Andrea Ghez vânează o gaură neagră supermasivă

Cum observi ceva ce nu se poate vedea? Aceasta este întrebarea de bază a cuiva care este interesat în găsirea și studiul găurilor negre. Fiindcă găurile negre sunt obiecte a căror atracție gravitaţională este atât de intensă încât nimic nu-i scapă, nici măcar lumina, așa că nu o poți vedea direct.

Povestea mea de azi despre găuri negre este despre o anumită gaură neagră. Sunt interesată în a afla dacă există sau nu există o gaură neagră într-adevăr masivă, ceva ce nouă ne place să numim o gaură neagră „supermasivă”, în centrul galaxiei noastre. Iar motivul pentru care acest lucru este interesant este că ne dă șansa să demonstrăm dacă aceste obiecte exotice există cu adevărat. Şi în al doilea rând, ne dă șansa să înțelegem cum interacționează aceste găuri negre supermasive cu mediul lor, și să înțelegem cum afectează ele formarea și evoluția galaxiilor din care fac parte.

Pentru a începe avem nevoie să înțelegem ce este o gaură neagră pentru a putea apoi înțelege dovada unei găuri negre. Deci ce este o gaură neagră? Ei bine, în multe feluri, o gaură neagră este un obiect incredibil de simplu, fiindcă sunt doar trei caracteristici pe care le poți descrie: masa, momentul de rotație - spinul - și sarcina. Iar eu voi vorbi doar despre masă. Așa că, în acel sens, este un obiect foarte simplu. Dar într-un alt sens, este un obiect incredibil de complicat pentru care avem nevoie de fizică relativ exotică pentru a-l descrie, și într-un fel reprezintă limita puterii noastre de a înțelege fizica universului.

Însă azi, modul în care vreau să înțelegeți o gaură neagră, pentru dovada unei găuri negre, este să vă gândiți la ea ca la un obiect a cărei masă este închisă într-un volum zero. Astfel, în ciuda faptului că vă voi vorbi despre un obiect care este supermasiv, și voi ajunge într-o clipă să explic ce înseamnă asta, ea nu are dimensiune finită. Așa că este un pic complicat.

Dar din fericire există o dimensiune finită pe care o puteți vedea, și ea este cunoscută ca raza Schwarzschild. Iar ea a fost numită după tipul care a recunoscut de ce a fost o rază așa de importantă. Este o rază virtuală, nu reală; gaura neagră nu are dimensiune. De ce este așa de importantă? Este importantă fiindcă ne spune că orice obiect poate deveni o gaură neagră. Adică voi, vecinul vostru, telefonul mobil, auditoriul poate deveni o gaură neagră dacă înțelegi cum să-l comprimi până la mărimea razei Schwarzschild.

Ce se va întâmpla în acel punct? În acel punct gravitația învinge. Gravitația învinge toate celelalte forțe cunoscute. Și obiectul este forțat să continue să se prăbușească către un obiect infinit de mic. Și apoi este o gaură neagră. Deci dacă am comprima Pământul la mărimea unui cub de zahăr, ar deveni o gaură neagră, fiindcă mărimea cubului de zahăr este raza lui Schwarzschild.

Acum, cheia aici este să calculăm acea rază Schwarzschild. Și s-a dovedit că este de fapt destul de simplu să o calculăm. Ea depinde doar de masa obiectului. Obiecte mai mari au raze Schwarzschild mai mari. Obiecte mai mici au raze Schwarzschild mai mici. Deci, dacă am lua Soarele și l-am comprima până la dimensiunea Universității Oxford, el ar deveni o gaură neagră.

Deci știm acum ce este raza Schwarzschild. Și de fapt este un concept foarte util, fiindcă ne spune nu numai când se formează o gaură neagră, dar ne dă și elementele cheie pentru dovada unei găuri negre. Am nevoie doar de două lucruri. Trebuie să înțeleg masa obiectului despre care pretind că este o gaură neagră, și care este raza lui Schwarzschild. Și deoarece masa determină raza Schwarzschild, de fapt există doar un singur lucru pe care trebuie să-l cunosc.

Așa că sarcina mea de a vă convinge că există acolo o gaură neagră, este să arăt că există acolo un obiect care este limitat de propria rază Schwarzschild. Iar sarcina voastră de azi este să fiți sceptici. În regulă, nu voi vorbi despre vreo gaură neagră obișnuită; voi vorbi despre găurile negre supermasive.

Aș fi vrut să spun câteva cuvinte despre ce este o gaură neagră obișnuită, ca și cum ar putea exista așa ceva precum o gaură neagră obișnuită. Gaura neagră obișnuită este starea de sfârșit a vieții unei stele într-adevăr masive. Deci dacă o stea își începe viața cu mult mai multă masă decât masa Soarelui, își va sfârși viața explodând și lăsând în urmă aceste frumoase resturi de supernovă pe care le vedem aici. Iar în interiorul resturilor supernovei va exista o mică gaură neagră care are o masă aproximativă de trei ori masa Soarelui. Pe o scară astronomică aceea este o gaură neagră foarte mică.

Acum, eu vreau să vorbesc despre găurile negre supermasive. Iar găurile negre supermasive se cred a fi de găsit în centrele galaxiilor. Și această poză minunată făcută cu Telescopul Spațial Hubble vă arată că galaxiile sunt de toate formele și mărimile. Există unele mari. Există unele mici. Aproape fiecare obiect din acea poză este o galaxie. Și este una spiralată foarte drăguță în colțul din stânga sus. Și sunt o sută de miliarde de stele în acea galaxie, doar ca să vă dau o idee privind scara. Și toată lumina pe care o vedem de la o galaxie tipică, care este de tipul galaxiei pe care o vedem aici, vine de la lumina stelelor. Deci, vedem galaxia din cauza luminii stelare.

Acum, există câteva galaxii relativ exotice. Îmi place să le numesc primadonele lumii galaxiilor, fiindcă ele parcă se dau în spectacol. Și le numim nuclee galactice active. Și le numim așa fiindcă nucleul lor, sau centrele lor, sunt foarte active. Așa că, din centrul acela, de acolo provine majoritatea luminii stelare. Și totuși, ceea ce vedem de fapt este lumină care nu poate fi explicată prin lumina stelară. Este cu mult mai energetică. De fapt, în câteva exemple este ca cele pe care le vedem aici. Sunt de asemenea jeturi care provin din centru. Din nou, o sursă de energie care este foarte greu de explicat dacă crezi că galaxiile sunt compuse doar din stele.

Deci, oamenii s-au gândit că poate există găuri negre supermasive în care cade materia. Așa că, nu poți vedea gaura neagră în sine, dar poți converti energia gravitațională a găurii negre în lumina pe care o vedem. Deci există ideea că ar exista găuri negre supermasive în centrul galaxiilor. Dar este cumva un argument indirect.

Însă a dus la ideea că poate nu numai aceste primadone au aceste găuri negre supermasive, ci mai degrabă toate galaxiile ar găzdui aceste găuri negre supermasive în centrele lor. Și dacă ăsta e cazul -- și acesta este un exemplu de galaxie normală; ceea ce vedem este lumina stelară. Iar dacă există o gaură neagră supermasivă, trebuie să presupunem că este o gaură neagră pusă la dietă. Fiindcă aceasta este calea pentru a suprima fenomenul energetic văzut în nucleele galactice active.

Dacă vom căuta aceste găuri negre ascunse în centrul galaxiilor, cel mai bun loc unde să privim este propria noastră galaxie, Calea Lactee. Iar aceasta este o poză panoramică a centrului Căii Lactee. Și ceea ce vedem este o linie de stele. Şi asta pentru că trăim într-o galaxie care este o structură aplatizată, ca un disc. Și trăim în mijlocul ei, așa că atunci când ne uităm spre centru, vedem acest plan care definește planul galaxiei, sau o linie care definește planul galaxiei.

Acum, avantajul studierii propriei noastre galaxii este că pur și simplu este cel mai apropiat exemplu de centru de galaxie pe care îl vom avea vreodată, fiindcă cea mai apropiată galaxie este de 100 de ori mai departe. Deci putem vedea cu mult mai multe detalii în galaxia noastră decât oriunde altundeva. Iar - așa cum veți vedea într-o clipă - abilitatea de a vedea detalii este cheia acestui experiment.

Deci, cum dovedesc astronomii că există multă masă în interiorul unui volum mic? Acest lucru v-il voi arăta azi. Iar unealta pe care o folosim este urmărirea modului în care stelele orbitează în jurul găurii negre. Stelele vor orbita în jurul găurii negre în exact același mod în care planetele se învârt în jurul soarelui. Atracția gravitațională este cea care face aceste lucruri să orbiteze. Dacă nu ar fi obiecte masive, aceste lucruri ar zbura, sau cel puțin s-ar mișca cu o viteză mult mai mică fiindcă ceea ce determină mișcarea lor pe orbită este câtă masă există în interiorul orbitei.

Asta este grozav, fiindcă sarcina mea este să arăt că există multă masă într-un volum mic. Deci dacă știu cât de repede se învârte, cunosc și masa. Iar dacă știu dimensiunea orbitei, cunosc și raza. Așa că eu vreau să văd stelele care sunt cât mai aproape posibil de centrul galaxiei. Fiindcă vreau să arăt că există o masă într-o regiune cât mai mic posibilă. Asta înseamnă că vreau să văd o mulțime de detalii. Și acesta este motivul pentru care am utilizat pentru acest experiment cel mai mare telescop din lume.

Acesta este observatorul Keck. El are două telescoape cu o oglindă de 10 metri, care este aproximativ lățimea unui teren de tenis. Acum, asta este minunat fiindcă promisiunea electorală a telescoapelor mari este următorul: cu cât telescopul este mai mare, cu atât este mai mic detaliul vizibil. Dar de fapt aceste telescoape sau orice telescop de pe sol, au o mică problemă la îndeplinirea promisiunii acestei campanii. Iar asta este din cauza atmosferei. Atmosfera este minunată pentru noi; ne permite să supraviețuim aici pe Pământ. Dar este relativ problematică pentru astronomii care vor să privească prin atmosferă la sursele astronomice.

Pentru a vă da o idee despre cum este asta, este de fapt ca și cum te-ai uita la o pietricică aflată pe fundul unui curs de apă. Privind la pietricica de pe fundul apei curgătoare, apa curgătoare este în mișcare continuă și este turbulentă, şi asta îngreunează foarte mult observarea pietricelei de pe fund. Într-un mod foarte similar, este foarte dificil să vezi sursele astronomice, din cauza atmosferei aflate în mișcare continuă.

Așa că mi-am petrecut o mare parte a carierei lucrând la metode de a corecta efectul atmosferei, pentru a avea o imagine mai curată. Iar asta ne îmbunătăţeşte cam de 20 de ori imaginea. Și cred că sunteți toți de acord că dacă ați putea găsi o cale de a îmbunătăți viața de 20 de ori probabil v-ați îmbunătățit foarte mult stilul de viață, să zicem salariul sau copiii voștri, să zicem.

Și această animație arată aici un exemplu al tehnicilor pe care le folosim, numită optică adaptivă. Vedeți o animație care trece de la un exemplu cu ce ați fi văzut dacă nu utilizăm această tehnică. Cu alte cuvinte, doar o poză care arată stelele, iar cutia este centrată pe centrul galaxiei, unde credem noi că este gaura neagră. Deci fără această tehnologie nu poți să vezi stelele. Cu această tehnologie dintr-o dată le poți vedea. Această tehnologie funcționează prin introducerea unei oglinzi în sistemul optic al telescopului, oglindă care se schimbă continuu pentru a contracara efectele atmosferei. Sunt un fel de ochelari foarte speciali pentru telescop.

În următoarele câteva imagini mă voi concentra pe acel mic pătrat de acolo. Ne vom uita numai la stelele din acel mic pătrat, deși ne-am uitat la ele toate. Vreau să văd cum s-au deplasat aceste lucruri. Iar pe durata experimentului aceste stele s-au deplasat imens. Facem acest experiment de 15 ani, și am văzut stelele parcurgând o orbită completă.

Majoritatea astronomilor au o stea favorită, iar a mea este azi o stea etichetată SO-2. Steaua mea favorită în mod absolut. Și asta fiindcă parcurge orbita în numai 15 ani. Și ca să înțelegeți cât de scurt este asta, soarele face o rotație completă în jurul centrului galaxiei în 200 de milioane de ani. Stele despre care știam înainte, care erau așa de aproape de centrul galaxiei cât se poate, le ia 500 de ani. Iar aceasta parcurge orbita într-o viață umană. Acest lucru este într-un fel destul de profound.

Dar este cheia acestui experiment. Orbita îmi spune cât de multă masă este în interiorul unei raze foarte mici. În continuare vedem o poză care vă arată înainte de acest experiment, dimensiunea la care puteam comprima masa centrului galaxiei. Ce știam înainte este că era de patru milioane ori masa soarelui în interiorul acelui cerc. Și așa cum puteți vedea, erau și multe alte lucruri în interiorul acelui cerc. Puteți vedea o mulțime de stele. Deci, erau de fapt o mulțime de alternative la ideea că ar fi o gaură neagră supermasivă în centrul galaxiei, fiindcă puteai pune o mulțime de lucruri acolo.

Dar cu acest experiment am comprimat aceeași masă într-un volum mult mai mic, care este de 10 mii de ori mai mic. Și din cauza asta, am fost în stare să demonstrăm că există acolo o gaură neagră supermasivă. Pentru a înțelege cât de mic este acel volum, acela este dimensiunea sistemului nostru solar. Deci, înghesuim de patru milioane ori masa soarelui în acel mic volum.

Acum, care este adevărul din spatele reclamei? V-am spus că slujba mea este să o reduc până la raza Schwarzchild. Iar adevărul este că nu am ajuns încă acolo. Dar azi nu avem de fapt alternative pentru a explica această concentrare de masă. Și de fapt este cea mai bună dovadă pe care o avem pâna acum pentru existența unei găuri negre supermasive nu numai în centrul propriei noastre galaxii, ci oriunde în univers. Deci ce urmează? Cred de fapt că aceasta este cel mai bun rezultat posibil cu tehnologia de azi, așa că să trecem mai departe.

Ce vreau să vă spun, foarte pe scurt, sunt câteva exemple ale frământărilor noastre curente legate de centrul galaxiei, acum că știm că există acolo, sau cel puțin așa credem noi, că există acolo o gaură neagră supermasivă. Iar partea distractivă a acestui experiment este că, în timp ce am testat câteva din ideile noastre despre consecințele existenței unei găuri negre supermasive în centrul galaxiei noastre, aproape fiecare din ele a fost inconsistentă cu ceea ce vedem de fapt. Și asta este distracția.

Permiteți-mi să vă dau cele două exemple. Ați putea întreba: "La ce vă așteptați pentru stelele bătrâne, stele care au fost în jurul centrului galaxiei o vreme lungă, ele au avut timp berechet să interacționeze cu gaura neagră." Vă așteptați ca stelele bătrâne ar trebui să fie foarte grupate în jurul găurii negre. Ar trebui să vedeți o mulțime de stele bătrâne lângă gaura neagră.

La fel sau în contrast, stelele tinere, ele nu ar trebui să fie deloc acolo. O gaură neagră nu este un vecin plăcut pentru a creșă stelară. Pentru a se forma o stea, ai nevoie de o mare sferă de gaz și praf care să se strângă. Și asta este o entitate foarte fragilă. Și ce face marea gaură neagră? Ea deformează de o parte acel nor de gaz. Ea atrage mult mai puternic într-o parte decât în cealaltă și norul este făcut bucăți. De fapt, am anticipat că formarea stelelor nu ar trebui să se întâmple în acel mediu.

Deci nu ar trebui să vedeți stele tinere. Dar ce vedem de fapt? Folosind alte observații decât cele arătate azi, putem să ne dăm seama care stele sunt bătrâne și care sunt tinere. Cele bătrâne sunt roșii. Cele tinere sunt albastre. Iar cele galbene, nu știm încă. Așa că vedeți deja surpriza. Există o lipsă de stele bătrâne. Există o abundență de stele tinere, adică exact opusul celor prezise.

Deci, asta este partea distractivă. Și de fapt, azi, asta încercăm să înțelegem, acest mister al obținerii -- al rezolvării acestei contradicții. Așa că, de fapt, studenții mei absolvenți sunt, chiar în acest moment, azi, la telescop, în Hawaii, făcând observații care să ne aducă sperăm la următoarea etapă, în care vom putea răspunde la această întrebare despre existența a așa de multe stele tinere, și așa de puține stele bătrâne. Pentru a realiza progres avem nevoie să privim la orbitele unor stele care sunt mult mai departe. Pentru a face asta vom avea probabil nevoie de tehnologie mult mai sofisticată decât ce avem acum.

Fiindcă, în realitate, în timp ce spunem că am corectat pentru erorile atmosferei Pământului, noi de fapt am corectat doar jumătate din erorile introduse. Facem asta trăgând cu un laser în atmosferă, și ceea ce credem că putem face dacă aprindem câteva în plus, atunci vom putea corecta restul erorilor. Deci asta este ceea ce sperăm să facem în următorii câțiva ani. Și pe un termen mult mai lung, sperăm să construim telescoape și mai mari, fiindcă, țineți minte, mai mare este mai bun în astronomie.

Vrem să construim un telescop de 30 de metri. Iar cu acest telescop ar trebui să fim în stare să vedem stele care sunt și mai aproape de centrul galaxiei. Și sperăm să reușim să testăm câteva din teoriile lui Einstein despre relativitatea generalizată, câteva idei din cosmologie despre cum se formează galaxiile. Credem că viitorul acestui experiment este foarte captivant.

Așa că, în concluzie, vă voi arăta o animație care de fapt vă arată cum aceste orbite se mișcă în trei dimensiuni. Și sper, dacă nimic altceva, că v-am convins că, unu, chiar avem o gaură neagră supermasivă în centrul galaxiei. Și asta înseamnă că aceste lucruri există în universul nostru, și trebuie să ne luptăm cu asta, trebuie să explicăm cum putem avea aceste obiecte în lumea noastră fizică.

Doi, am fost în stare să privim la acea interacțiune, cum interacționează găurile negre supermasive, și să înțelegem, poate, rolul pe care îl joacă în formarea și funcționarea galaxiilor.

Și ultimul, dar nu cel din urmă, nimic din asta nu s-ar fi întâmplat fără apariția formidabilului progres care s-a făcut pe frontul tehnologiei. Și credem că este un domeniu care se mișcă incredibil de repede, și promite multe în viitor. Vă mulțumesc foarte mult. (Aplauze)