Андреа Гез: Ловът за супермасивна черна дупка

Как да наблюдаваш нещо, което не можеш да видиш? Това е основният въпрос за някого, който се интересува от откриването и проучването на черни дупки. Защото черните дупки са обекти, чието гравитационно теглене е толкова интензивно, че нищо не може да избяга от нея, дори светлината, така че тя не може да се вижда пряко.

И така, днешната ми история за черни дупки е за една определена черна дупка. Интересувам се от това да открия дали има, или няма една наистина масивна - или, както ни харесва да я наричаме, "супермасивна" черна дупка в центъра на нашата галактика. Причината това да е интересно е, че то ни дава възможност да докажем дали тези екзотични обекти наистина съществуват, или не. И второ, то ни дава възможност да разберем как тези супермасивни черни дупки взаимодействат с околната си среда и да разберем как те засягат формирането и еволюцията на галактиките, в които пребивават.

И тъй, като начало е нужно да разберем що е черна дупка, за да можем да разберем доказателството за черна дупка. Какво е черната дупка? Е, в много отношения черната дупка е един невероятно прост обект, защото има само три характеристики, които могат да се опишат: масата, въртенето и зарядът. Аз ще говоря само за масата. И така, в този смисъл, тя е много прост обект. Но в друг смисъл е невероятно сложен обект, за чието описание се нуждаем от относително екзотична физика, и в известен смисъл представлява провала на нашето физично разбиране за Вселената.

Но днес начинът, по който искам да разберете черната дупка, доказателството за черна дупка е да мислите за нея като обект, чиято маса е затворена в нулев обем. Въпреки факта, че ще ви говоря за един обект, който е супермасивен - след малко ще стигна дотам какво означава това всъщност, той няма краен размер. Така че, това е малко коварно.

Но за щастие има краен размер, който може да се види, и той е известен като радиусът на Шварцшилд. Той е наречен на името на един човек, който разбрал защо това е толкова важен радиус. Това е виртуален радиус, не реалност; черната дупка няма размер. Тогава защо е толкова важен? Важен е, защото ни казва, че всеки обект може да се превърне в черна дупка. Това означава, че вие, вашият съсед, вашият мобилен телефон, аудиторията може да стане черна дупка, ако намерите начин да я компресирате до размера на Шварцшилдовия радиус.

А какво ще се случи тогава? В този момент гваритацията печели. Гравитацията печели над всички други познати сили. И обектът е принуден да продължи да се сплесква до безкрайно малък обект. И тогава става черна дупка. Значи, ако можех да компресирам Земята до размера на бучка захар, тя би станала черна дупка, защото размерът на една бучка захар е нейният Шварцшилдов радиус.

Ключът тук е да се разбере какъв е този Шварцшилдов радиус. Оказва се, че всъщност е доста просто да се разбере това. Зависи само от масата на обекта. По-големите обекти имат по-големи Шварцшилдови радиуси. По-малките обекти имат по-малки Шварцшилдови радиуси. Значи, ако взема Слънцето и го компресирам до размера на Оксфордския университет, то би станало черна дупка.

Сега знаем какво е Шварцшилдов радиус. Това всъщност е доста полезно понятие, защото ни казва не само кога ще се формира черна дупка, а ни дава също и ключовите елементи за доказателството за черна дупка. Нужни са ми само две неща. Нужно е да разбера масата на обекта, който твърдя, че е черна дупка, и какъв е неговият Шварцшилдов радиус. И тъй като масата определя Шварцшилдовия радиус, всъщност е нужно да знам само едно нещо.

Значи, моята работа е да ви убедя, че съществува черна дупка, като покажа, че има някакъв обект, затворен в рамките на Шварцшилдовия си радиус. А вашата работа днес е да бъдете скептични. Така - значи, няма да говоря за обикновена черна дупка; ще говоря за супермасивни черни дупки.

Исках да кажа няколко думи за това какво е една обикновена черна дупка; като че ли може да съществува такова нещо като обикновена черна дупка. Смята се, че обикновената черна дупка е крайното състояние от живота на наистина огромна звезда. Ако една звезда започне живота си с много повече маса, отколкото е масата на Слънцето, тя ще приключи живота си, като експлодира и остави след себе си тези красиви останки от супернова, които виждаме тук. А вътре в тази останка от супернова ще има една малка черна дупка, която има маса грубо три пъти колкото масата на Слънцето. В астрономичен мащаб това е много малка черна дупка.

А онова, за което искам да говоря, са супермасивните черни дупки. За супермасивните черни дупки се смята, че пребивават в центъра на галактиките. Тази красива снимка, направена с Космическия телескоп "Хъбъл", ви показва, че галактиките същестуват във всякакви форми и размери. Има големи. Има малки. Почти всеки обект на тази снимка там е галактика. Има една много хубава спирала там горе, вляво. В тази галактика има сто милиарда звезди, само за да ви дам представа за мащаба. И цялата светлина, която виждаме от една типична галактика, от типа галактики, които виждаме тук, идва от светлината от звездите. Виждаме галактика заради светлината на звездите.

Има много малко относително екзотични галактики. Обичам да ги наричам примадони на галактическия свят, защото са някак показни. Наричаме ги активни галактически ядра. Наричаме ги така, защото ядрото им, или техният център, е много активен. Тук, в центъра - всъщност оттам идва повечето от звездната светлина. И все пак онова, което виждаме всъщност, е светлина, която не може да бъде обяснена чрез звездната светлина. Далеч по-силна е. Всъщност, в някои примери е като тези, които виждаме тук. Има също струи, излъчващи се от центъра. Отново - източник на енергия, който е много трудно да се обясни, ако просто мислиш, че галактиките са съставени от звезди.

Онова, което хората смятат е, че вероятно има супермасивни черни дупки, върху които пада материя. Самата черна дупка не се вижда, но може да се конвертира гравитационната енергия на черната дупка в светлината, която виждаме. Съществува мисълта, че може би супермасивните черни дупки съществуват в центъра на галактиките. Но това е някак непряк аргумент.

Въпреки това той поражда представата, че може би не само тези примадони имат такива супермасивни черни дупки, а по-скоро всички галактики може да са подслонили супермасивни черни дупки в центровете си. А ако случаят е такъв... Това е един пример за нормална галактика; онова, което виждаме, е звездната светлина. А ако там има супермасивна черна дупка, трябва да приемем, че това е черна дупка на диета. Защото това е начинът да се потиснат енергийните феномени, които виждаме в активните галактически ядра.

Ако ще търсим тези потайни черни дупки в центъра на галактиките, най-доброто място за търсене е в собствената ни галактика, нашия Млечен път. Това е широкоформатна снимка на центъра на Млечния път. Онова, което виждаме, е линия от звезди. Така е, защото живеем в галактика, която е с плоска, дископодобна структура. Живеем в средата й - затова, когато гледаме към центъра, виждаме една плоскост, която дефинира плоскостта на галактиката, или линия, която дефинира плоскостта на галактиката.

Предимството да се проучва собствената ни галактика е, че тя просто е най-близкият пример за център на галактика, който някога ще имаме, защото следващата най-близка галактика е 100 пъти по-надалеч. Така че можем да виждаме далеч повече подробности в нашата галактика, отколкото където и да било другаде. А както ще видите след момент, способността да се виждат подробности е ключова за този експеримент.

Как астрономите доказват, че има много маса вътре в малък обем? Задачата ми днес е да ви покажа това. А инструментът, който използваме, е да наблюдаваме начина, по който звездите се движат в орбита около черната дупка. Звздите ще се движат в орбита около черната дупка по съвсем същия начин, по който планетите се движат в орбита около Слънцето. Гравитациноното притегляне ги кара да се движат в орбита. Ако нямаше масивни обекти, те биха отлетели надалеч, или поне биха се движили с много по-малка скорост, защото единственото, което определя въртенето им, е колко маса има вътре в орбитата.

А това е страхотно, защото - помнете, работата ми е да покажа, че има много маса вътре в малък обем. Значи, ако знам колко бързо се върти, знам масата. А ако знам мащаба на орбитата, знам радиуса. Искам да видя звездите, които са възможно най-близо до центъра на галактиката. Защото искам да покажа, че има маса вътре във възможно най-малък регион. Това означава, че искам да видя много подробности. И това е причината, поради която използвахме за този експеримент най-големия телескоп в света.

Това е обсерваторията "Кек". Тя има два телескопа с 10-метрово огледало, което е грубо диаметърът на един тенис корт. А това е чудесно, защото обещанието при кампании за големи телескопи е, че колкото по-голям е телескопът, толкова по-малки детайли можем да виждаме. Но се оказва, че тези телескопи, или който и да било телескоп на земята е изправен пред малко предизвикателство при изпълнението на това кампанийно обещание. Причината е в атмосферата. Атмосферата е прекрасна за нас; тя ни позволява да оцелеем тук, на Земята. Но е относително предизвикателна за астрономи, които искат да гледат през атмосферата към астрономически източници.

За да ви дам усещане за какво става дума - всъщност е все едно да гледаш камъче на дъното на поток. Докато гледаш камъчето на дъното на потока, потокът постоянно се движи необуздано, което много затруднява виждането на камъчето на дъното на потока. Доста подобно, е много трудно да се виждат астрономически източници, заради атмосферата, която постоянно се движи.

Прекарала съм голяма част от кариерата си в търсене на начини за коригиране заради атмосферата, за да получим по-ясен изглед. Това ни дава приблизително 20-кратна разлика. Мисля, че всички може да се съгласите, че ако може да се намери начин да се подобри животът 20 пъти, вероятно ще подобрите много начина си на живот - например, заплатата си - бихте забелязали, или децата си - бихте забелязали.

Тази анимация тук ви показва един пример за техниките, които използваме, наречени адаптивна оптика. Виждате анимация, която попада между пример за онова, което бихте виждали, ако не използвате тази техника - с други думи, просто една снимка, която показва звездите, а кутията е центрирана върху центъра на галактиката, където смятаме, че е черната дупка. Значи, без тази технология звездите не се виждат. С тази технология изведнъж ги виждаш. Тази технология действа чрез въвеждане на едно огледало в оптичната система на телескопа, което постоянно се променя, за да противодейства на въздействието на атмосферата. Прилича малко на много специални очила за телескопа ви.

В следващите няколко кадъра ще се съсредоточа само върхо това малко квадратче там. Ще гледаме само звездите вътре в този малък квадрат, макар че сме ги разгледали всички. Искам да видя как са се придвижили тези неща. В хода на този експеримент тези звезди са се преместили невероятно много. Правим този експеримент от 15 години, и виждаме звездите по време на цялата обиколка.

Повечето астрономи си имат любима звезда, и моята днес е една звезда, обозначена тук горе, SO-2. Абсолютно най-любимата ми звезда на света. Защото се завърта само за 15 години, За да ви дам усещане колко кратко е това - на Слънцето са му необходими 200 милиона години, за да се завърти около центъра на галактиката. Звезди, които сме познавали преди, които са възможно най-близо до центъра на галактиката, го правят за 500 години. А тази - тази обикаля в рамките на един човешки живот. Това е някак отвлечено.

Но е ключът към този експеримент. Тази орибита ми казва колко маса има вътре в един много малък радиус. Следващата снимка, която виждаме тук, ви показва преди този експеримент размера, в който бихме могли да затворим масата на центъра на галактиката. Онова, което знаехме преди, беше, че вътре в този кръг има маса, четири милиона пъти по-голяма от масата на Слънцето. А както виждате, вътре в онзи кръг е имало много други неща. Виждате много звезди. Така че всъщност е имало множество алтернативи на идеята, че има супермасивна черна дупка в центъра на галактиката, защото много неща могат да се поставят там вътре.

Но с този експеримент ограничихме същата тази маса до много по-малък обем, 10 хиляди пъти по-малък. И поради това успяхме да покажем, че там има супермасивна черна дупка. За да ви дам усещане за това колко малък размер е това - това е размерът на нашата слънчева система. Значи, натъпкваме четири милиона пъти масата на Слънцето вътре в онзи малък обем.

Реклама на истината. Нали? Казах ви, че работата ми е да го сведа до Шварцшилдовия радиус. Истината е, че още не съм стигнала съвсем дотам. Но всъщност днес нямаме алтернатива за обяснение на тази концентрация на маса. Всъщност, това е най-доброто доказателство, което имаме до днес, не само за съществуването на една супермасивна черна дупка в центъра на собствената ни галактика, но и където и да било в нашата Вселена. И тъй, какво следва? Всъщност смятам, че това е приблизително най-многото, до което ще стигнем с днешната технология, така че да продължаваме работата по проблема.

Онова, което искам да ви разкажа, много накратко, са няколко примера за това колко вълнуващи неща можем да правим днес относно центъра на галактиката, след като знаем, че там има, или поне вярваме, че там има супермасивна черна дупка. Забавната фаза на този експеримент е, че макар и да сме тествали някои от идеите си за последиците от това, че една супермасивна черна дупка се намира в центъра на нашата галактика, почти всяка една се оказва несъвместима с онова, което всъщност виждаме. Това е забавното.

И така, нека ви дам двата примера. Може да попитате: "Какво очаквате за старите звезди - звезди, които са били около центъра на галактиката дълго време, имали са много време да взаимодействат с черната дупка. Онова, което се очаква там, е, че старите звезди трябва да бъдат много скупчени около черната дупка. Трябва да се виждат много стари звезди до тази черна дупка.

Подобно, за младите звезди - или в контраст, младите звезди, те просто не трябва да са там. Черната дупка не е добър съсед за звездни детски ясли. За да се формира една звезда, е нужно голямо кълбо газ и прах да се свие. Това е много крехка единица. А какво прави голямата черна дупка? Тя разкъсва на ивици този газов облак. Тегли много по-силно от едната страна, отколкото от другата, и облакът е разкъсан на ивици. Всъщност предвиждахме, че в тази среда не се случва формиране на звезди.

Значи, не трябва да се виждат млади звезди. А какво виждаме? Чрез наблюдения, различни от тези, които ви показвах днес, всъщност можем да разберем кои са стари и кои са млади. Старите са червени. Младите са сини. А жълтите - все още не знаем. Вече виждате изненадата. Има оскъдица от стари звезди. Има изобилие от млади звезди, така че е точно обратното на предвиждането.

И така, това е забавната част. Ето какво всъщност се опитваме да разберем днес, тази мистерия как... как да се разреши това противоречие. Всъщност, моите дипломанти в същия този момент, днес, са пред телескопа в Хавай и извършват наблюдения, които се надяваме да ни придвижат на следващия етап, при който можем да се заемем с въпроса за това защо има толкова много млади звезди и толкова малко стари звезди. За да осъществим по-нататъшен напредък, наистина трябва да разгледаме орбитите на звезди, които са много по-далеч. За да го направим, вероятно ще ни е нужна много по-сложна технология от тази, която имаме днес.

Защото всъщност, макар и да казах, че коригираме заради атмосферата на Земята, всъщност коригираме само за половината от грешките, които се получават. Правим това, като изстрелваме лазер нагоре в атмосферата и онова, което смятаме, че можем да направим, е, че ако светим малко повече, можем да коригираме останалото. Това се надяваме да направим през следващите няколко години. А в много по-дълъг времеви план, онова, което се надяваме да направим, е да изградим дори още по-големи телескопи, защото, помнете - по-голямото е по-добро в астрономията.

Затова искаме да построим 30-метров телескоп. С този телескоп трябва да сме в състояние да виждаме звезди, които са дори още по-близо до центъра на галактиката. Надяваме се да успеем да тестваме някои от теориите на Айнщайн за обща относителност, някои идеи в космологията за това как се формират галактики. Затова мислим, че бъдещето на този експеримент е доста вълнуващо.

И така, в заключение ще ви покажа една анимация, която по същество ви показва как се движат тези орбити, в три измерения. И се надявам, ако не друго, да съм ви убедила, че - първо, ние всъщност имаме супермасивна черна дупка в центъра на галактиката. А това означава, че тези неща наистина съществуват в нашата Вселена и трябва да поддържаме това, трябва да обясним как тези обекти могат да се впишат в нашия физически свят.

Второ, успяхме да разгледаме онова взаимодействие - как взаимодействат супермасивните черни дупки, а може би и да разберем ролята, която те играят в оформянето на онова, което са галактиките, и как действат.

И последно, но не най-маловажно, нищо от това не би се случило без настъпването на невероятния напредък, който се случва на предните технологични линии. Смятаме, че това е област, която се движи невероятно бързо и в която предстои много в бъдеще. Много благодаря. (Аплодисменти)