Андреа Гез: Охота за сверхмассивной чёрной дырой

Как можно наблюдать за тем, чего не видно? Это основной вопрос для того, кто интересуется поиском и изучением чёрных дыр. Потому что чёрные дыры — это объекты, чьё гравитационное поле настолько велико, что ничто, даже свет, не может их покинуть, так что его нельзя увидеть напрямую.

Итак, рассказ сегодня будет о чёрных дырах об особой чёрной дыре. Мне интересно узнать существует или нет очень массивная, как мы обычно говорим «сверхмассивная» чёрная дыра в центре нашей галактики. И это интересно, потому что это даёт нам возможность доказать, существуют ли эти экзотические объекты на самом деле. И во-вторых, это даёт нам возможность понять, как эти сверхмассивные чёрные дыры взаимодействуют с окружающей средой, и понять, как они влияют на формирование и эволюцию галактик, в которых они расположены.

Итак, для начала, нам необходимо понять, что такое чёрная дыра, чтобы мы могли понять доказательство чёрной дыры Что же такое чёрная дыра? В какой-то мере, чёрная дыра — это неимоверно простой объект, потому что у неё только три характеристики, которые можно описать: масса, спин и заряд. И я буду говорить только о массе. Так что, с одной стороны, это очень простой объект. Но, с другой стороны, это неимоверно сложный объект, для описания которого нам необходима довольно-таки экзотическая физика, и в какой-то степени представляет собой прорыв в физическом понимании вселенной.

Но сегодня, я буду представлять чёрную дыру, в целях доказательства её существования, как объект, чья масса сосредоточена в нулевом объёме. Так что, несмотря на то, что я буду говорить о сверхмассивном объекте, и я вернусь к тому, что это означает, через минуту, у него нет конечного размера. Так что всё немного запутано.

К счастью, существует конечный размер, который вы можете увидеть и он известен как гравитационный радиус Шварцшильда. Назван в честь человека, который осознал, почему этот радиус так важен. Это виртуальный радиус, не реальный - у чёрной дыры нет размера. Итак, почему же он так важен? Он важен, потому что он показывает нам, что любой объект может стать чёрной дырой. То есть вы, ваш сосед, ваш телефон, эта аудитория, — могут стать чёрной дырой, если вам удастся найти способ их сильно сжать до размера радиуса Шварцшильда.

И что произойдёт тогда? А тогда победит сила притяжения. Сила притяжения побеждает все известные силы. И объект вынужден продолжать сжиматься до бесконечно маленького размера. И становится чёрной дырой. Так что, если бы я сжала Землю до размера сахарного кубика, она бы стала чёрной дырой, потому как размер сахарного кубика это её радиус Шварцшильда.

Самое главное — это определить значение радиуса Шварцшильда. И оказывается, что его довольно-таки просто определить. Он зависит только от массы объекта. Объекты большего размера имеют больший радиус Шварцшильда. У меньших радиус Шварцшильда меньше. Итак, если взять Солнце и сжать его до размера Оксфордского Университета, оно превратится в чёрную дыру.

Итак, теперь мы знаем, что такое радиус Шварцшильда. И это довольно-таки полезный концепт, потому что он нам показывает не только, когда чёрная дыра формируется, но также даёт нам ключевые элементы для доказательства чёрной дыры. Мне нужны только две вещи: представление о массе объекта, который я называю чёрной дырой, и о том, каков его радиус Шварцшильда. И так как масса определяет радиус Шварцшильда, мне нужно знать только одну вещь.

Тогда моя задача по убеждению вас в существовании чёрной дыры сводится к тому, чтобы показать существование некого объекта, который заключён в радиусе Шварцшильда. А ваша задача сегодня — быть скептиками. Итак, разговор пойдёт об ординарной чёрной дыре и о сверхмассивной чёрной дыре.

Я бы хотела сказать пару слов о том, что такое ординарная чёрная дыра, как если бы такая вещь как ординарная чёрная дыра могла существовать. Ординарная чёрная дыра считается конечным этапом в жизни очень массивной звезды. Поэтому, если звезда начинает свою жизнь с гораздо большей массой, чем масса Солнца, она закончит свою жизнь взрывом и оставит за собой эти красивейшие остатки сверхновой звезды, которые мы видим здесь. А внутри этих остатков суперновой звезды будет маленькая чёрная дыра, масса которой будет примерно в три раза больше массы Солнца. По астрономическим меркам — это очень маленькая чёрная дыра.

А теперь я хочу поговорить о сверхмассивных чёрных дырах. Считается, что сверхмассивные чёрные дыры располагаются в центре галактик. И это замечательное фото, сделанное космическим телескопом «Хаббл», показывает вам, что галактики бывают различных форм и размеров. Большие и маленькие. Почти каждый объект на этом фото — это галактика. Это спираль, поднимающаяся вверх, в левом верхнем углу. И в этой галактике сотни миллионов звёзд, просто чтобы дать вам понятие о масштабах. Свет, который мы наблюдаем в типичной галактике, одной из тех, что мы здесь видим, исходит от света звёзд. Так что мы видим галактику благодаря звёздному свету.

Существует несколько относительно экзотичных галактик. Мне нравиться называть их примадоннами галактического мира, потому что они любят покрасоваться. Мы называем их активными ядрами галактик. И называются они так потому, что их ядра, их центр, очень активны. Из этого самого центра и исходит большая часть звёздного света. Однако, тот свет, что мы видим, не может быть объяснён светом звезды. Он обладает гораздо большей энергией. Фактически, в некоторых случаях это похоже на то, что мы сейчас видим. Это как бы струи, бьющие из центра. Опять же, источник энергии который очень сложно объяснить, если вы считаете, что галактики всего лишь состоят из звёзд.

Поэтому люди подумали, что, возможно, там есть сверхмассивные чёрные дыры, в которые вваливается материя. То есть вы не можете увидеть саму чёрную дыру, но вы можете преобразовать её гравитационную энергию в свет, который мы видим. Таким образом, есть мнение, что сверхмассивные чёрные дыры существуют в центрах галактик. Но это как-бы косвенный аргумент.

Так или иначе, это даёт начало идеи о том, что не только подобные примадонны имеют чёрные дыры, но и все галактики имеют в своём центре сверхмассивные чёрные дыры. В таком случае — это пример обычной галактики; то, что мы видим, — звёздный свет. И если там есть сверхмассивная чёрная дыра, мы вынуждены предполагать, что эта чёрная дыра — на диете. Потому что это способ уменьшить феномен энергии, который мы наблюдаем в активных ядрах галактик.

Если мы хотим взглянуть на эти хитрые чёрные дыры в центре галактик, то лучшее место — это наша собственная галактика, наш Млечный Путь. На этом панорамном снимке запечатлён центр Млечного Пути. Мы видим линии звёзд. Это потому, что мы живём в плоской галактике по форме похожей на диск. Мы живём в её середине, так что если мы посмотрим в центр, то увидим плоскость, которая отражает плоскость галактики, или линию, отражающую плоскость галактики.

Преимущество же изучения нашей галактики просто в том, что это ближайший центр галактики, который мы когда-либо будем иметь, потому что следующая ближайшая галактика находится в сто раз дальше от нас. Так что в нашей галактике мы сможем разглядеть гораздо больше деталей, чем где-либо ещё. А как вы сейчас видите, способность разглядеть детали — является ключевой в этом эксперименте.

Итак, как же астрономы доказывают что большая масса находиться внутри малого объёма? Это задача, которую я сегодня должна представить вам. И инструмент, которым мы воспользуемся — это наблюдение за процессом вращения звёзд вокруг чёрной дыры. Звезда будет вращаться вокруг чёрной дыры точно так же, как планеты вращаются вокруг солнца. Это гравитационная тяга заставляет их вращаться. Если бы внутри не было массивных объектов, они бы не вращались либо вращались бы гораздо медленнее, потому что то, что определяет их вращение — это количество массы внутри орбиты.

Это прекрасно, вспомните, ведь моя задача показать вам, что есть большая масса внутри малого объёма. Итак, если я знаю, насколько быстро оно вращается, я знаю какова масса И если я знаю шкалу орбиты, я знаю радиус. Итак, я хочу увидеть звёзды наиболее близкие к центру галактики. Я хочу показать вам массу внутри наименьшей возможной области. Это означает, что я хочу увидеть много деталей. Это причина, по которой мы использовали в этом эксперименте самый большой в мире телескоп.

Это обсерватория им. Кека. В ней располагаются два телескопа с десяти метровой линзой, это приблизительно диаметр теннисного корта. Это удивительно, ведь в рекламе гигантских телескопов говорится, что чем больше телескоп, тем мельче детали мы можем разглядеть. Но оказывается эти телескопы, как и все другие телескопы на земле несколько оспаривают правдивость этой рекламы. И все из-за атмосферы. Атмосфера очень полезна для нас; она позволяет нам выжить на Земле. Но она же является некоторым препятствием для астрономов, которые хотят наблюдать сквозь атмосферу астрономические источники.

Что-бы дать вам понять на что это похоже, скажу, что это как галька на дне реки. При взгляде на гальку на дне реки, поток воды постоянно движется и вращается, и это значительно затрудняет возможность разглядеть гальку на дне. Здесь происходит нечто похожее, очень трудно увидеть астрономические источники, потому что атмосфера постоянно движется.

Так что, я провела большую часть своей карьеры в попытке найти способы подкорректировать атмосферу, и предоставить нам чистый обзор. И это улучшило обзор в 20 раз. И я думаю, вы все согласитесь, что, имея возможность улучшить свою жизнь в 20 раз, вы наверняка существенно улучшили бы качество жизни, скажем зарплату, так что хватило бы и вам и ещё вашим детям.

В этом ролике показан один из примеров техники, которую мы используем, называемой адаптивная оптика. В этом ролике показана разница между тем, что вы видите без использования техники, иными словами, всего лишь картинку изображающую звезды, и рамкой посередине, на которой изображён центр галактики, где, как мы думаем, находится чёрная дыра То есть без этой технологии вы не можете видеть звезды. А с использованием технологии вы вдруг можете их увидеть. Эта технология работает с помощью зеркала, внедрённого в оптическую систему телескопа, которое постоянно меняется, чтобы противостоять влиянию атмосферы. Так что это что-то вроде причудливых очков для вашего телескопа

На следующих нескольких слайдах я сфокусируюсь на этом маленьком квадрате. Мы посмотрим только на те звезды, что внутри квадрата, хотя мы уже смотрели на всех них. Итак, я хочу увидеть как эти объекты переместились. А в течении этого эксперимента эти звезды перемещались на большие расстояния. Итак, мы проводим этот эксперимент на протяжении 15 лет и мы наблюдали весь путь этих звёзд.

Большинство астрономов имеют любимую звезду, и сегодня моя звезда та, что названа SO-2. Без сомнения, моя самая любимая на свете звезда. И это потому, что она совершает оборот всего за 15 лет. Чтобы дать вам понять насколько это мало, Солнцу нужно 200 миллионов лет, чтобы совершить оборот вокруг центра галактики. Звёздам знакомым нам прежде, ближайшим к центру галактики, на это требуется 500 лет. А этой хватает времени в пределах человеческой жизни. Это некий прорыв, в своём роде.

Это и есть ключ к данному эксперименту. Орбита показывает мне насколько большая масса находится внутри маленького объёма. Итак, далее мы видим картинку которая показывает нам доэкспериментальный размер, по которому мы могли обозначить массу в центре галактики. То что мы знали раньше — это то, что масса, в 4 миллиона превышающая солнечную, находилась внутри круга. И как вы видите, внутри круга было ещё много разных вещей. Вы можете видеть много звёзд. Таким образом, было много альтернатив идее о существовании чёрной дыры в центре галактики, потому что вы могли засунуть туда ещё много вещей.

Но в ходе эксперимента мы обнаружили ту же массу внутри гораздо меньшего объёма, в 10 тысяч раз меньшего. И благодаря этому, мы смогли продемонстрировать, что здесь есть сверхмассивная чёрная дыра. Чтобы дать вам почувствовать насколько этот размер мал, это размер нашей Солнечной системы. Так что, мы запихнyли массу в 4 миллиона раз большую, чем Солнце, в этот маленький объем.

Теперь насчёт правды в рекламе. Как я говорила, моя задача - подогнать объём под радиус Шварцшильда. И правда в том, что я ещё не совсем там. Но сегодня у нас практически нет альтернативы, чтобы объяснить концентрацию массы. И фактически, на сегодняшний день это лучшее доказательство существования сверхмассивной чёрной дыры не только в центре нашей галактики, но и во всей вселенной. А что дальше? Я на самом деле думаю, что это настолько хорошо насколько возможно с современными технологиями, так что давайте перейдём к следующей проблеме.

То, что я хочу сказать, очень кратко, это несколько примеров вдохновляющих вещей, которые возможны сегодня в центре галактики, сейчас когда мы знаем, что тут, или, по крайней мере, мы считаем, что там сверхмассивная чёрная дыра. И увлекательная часть этого эксперимента в том, что пока мы проверяли некоторые наши идеи о выводах которые могут быть сделаны из существования сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики, почти каждая из них противоречит тому, что мы видим на самом деле. И в этом весь интерес.

Позвольте дать вам два примера. Вы можете спросить: «Что вы ожидаете от старых звёзд, звёзд, которые были в центре галактики длительное время, у них было предостаточно времени взаимодействовать с чёрной дырой?» Вы предполагаете, что эти старые звёзды должны быть очень близко к центру чёрной дыры. Вы должны видеть много старых звёзд близко к этой чёрной дыре.

Аналогично… или напротив, молодых звёзд тут просто не должно быть. Чёрные дыры - не очень приятные соседи небесной канцелярии. Чтобы сформировать звезду, вам необходим большой шар газа и пыли. А это очень хрупкое сочетание. И что же делает большая чёрная дыра? Она разрывает облако газа на части. Она тянет с одной стороны гораздо сильнее, чем с другой, и облако разрывается на полосы. Фактически, мы ожидаем что звезды не смогут формироваться в таких условиях.

Таким образом, вы не должны увидеть молодые звёзды. И что же мы видим? С помощью обсерваторий, о которых я сегодня не говорила мы можем с уверенностью определить, какие звезды молодые, а какие старые. Старые — красного цвета. Молодые — голубого. А о жёлтых мы пока ничего не знаем. Так что вы уже можете видеть сюрприз. Здесь недостаток старых звёзд. Здесь обилие молодых, что полностью опровергает прогноз.

Это увлекательная часть. И фактически, сегодня, именно это мы пытаемся понять, тайну того, как вы, как вы можете разрешить это противоречие. Таким образом, мои аспиранты в этот момент, сегодня, возле телескопа на Гавайских островах, наблюдают небо в надежде позволить нам подняться на следующую ступень, к которой мы можем отнести этот вопрос: почему там так много молодых звёзд, и так мало старых? Чтобы продвинуться далее, мы действительно должны взглянуть на орбиты звёзд, которые гораздо дальше от нас. Для этого нам скорее всего пондобится гораздо более совершенная технология, чем сегодняшняя.

Потому что, по правде говоря, когда я сказала, что мы корректируем атмосферу Земли, мы всего лишь устраняем половину недостатков, с которыми сталкиваемся. Мы делаем это с помощью выстрела лазерным лучом в атмосферу, и мы считаем что если мы сможем сделать больше таких выстрелов, мы сможем исправить всё остальное. Это то, что мы надеемся достичь в течении следующих нескольких лет. И если говорить о большем временном интервале, то мы надеемся создать огромные телескопы, потому что, помните, в астрономии чем больше, тем лучше.

Так что мы хотим создать 30-метровый телескоп. И с его помощью мы сможем увидеть звёзды, которые ещё ближе к центру галактики. И мы надеемся проверить некоторые положения общей теории относительности Эйнштейна, некоторые космологические идеи о том, как формируются галактики. Так что мы считаем, что будущее этого эксперимента очень занимательно.

В заключении я покажу вам ролик, который на базисном уровне продемонстрирует вам, как двигаются орбиты, в трёх измерениях. И я надеюсь, что, по крайней мере, я убедила вас в том, что, во-первых, на самом деле существует сверхмассивная чёрная дыра в центре нашей галактики. И это говорит о том, что они действительно существуют в нашей вселенной. и мы должны смириться с этим, и должны объяснить, какого место этих объектов в нашем физическом мире.

Во-вторых, мы смогли увидеть процесс взаимодействия сверхмассивных черных дыр и понять, возможно, их роль в формировании сущности галактик и как они функционируют.

И последнее, но не менее важное, ничего этого не произошло бы без прихода такого громадного прогресса, совершенного на технологическом фронте. И мы считаем, что эта область продвигается необыкновенно быстро и содержит ещё много резервов на будущее. Большое спасибо. (Аплодисменты)