeg sunca skupilo u kuglu promjera milju i pol, bilo bi dovoljno gusto da zaglavi svjetlost. (Da bi Zemlja postala crna rupa, njena bi se masa trebala komprimirati na veličinu graška.)
Godine 1939. J. Robert Oppenheimer, čovjek zaslužan za razvijanje atomske bombe, izračunao je da bi se takve drastične kompresije mogle dogoditi najvećim zvijezdama nakon što im ponestane vodika i drugog goriva. Jednom kad bi zvijezde ispadale, Oppenheimer i njegov kolega pozirali, preostali plin bi se srušio zbog vlastite gravitacije u beskonačno gustu točku. Promatranja teleskopa 1960-ih i 1970-ih poduprla su teoriju. Nekoliko istraživača je sugeriralo da je jedini mogući izvor energije za nešto tako blistavo kao što su kvazari - izuzetno svijetli svjetionici udaljeni nekoliko milijardi svjetlosnih godina - koncentracija milijuna sunca, što su ih znanstvenici kasnije nazvali supermasivnom crnom rupom. Astronomi su tada pronašli zvijezde za koje se činilo da se u našem Mliječnom Putu vrte oko nevidljivih entiteta, pa su zaključili da samo povlačenje gravitacije iz malih crnih rupa - koje sadrže nekoliko puta veću masu našeg sunca i poznatu kao rupe zvjezdane mase - može zadržati zvijezde u tako tijesnim orbitama.
Svemirski teleskop Hubble dodao je dokaz o crnim rupama 1990-ih mjereći kako se brzo vrte unutarnji dijelovi drugih galaksija - do 1, 1 milijuna milja na sat u velikim galaksijama. Zapanjujuće brzine ukazale su na jezgre koje sadrže čak milijardu puta veću masu Sunca. Otkriće da su supermasivne crne rupe u srži većine, ako ne i svih galaksija, bilo je jedno od najvećih postignuća Hubblea. "Na početku istraživanja Hubblea rekao bih da su crne rupe rijetke, možda je jedna galaksija u 10 ili 100 i da je nešto pošlo po zlu u povijesti te galaksije", kaže Hubbleov znanstvenik Douglas Richstone sa Sveučilišta u Michiganu. "Sada smo pokazali da je riječ o standardnoj opremi. To je nešto najznačajnije."
Čak je i sa Hubblea jezgra Mliječnog puta ostala neizlječiva. Ako je naša galaksija nosila supermasivnu crnu rupu, bilo bi tiho, nedostajalo joj je trbuha energije koju vide drugi. Hubble, koji je posljednji put servisiran i nadograđen, može pratiti skupine zvijezda u blizini središta udaljenih galaksija, ali zbog uskog kuta pogleda i gustih oblaka prašine naše galaksije ne može podnijeti istu vrstu slike u našoj galaksiji. Drugi pristup bi bio praćenje pojedinih zvijezda u blizini crne rupe pomoću infracrvenog svjetla, koje putuje kroz prašinu, ali zvijezde su bile previše slabe i prenapučene da bi se većina zemaljskih teleskopa mogla riješiti. Ipak, neki su se astronomi devedesetih pothvalili da bi opažanje jezgre Mliječne staze bilo moguće. Tada bi se mogla riješiti brojna mučna pitanja: Kako zvijezde žive i umiru u tom divljom okruženju? Što troši crna rupa? I možemo li biti svjedoci, u srcu Mliječnog puta, iskrivljenog prostora i vremena koje je Einstein predvidio prije gotovo jednog stoljeća?
Kontrolna soba Keck udaljena je 20 milja od teleskopa, u gradiću Waimea. Tamovim istraživačima, spektakularni laser je vidljiv samo kao svjetlosna zraka na monitoru računala. Astronomi provjeravaju svoje bilježnice i gledaju ekrane pune podataka iz teleskopa, vremenskih očitanja i najnovijih slika zvijezda koje ciljaju. Koriste se video vezom za razgovor s operatorom teleskopa koji će cijelu noć provesti na vrhu. Stvari idu tako glatko da nema puno posla. Teleskop će ostati zatvoren na istom mjestu na nebu četiri sata; laser radi dobro, a kamera spojena na teleskop uzima jedno 15-minutno izlaganje za drugim u automatiziranom slijedu. "Ovdje se radi o najsurovijoj vrsti promatranja", ispričava mi sveučilište Kalifornije u Los Angelesu astronom Mark Morris.
Unatoč tome, u sobi je napetost. Ovaj tim astronoma, predvođen Andrea Ghez iz UCLA, u tijeku je natjecanje s astronomima iz Instituta Max Planck za izvanzemaljsku fiziku u Garchingu u Njemačkoj. Od ranih 1990-ih, astronom fizičara Groznog Reinharda Genzela i njegovi kolege proučavali su crnu rupu u središtu Mliječnog puta koristeći novi tehnološki teleskop i veoma veliki teleskopski niz u Čileu. Ghez (45) gura svoje studente da izvuku maksimum iz svake sesije promatranja u Kecku. Prije šest godina izabrana je u Nacionalnu akademiju znanosti - što je čast za nekoga još u njezinim 30-ima. "Lako je biti na čelu astronomije ako imate pristup najboljim teleskopima na svijetu", kaže ona.
Prije gotovo desetljeća američki i njemački timovi neovisno su zaključili da samo džinovska crna rupa može objasniti ponašanje zvijezda u jezgri Mliječnog puta. Zvijezde koje kruže silnom masom - bilo da je crna rupa ili neka velika zvijezda - putuju kroz svemir puno brže od onih koje kruže manjom masom. Vizualno gledano, veća masa stvara dublji lijevak u tkivu prostora oko kojeg se vrte zvijezde; poput lišća koje kruži u vrtlogu, dublji je vrtlog, brže se lišće zavrti. Drugi su astronomi vidjeli brze zvijezde i oblake plina u blizini središta Mliječnog puta, tako da su i Ghez i Genzel posumnjali da je gusti nakupina materije skrivena od pogleda.
S mukotrpnim sastavljanjem infracrvenih fotografija snimljenih nekoliko mjeseci i godina, dva tima pratila su najuzvišenije zvijezde, one unutar svjetlosnog mjeseca iz centra galaksije. U kombinaciji, slike su poput filmova zvijezda koji kasne. "Već rano je bilo jasno da ima nekoliko zvijezda koje se tek vuku", sjeća se Ghez. "Jasno, bili su izuzetno blizu centra." Nešto ih je zarobilo u dubokom vrtlogu. Crna rupa imala je najviše smisla.
Klinika je došla 2002. godine, kada su oba tima izoštrila svoje slike pomoću prilagodljive optike, tehnologije koja nadoknađuje zamagljenost atmosfere. Znanstvenici su pratili zvijezde koje orbitiraju opasno blizu centra galaksije i otkrili su da je najveća brzina najbrže zvijezde bila 3 posto brzine svjetlosti - oko 20 milijuna milja na sat. To je nevjerojatna brzina za globus plina koji je mnogo veći od našeg sunca, pa je čak i skepticima uvjerio da je za to odgovorna supermasivna crna rupa.
Nejasnost Zemljine atmosfere zapljusnula je korisnike teleskopa od prvih Galileovih studija Jupitera i Saturna prije 400 godina. Gledanje zvijezde kroz zrak je poput gledanja penija na dnu bazena. Zračne struje čine da se zvjezdano svjetlo trepere naprijed-nazad.
Crna rupa naše galaksije emitira rendgenske zrake (koje su ovdje vidljive na slici sa satelitskog teleskopa Chandra) dok se materija okreće prema njoj. (Centar za svemirske letove Marshall / NASA) U 1990-ima inženjeri su naučili uklanjati distorzije tehnologijom koja se zove adaptivna optika; računala analiziraju obrazac podrhtavanja dolazne zvjezdaste svjetlosti milisekundama po milisekundi i koriste te proračune za pogon skupa klipova na stražnjoj strani tankog i fleksibilnog zrcala. Klipovi savijaju ogledalo stotine puta u sekundi, podešavajući površinu da umanji izobličenja i oblikuje oštru središnju točku.
Tehnologija je imala jedno veliko ograničenje. Računala su trebala jasno svjetlo za vođenje kao svojevrsna referentna točka. Sustav je djelovao samo ako je teleskop bio usmjeren u blizini sjajne zvijezde ili planeta, ograničavajući astronoma na samo 1 posto neba.
Stvaranjem umjetne zvijezde vodiča, gdje god je to potrebno, laser Keck Observatory uklanja to ograničenje. Laserski snop je podešen na frekvenciju koja osvjetljava atome natrija koji su preostali raspadanjem meteorita u sloju atmosfere. Keckova računala analiziraju izobličenje u stupcu zraka između zrcala teleskopa i zvijezde koju stvara laser.
Unutar kupole teleskopa visokog 101 metra, laserski sustav sjedi unutar kućišta veličine autobusa. Laser počinje s snažnih 50 000 W snage, pojačavajući svjetlosni snop unutar otopine boje izrađene od etanola otpornog na 190. Ali s vremenom kada se svjetlost prilagodi svojoj ispravnoj boji i energija se usmjeri duž jedne staze, njegova snaga pada na oko 15 vata - još uvijek dovoljno svijetla da Federalna uprava za zrakoplovstvo zahtijeva da opservatorij isključi laser ako je avion za koji se očekuje da će letjeti blizu svoje staze. Sa nekoliko stotina metara udaljenosti laser izgleda poput mutne jantarne zrake. Od malo dalje to uopće nije vidljivo. Što se tiče ostatka otoka, u Mauna Kea ne postoji laserski show.
Identificiranje crne rupe je jedna stvar; opisujući to je drugo. "Teško je naslikati sliku koja se odnosi na svijet onakav kakav ga razumijemo, a da se pritom ne koristi matematička složenost", kaže Ghez jedno poslijepodne u kontrolnom centru Keck. Sljedećeg dana ona pita svog 6-godišnjeg sina zna li što je crna rupa. Njegov brzi odgovor: "Ne znam, mama. Zar ne bi?"
Mark Morris misli da "vrtača" čini pogodnu metaforu za crnu rupu. Da ste bili u svemiru blizu crne rupe, "kaže, " vidjeli biste da stvari nestaju u nju iz svih smjerova. "
I Ghez i Morris vole zamišljati kako gledaju iz crne rupe. "Ovo je najbolje gradsko središte galaksije u odnosu na predgrađa u kojima se nalazimo", kaže Ghez. "Zvijezde se kreću ogromnom brzinom. Vidjeli biste da se stvari mijenjaju na vremenskoj skali od nekoliko desetaka minuta." Morris govori o ovoj temi. "Ako gledate noćno nebo s prekrasnog vrha planine, oduzima vam dah koliko zvijezda ima", kaže on. "Sada, pomnožite to s milijun. Tako bi izgledalo nebo u galaktičkom središtu. Bilo bi to poput neba puno Jupitera i nekoliko zvijezda sjajnih poput punog Mjeseca."
U tako veličanstvenom okruženju zakoni fizike čudesno su iskrivljeni. Ghez i Morris nadaju se da će prikupiti prve dokaze da zvijezde doista putuju čudnim orbitalnim stazama predviđenim Einsteinovom teorijom relativnosti. Ako je to slučaj, svaka bi zvijezda pronašla nešto poput uzorka na igračkoj crteži Spirograph: niz petlji koje se postupno pomiču u položaju u odnosu na crnu rupu. Ghez misli da su ona i njezini kolege nekoliko godina udaljeni od zamjene te promjene.
Sa svakim novim nalazom, jezgra Mliječne staze postaje zbunjujuća i fascinantnija. I Ghezovi i Genzelovi timovi bili su zaprepašteni kada su otkrili mnoge mlade zvijezde u susjedstvu crne rupe. Ima ih desetina, sve od samo pet do deset milijuna godina - dojenčad, u kozmičkom smislu - i one su otprilike deset puta veće od našeg sunca. Nitko nije posve siguran kako su se toliko približili crnoj rupi ili kako su došli. Drugdje u galaksiji gestantskim zvijezdama potreban je hladan, miran utrobu unutar velikog oblaka prašine i plina. Galaktička jezgra je sve samo ne smirena: intenzivno zračenje preplavi područje, a gravitacija crne rupe trebala bi razbiti plinovite rasadnike prije nego što se tamo inkubira. Kako je Reinhard Genzel rekao na konferenciji prije nekoliko godina, te mlade zvijezde "nemaju pravo prokleto biti tamo". Moguće je da su se neki rodili dalje i migrirali prema unutra, ali većina teoretičara misli da su premladi za taj scenarij. Morris misli da intenzivna gravitacija komprimira spiralni plin u disk oko crne rupe stvarajući nova sunca u tipu rođenja zvijezda koji nisu viđeni ni u jednom drugom galaktičkom okruženju.
Ove će se mlade zvijezde od sada samouništiti za nekoliko milijuna godina. A kad to učine, najmasovniji će ostaviti iza sebe male crne rupe. Morris teoretizira da stotine tisuća tih crnih rupa zvjezdane mase, nakupljenih od prošlih generacija zvijezda, rotiraju oko središnje, supermasivne crne rupe. Crne rupe zvjezdaste mase široke su samo oko 20 milja, tako da bi sudari između njih bili rijetki. Umjesto toga, Morris kaže: "Imat ćete crne rupe koje će se ljuljati jedna pokraj druge u noći, a zvijezde će se kretati kroz ovaj derbi uništavanja. Bliži propust jedne od crnih rupa i neke zvijezde mogao bi zvijezdu razbaciti u supermasivnu crnu rupu ili u cijelosti izvan galaktičkog središta. " Teoretičari misle da bi supermasivna crna rupa mogla gricnuti zvijezdu jednom svakih nekoliko desetaka tisuća godina - događaj koji bi zračenjem preplavio centar galaksije. "Bio bi to spektakularan događaj", kaže Morris.
Astronomi otkrivaju znakove takvih guštanja kad pregledavaju unutrašnjost Mliječnog puta pomoću rendgenskih i radio teleskopa, koji otkrivaju udarne valove prošlih eksplozija. Ogromne crne rupe u drugim galaksijama predaleko su da bi astronomi mogli proučavati toliku dubinu, kaže Avi Loeb, direktor Instituta za teoriju i računanje pri Harvard-Smithsonian Centru za astrofiziku u Cambridgeu, Massachusetts. Zbog toga visi o svakoj najavi ekipa Gheza i Genzela. "Napredci koje su u tako kratkom vremenu postigli promatrači bili su zaista izvanredni", kaže on. "Mi teoretičari smo svi navijači za njih."
Loeb i drugi slikaju novu sliku o tome kako se svemir i njegovih 100 milijardi galaksija razvijalo od Velikog praska prije 13, 7 milijardi godina. Oni vjeruju da su sve galaksije počele s još uvijek neobjašnjivim "sjemenskim" crnim rupama - desetinama i tisućama puta većim od mase našeg sunca - koje su eksponencijalno rasle tijekom ciklusa nasilnog hranjenja kad su se galaksije sudarale, što su činili češće kada je svemir bio mlađi a galaksije su bile bliže jedna drugoj. U sudaru, neke zvijezde katapultiraju u svemir, a druge zvijezde i plinovi upadaju u novokombiniranu crnu rupu u središtu galaksija. Kako crna rupa raste, kaže Loeb, pretvara se u besni kvazar s plinom zagrijanim na milijarde stupnjeva. Nakon toga kvazar u potpunosti izbacuje ostatak plina iz galaksije. Nakon što se plin potroši, kaže Loeb, "supermasivna crna rupa sjedi u središtu galaksije, uspavana i izgladnjela."
Čini se da je naš Mliječni put, sa crnom rupom skromne veličine, apsorbirao samo nekoliko manjih galaksija i nikada nije napunio kvazar. Međutim, tresu se strašni sudari. Najbliža velika galaksija, zvana Andromeda, nalazi se na putu sudara s Mliječnim putem. Njih će se od danas početi spajati oko dvije milijarde godina, postupno formirajući ogromnu galaksiju koju Loeb i njegov bivši Harvard-Smithsonian kolega TJ Cox nazivaju "Milkomeda". Supermasivne središnje crne rupe galaksija će se sudariti, proždiravši bujice plina i zapalivši novi kvazar za kratko vrijeme u ovom mirnom dijelu svemira. "U tom pogledu kasno cvjetamo", napominje Loeb. "To se dogodilo većini drugih galaksija rano." (Zemlja se sudarom neće izbaciti iz Sunčeve orbite i ništa je ne bi trebalo udariti tijekom spajanja. Ali na nebu će biti puno više zvijezda.)
Na stranu uznemirujuća budućnost naše galaksije, Loeb se nada da će uskoro - možda za deset godina - dobiti prvu sliku supermasivne crne rupe Mliječnog puta zahvaljujući nastajanju globalne mreže teleskopa „milimetarskog vala“. Nazvani po valnoj duljini radio valova koje otkriju, instrumenti zapravo neće vidjeti crnu rupu. Umjesto toga, u koncertu će mapirati sjenu koju baca na zavjesu vrućeg plina iza nje. Ako sve pođe dobro, sjena će imati karakterističan oblik. Neki teoretičari očekuju da se crna rupa vrti. Ako je tako, prema kontraintuitivnom povlačenju prostora koji je predvidio Einstein, naš će pogled na sjenu biti iskrivljen u nešto poput suza i usitnjenih usana. "To bi bila najupečatljivija slika koju smo mogli imati", kaže Loeb.
Četvrte i posljednje noći Ghezovih planiranih promatranja, vjetar i magla na vrhu Mauna Kea drže kupole teleskopa zatvorene. Tako astronomi pregledavaju svoje podatke iz prethodnih noći. Slike prve dvije noći kretale su se od dobre do odlične, kaže Ghez; treća noć bila je "ugledna." Kaže da je zadovoljna: njeni studenti imaju dovoljno da ih zauzmu, a Tuan Do sa Kalifornijskog sveučilišta u Irvineu identificirala je nekoliko velikih, mladih zvijezda koje su dodale u analizu tima. "Osjećam se nevjerojatno privilegirano raditi na nečemu u čemu sam jako zabavan", kaže Ghez. "Teško je vjerovati da crne rupe zaista postoje, jer je to tako egzotično stanje svemira. Uspjeli smo to demonstrirati i to smatram zaista dubokim."
Većinu svog vremena provodi nadgledajući zapovjedni centar u Waimei, ali bila je na vrhu Mauna Kea da vidi laser u akciji. Dok govorimo o očaravajućem prizoru, jasno je da Ghez cijeni ironiju: astronomi vole mrak i često se žale na bilo koji izvor svjetlosti koji bi mogao ometati njihova opažanja. Pa ipak, tu su oni, bacajući svjetlosni snop na nebesa da pomognu osvijetliti i najmračnije što se čovječanstvo ikad može nadati.
Ova je priča Roberta Iriona osvojila nagradu Davida N. Schramma za znanstveno novinarstvo američkog astronomskog društva 2010. godine.
