Poznámka redaktora, 23. září 2008: Smithsonian magazín profiloval astrofyzika Andrea Gheza v dubnu 2008. Ghez byl dnes jedním z 28 příjemců prestižního grantu na genialitu MacArthur, který ocenil její příspěvky ke studiu černých děr ve vývoji galaxií.
Z tohoto příběhu
[×] ZAVŘÍT
Vědci vedeni Andrea Ghezovou, astrofyzikkou na UCLA, použili k vytvoření této animace, která ukazuje pohyb vybraných hvězd ve středu Mléčné dráhy, obrázky z dalekohledu pořízené od roku 1995. Oběžné dráhy těchto hvězd a výpočty provedené pomocí Keplersových zákonů planetárního pohybu poskytují dosud nejlepší důkaz pro existenci černé díry ve středu Mléčné dráhy. Za zmínku stojí zejména hvězda S0-2, která obíhá kolem černé díry jednou za 15, 56 let, a hvězda S0-16, která spadá do 90 astronomických jednotek (vzdálenost od Země ke slunci) černé díry
Video: Milky Way Moves
[×] ZAVŘÍT
Za přibližně čtyři miliardy let se galaxie Mléčná dráha a Andromeda rozbijí společněVizualizace: NASA, ESA a F. Summers, kredit na simulaci STScI: NASA, ESA, G. Besla, Columbia University a R. van der Marel, STScI
Video: Co se stane, když se galaxie srazí?
Související obsah
- Uvnitř černé díry
Od vrcholu Mauna Kea, téměř 14 000 stop nad Tichým oceánem, se Mléčná dráha zářivě naklání přes noční oblohu, což je hrana na naší galaxii. Části velkého disku jsou zakryty prachem a za jednou z těch prašných blotů poblíž konvice souhvězdí Střelce leží střed Mléčné dráhy. Skrytá je hluboce tajemná struktura, kolem které se točí více než 200 miliard hvězd.
Za mnou na skalnatých skalách této spící sopky na ostrově Havaj jsou dvojitá kopule observatoře WM Keck. Každá kupole má dalekohled s obřím zrcadlem širokým téměř 33 stop a jako oko mušky je vyrobena ze vzájemně propojených segmentů. Zrcátka patří k největším na světě pro shromažďování hvězdného světla a jeden z dalekohledů byl vybaven oslnivým novým nástrojem, který výrazně zvyšuje jeho sílu. Dívám se na nejbližší z půvabných spirálních ramen Mléčné dráhy a čekám, až technici přepnou spínač.
Potom se náhle a slabým cvaknutím závěrky, která se otevřela, z otevřeného kupole střílí do nebe zlatozelený laserový paprsek. Zdá se, že paprsek světla, široký 18 palců, končí uvnitř jednoho z nejčernějších bodů na Mléčné dráze. Ve skutečnosti končí 55 mil nad povrchem Země. Signál, který tam vytváří, umožňuje dalekohledu kompenzovat rozmazání zemské atmosféry. Místo namáhavých obrazů rozmazaných neustále se měnícími řekami vzduchu nad našimi hlavami, dalekohled vytváří obrazy tak jasné, jak jsou získány satelity ve vesmíru. Keck byl jednou z prvních observatoří vybavených laserovým průvodcem; teď je půl tuctu dalších začíná používat. Tato technologie poskytuje astronomům ostrý výhled na jádro galaxie, kde jsou hvězdy nabité pevně jako letní roj komárů a víří kolem nejtemnějšího místa ze všech: obrovská černá díra.
Černá díra Mléčné dráhy je bezpochyby nejpodivnější věc v naší galaxii - trojrozměrná dutina ve vesmíru desetinásobek fyzické velikosti našeho Slunce a čtyř milionů miliónů hmotností, virtuální bezedná jáma, z níž nic neunikne. Každá hlavní galaxie, jak se nyní věří, má v jádru černou díru. A poprvé budou vědci schopni studovat zmatek, který tyto entuziologické entity způsobí. Během této dekády budou astronomové Keck sledovat tisíce hvězd zachycených v gravitaci černé díry Mléčné dráhy. Budou se snažit zjistit, jak se hvězdy rodí v jeho blízkosti a jak narušují strukturu prostoru samotného. „Považuji za úžasné, že kolem černé díry naší galaxie vidíme biče hvězd, “ říká Taft Armandroff, ředitel observatoře Keck. "Kdyby jsi mi řekl jako postgraduální student, že bych to viděl během své kariéry, řekl bych, že to byla science fiction."
Jistě, důkaz o černých děrách je zcela nepřímý; astronomové nikdy žádný neviděli. Obecná teorie relativity Alberta Einsteina předpovídala, že gravitace extrémně hustého těla by mohla ohnout paprsek světla tak silně, že nemohl uniknout. Například, kdyby se něco s hmotou našeho slunce smrštilo do míče o míli a půl v průměru, bylo by to dost husté, aby zachytilo světlo. (Aby se Země stala černou dírou, musela by být její hmota stlačena na velikost hrášku.)
V roce 1939 J. Robert Oppenheimer, muž, který se zasloužil o vývoj atomové bomby, vypočítal, že takové drastické stlačení by se mohlo stát největším hvězdám poté, co jim dojde vodík a jiné palivo. Jakmile se hvězdy vyprskly, Oppenheimer a kolega předpokládali, zbývající plyn by se kvůli vlastní gravitaci zhroutil do nekonečně hustého bodu. Pozorování dalekohledem v 60. a 70. letech tuto teorii podložila. Několik vědců navrhlo, že jediným možným zdrojem energie pro něco tak světelného, jako by kvazary - extrémně jasné majáky miliardy světelných let daleko - byla koncentrace miliónů sluncí přitažených dohromady tím, co vědci později označili za superhmotnou černou díru. Astronomové pak našli hvězdy, které vypadaly, že bijí kolem neviditelných entit v naší Mléčné dráze, a dospěli k závěru, že hvězdy mohou udržet pouze tah gravitace z malých černých děr - obsahujících několikrát hmotu našeho slunce a známou jako díry hvězdné hmoty - v tak těsných drahách.
Hubbleův kosmický dalekohled přidal k důkazům o černých dírách v 90. letech měřením rychlosti, jak rychle se otáčejí nejvnitřnější části jiných galaxií - až 1, 1 milionu mil za hodinu ve velkých galaxiích. Překvapivé rychlosti ukázaly na jádra obsahující až miliardkrát větší množství Slunce. Objev, že superhmotné černé díry jsou jádrem většiny, ne-li všech galaxií, byl jedním z největších úspěchů Hubbleu. „Na začátku průzkumu Hubbleu bych řekl, že černé díry jsou vzácné, možná jedna galaxie v 10 nebo 100, a že se v historii této galaxie něco pokazilo, “ říká vědec Hubble Douglas Richstone z University of Michigan. "Teď jsme ukázali, že jsou standardní výbavou. Je to nejpozoruhodnější věc."
I od Hubbla však jádro Mléčné dráhy zůstalo nepolapitelné. Pokud naše galaxie ukrývala superhmotnou černou díru, byla tichá a postrádala energetické energie od ostatních. Hubble, který byl naposledy opraven a upgradován v roce 2009, může sledovat skupiny hvězd v blízkosti středů vzdálených galaxií, ale kvůli svému úzkému úhlu pohledu a hustým oblakům prachu naší galaxie nemůže přijmout stejný druh obrázky v naší galaxii. Dalším přístupem by bylo sledovat jednotlivé hvězdy v okolí černé díry pomocí infračerveného světla, které prochází prachem, ale hvězdy byly příliš slabé a příliš přeplněné na to, aby je většina pozemních dalekohledů mohla vyřešit. Přesto se někteří astronomové v 90. letech pustili do pozorování jádra Mléčné dráhy. Poté by bylo možné odpovědět na řadu vzrušujících otázek: Jak hvězdy žijí a umírají v tomto divokém prostředí? Co spotřebovává černá díra? A můžeme být v srdci Mléčné dráhy svědky pokřiveného prostoru a času předvídaného Einsteinem téměř před stoletím?
Řídící místnost Keck je 20 km od dalekohledu v rančovém městě Waimea. Pro badatele je spektakulární laser viditelný pouze jako slabý paprsek na monitoru počítače. Astronomové kontrolují své notebooky a sledují obrazovky plné dat z dalekohledu, údajů o počasí a nejnovějšího obrazu hvězd, na které cílí. Pomocí videokonference mluví s operátorem dalekohledu, který stráví celou noc na summitu. Věci jdou tak hladce, že není co dělat. Dalekohled zůstane uzamčen na stejném místě na obloze po dobu čtyř hodin; laser pracuje dobře a kamera připojená k dalekohledu snímá jednu automatickou 15minutovou expozici za druhou. „Je to jen o nejhloupějším pozorování, jaké existuje, “ říká mi omluvně astronomka Kalifornské univerzity v Los Angeles Mark Morris.
Přesto je v místnosti napětí. Tento tým astronomů, vedený Andrea Ghez z UCLA, je v probíhající soutěži s astronomy v Institutu Maxe Plancka pro mimozemskou fyziku v Garchingu v Německu. Od počátku 90. let studoval Garching astrofyzik Reinhard Genzel a jeho kolegové černou díru ve středu Mléčné dráhy s využitím nového technologického dalekohledu a velmi velkého dalekohledu v Chile. Ghez, 45 let, nutí své studenty, aby z každé pozorovací schůzky v Kecku vytěžili maximum. Před šesti lety byla zvolena do Národní akademie věd - což je pocta pro někoho, kdo je stále ve svých 30 letech. „Je snadné být v popředí astronomie, pokud máte přístup k nejlepším dalekohledům na světě, “ říká.
Téměř před deseti lety americké a německé týmy nezávisle vyvodily, že pouze obrovská černá díra dokáže vysvětlit chování hvězd v jádru Mléčné dráhy. Hvězdy krouží mohutnou hmotou - ať už černou dírou nebo nějakou velkou hvězdou - cestují vesmírem mnohem rychleji než ty, které krouží menší hmotou. Z vizuálního hlediska vytváří větší hmota hlubší trychtýř v prostoru prostoru, kolem kterého se hvězdy otáčejí; jako listy kroužící ve vířivce, čím hlubší vířivá vana, tím rychleji se listy točí. Ostatní astronomové viděli rychle se pohybující hvězdy a mraky plynu blízko středu Mléčné dráhy, takže jak Ghez, tak Genzel měli podezření, že před zrakem byla skrytá hustá skupina látek.
Pečlivě sestavené infračervené fotografie pořízené s odstupem měsíců a let sledovaly oba týmy nejvnitřnější hvězdy, hvězdy uvnitř jednoho světelného měsíce od středu galaxie. Souhrnně jsou obrázky jako časosběrné filmy pohybů hvězd. „Brzy bylo jasné, že několik hvězd právě táhlo, “ vzpomíná Ghez. "Je zřejmé, že byli extrémně blízko centra." Něco je uvěznilo v hluboké vířivce. Největší smysl měla černá díra.
Klinik přišel v roce 2002, kdy oba týmy zaostřily své obrazy pomocí adaptivní optiky, technologie, která kompenzuje rozmazání atmosféry. Vědci sledovali hvězdy, které obíhají nebezpečně blízko centra galaxie, a zjistili, že nejrychlejší nejvyšší rychlost hvězdy byla 3 procenta rychlosti světla - asi 20 milionů mil za hodinu. To je ohromující rychlost pro plynový glóbus daleko větší než naše slunce a přesvědčilo dokonce i skeptiky, že za to odpovídá superhmotná černá díra.
Rozmazání zemské atmosféry trápilo uživatele dalekohledů od prvních studií Galilea o Jupiteru a Saturnovi před 400 lety. Dívat se na hvězdu vzduchem je jako dívat se na penny na dně bazénu. Vzduchové proudy způsobují chvění hvězdného světla tam a zpět.
Černá díra naší galaxie emituje rentgenové paprsky (viditelné zde na obrázku ze satelitního dalekohledu Chandra), jak se k ní víří hmota. (Marshall Space Flight Center / NASA) V 90. letech se inženýři naučili vymazat zkreslení pomocí technologie zvané adaptivní optika; počítače analyzují chvějící se vzorec přicházejícího hvězdného světla na milisekundu za milisekundu a tyto výpočty používají k pohonu sady pístů na zadní straně tenkého a poddajného zrcadla. Písty ohýbají zrcadlo stokrát každou sekundu, upravují povrch tak, aby působily proti deformacím a vytvářely ostrý středový bod.
Tato technologie měla jedno hlavní omezení. Počítače potřebovaly jasné vodící světlo jako referenční bod. Systém fungoval pouze v případě, že dalekohled byl zaměřen blízko k jasné hvězdě nebo planetě, což omezilo astronomy pouze na 1 procento oblohy.
Vytvořením umělé vodicí hvězdy všude, kde je to potřeba, odstraní laser Keck Observatory toto omezení. Laserový paprsek je naladěn na frekvenci, která rozsvítí atomy sodíku, které jsou zanechány rozpadáním meteoritů ve vrstvě atmosféry. Keckovy počítače analyzují zkreslení ve sloupci vzduchu mezi zrcadlem dalekohledu a laserem vytvořenou hvězdou.
Uvnitř dalekohledu s výškou 101 stop je laserový systém umístěn v uzavřeném prostoru sběrnice. Laser začíná nárazem 50 000 wattů energie, čímž zesiluje světelný paprsek v roztoku barviva vyrobeného z 190-ethanolu. Ale v době, kdy je světlo upraveno na správnou barvu a jeho energie je směrována po jediné cestě, jeho výkon se zmenšuje na asi 15 wattů - stále dostatečně jasný, že Federální letecká správa vyžaduje, aby observatoř vypnula laser, pokud je letoun očekává se, že bude létat poblíž své cesty. Z několika stovek stop laser vypadá jako matný paprsek jantarové tužky. O něco dále to vůbec není vidět. Pokud jde o zbytek ostrova, v Mauna Kea není laserová show.
Identifikace černé díry je jedna věc; popisovat to je další. „Je obtížné namalovat obrázek, který se týká světa, jak jej chápeme, aniž bychom použili matematickou složitost, “ říká Ghez jedno odpoledne v Keckově řídícím středisku. Následující den se zeptá svého šestiletého syna, jestli ví, co je černá díra. Jeho rychlá odpověď: „Nevím, mami.
Mark Morris si myslí, že „sinkhole“ je výstižnou metaforou pro černou díru. Kdybyste byli ve vesmíru poblíž černé díry, "říká, " viděli byste, že věci zmizí ze všech směrů. "
Ghez i Morris si rádi představují z černé díry. „Toto je prosperující centrum města galaxie ve srovnání s předměstími, kde jsme, “ říká Ghez. "Hvězdy se pohybují ohromnou rychlostí. Viděli byste, jak se věci mění v časovém měřítku desítek minut." Morris navazuje na toto téma. "Když se podíváte na noční oblohu z krásného horského terénu, tak se vám nadechne, kolik hvězd je, " říká. „Teď to vynásobte milionem. To by vypadalo jako obloha v galaktickém centru. Bylo by to jako obloha plná Jupiterů a několik hvězd tak jasných jako úplněk.“
V tak velkolepém prostředí jsou zákony fyziky úžasně zkroucené. Ghez a Morris doufají, že shromáždí první důkaz, že hvězdy skutečně cestují po podivných orbitálních drahách předpovídaných Einsteinovou teorií relativity. Pokud ano, každá hvězda by vystopovala něco jako vzor z kreslicí hračky Spirograph: série smyček, které se postupně posouvají v poměru k černé díře. Ghez si myslí, že ona a její kolegové jsou několik let daleko od toho, aby tuto změnu spatřili.
S každým novým nálezem se jádro Mléčné dráhy stává více matoucí a fascinující. Týmy Ghez a Genzel byly vyděšeny, když objevily mnoho obrovských mladých hvězd v sousedství černé díry. Je jich spousta, všech pět až deset milionů let - kojenců, kosmických - a jsou zhruba desetkrát tak masivní jako naše slunce. Nikdo si není úplně jistý, jak se dostali tak blízko k černé díře nebo jak se stali. Jinde v galaxii vyžadují těhotné hvězdy chladný, klidný lůno ve velkém oblaku prachu a plynu. Galaktické jádro je něco jiného, než klidné: intenzivní záření zaplavuje oblast a gravitace černé díry by měla rozbít plynné školky, než se tam něco inkubuje. Jak Reinhard Genzel uvedl na konferenci před několika lety, tyto mladé hvězdy „nemají sakra právo být tam.“ Je možné, že někteří z nich se narodili dále a migrovali dovnitř, ale většina teoretiků si myslí, že jsou pro tento scénář příliš mladí. Morris si myslí, že intenzivní gravitace stlačuje spirálovitý plyn na disk kolem černé díry, čímž vytváří nová slunce v takovém druhu narození hvězd, jaký není vidět v žádném jiném galaktickém prostředí.
Tyto mladé hvězdy se od nynějška zničí několik milionů let. A když to udělají, ty nejmasivnější zanechají malé černé díry. Morris teoretizuje, že stovky tisíc těchto hvězdných hmotných černých děr, nahromaděných z minulých generací hvězd, se rojí kolem centrální, superhmotné černé díry. Hvězdy černé díry jsou široké jen asi 20 mil, takže srážky mezi nimi by byly vzácné. Morris místo toho říká: „Budete mít černé díry houpající se kolem sebe v noci a hvězdy, které se pohybují v tomto ničivém derby. Krátká slečna mezi jednou z černých děr a hvězdou by mohla rozptýlit hvězdu do supermasivní černé díry nebo úplně z galaktického centra. “ Teoretici se domnívají, že superhmotná černá díra může pohltit hvězdu jednou za desetitisíce let - událost, která by zářila střed galaxie. „Byla by to velkolepá událost, “ říká Morris.
Astronomové vidí známky takového pohrdání, když zkoumají interiér Mléčné dráhy rentgenovými a rádiovými dalekohledy, které detekují rázové vlny minulých explozí. Obrovské černé díry v jiných galaxiích jsou příliš daleko na to, aby astronomové mohli studovat v takové hloubce, říká Avi Loeb, ředitel Institutu pro teorii a výpočet v Harvard-Smithsonianově centru pro astrofyziku v Cambridge, Massachusetts. Proto se opírá o každé oznámení od týmů Ghez a Genzel. „Pokroky pozorovatelů v tak krátké době byly skutečně pozoruhodné, “ říká. "My teoretici jsme pro ně všichni roztleskávačky."
Loeb a další vykreslují nový obrázek o tom, jak se vesmír a jeho 100 miliard galaxií vyvinuly od Velkého třesku před 13, 7 miliardami let. Věří, že všechny galaxie začaly dosud nevysvětlitelnými „semennými“ černými dírami - desítkami až tisícikrát hmotností našeho slunce - které rostly exponenciálně během násilných cyklů krmení, když se galaxie střetávaly, což dělaly častěji, když byl vesmír mladší a galaxie byly blíž. Při srážce se některé hvězdy katapultují do hlubokého vesmíru a jiné hvězdy a plyny padají do nově kombinované černé díry ve středu galaxií. Jak černá díra roste, Loeb říká, promění se v zuřící kvasar s plynem zahřátým na miliardy stupňů. Kvazar pak vypálí zbytek plynu úplně z galaxie. Po vyčerpání plynu Loeb říká: „supermasivní černá díra sedí uprostřed galaxie, spící a hladovělá.“
Zdá se, že naše Mléčná dráha, se svou skromnou černou dírou, absorbovala pouze několik menších galaxií a nikdy nenasypala kvasar. Obává se však hrůzostrašná kolize. Nejbližší velká galaxie, zvaná Andromeda, je na kolizním kurzu s Mléčnou dráhou. Oba se začnou slučovat asi za dvě miliardy let a postupně vytvoří masivní galaxii, kterou Loeb a jeho bývalý Harvard-Smithsonian kolega TJ Cox nazývají Milkomeda. Supermasivní centrální černé díry galaxií se v této sedativní části vesmíru srazí, pohlcují torrenty plynu a na krátkou dobu zapálí nový kvasar. „V tomto ohledu jsme zpožděni, “ poznamenává Loeb. "Stalo se to u většiny ostatních galaxií brzy." (Země se při srážce nevyhodí z oběžné dráhy Slunce a během sloučení by ji nemělo nic vyrazit. Na obloze však bude mnohem víc hvězd.)
Kromě rušivé budoucnosti naší galaxie Loeb doufá, že brzy - snad během deseti let - budeme mít první obraz supermasivní černé díry Mléčné dráhy díky vznikající globální síti dalekohledů „milimetrové vlny“. Pojmenované pro vlnovou délku rádiových vln, které detekují, nástroje ve skutečnosti neuvidí samotnou černou díru. Spíše namapují stín, který vrhá na záclonu horkého plynu za ním. Pokud vše půjde dobře, stín bude mít výrazný tvar. Někteří teoretici očekávají, že se černá díra točí. Pokud ano, podle kontraintuitivního tažení prostoru předpovídaného Einsteinem bude náš pohled na stín zkreslen do něčeho podobného slzovité a rozdrcené slzě. „Byl by to nejpozoruhodnější obrázek, jaký jsme mohli mít, “ říká Loeb.
Čtvrtou a poslední noc plánovaných pozorování Ghez, vítr a mlha na summitu Mauna Kea udržují dómy dalekohledu zavřené. Astronomové tedy kontrolují svá data z předchozích nocí. Obrázky z prvních dvou nocí se pohybovaly od dobré po vynikající, říká Ghez; třetí noc byla „slušná“. Říká, že je spokojená: její studenti mají dost práce, aby je zaměstnali, a Tuan Do z Kalifornské univerzity v Irvine identifikovala několik velkých mladých hvězd, které přidaly k analýze týmu. „Cítím se neuvěřitelně privilegován pracovat na něčem, na čem jsem tak zábavný, “ říká Ghez. „Je těžké uvěřit, že černé díry skutečně existují, protože je to takový exotický stav vesmíru. Dokázali jsme to prokázat a já to považuji za opravdu hluboké.“
Většinu času tráví dohledem nad velitelským centrem ve Waimea, ale byla na vrcholu Mauna Kea, aby viděla laser v akci. Když mluvíme o fascinujícím pohledu, je jasné, že Ghez oceňuje ironii: astronomové milují temnotu a často si stěžují na jakýkoli zdroj světla, který by mohl rušit jejich pozorování. Přesto zde jsou, vrhají maják světla na nebesa, aby pomohli osvětlit nejčernější věc, kterou může lidstvo kdy vidět.
Tento příběh Roberta Iriona získal cenu Davida N. Schrammovy ceny Americké astronomické společnosti za rok 2010 za vědeckou žurnalistiku.
