Andrea Ghez: Jakten på ett supermassivt svart hål

Hur kan man observera något som man inte kan se? Detta är den grundläggande frågan som någon som är intresserad av att finna och studera svarta hål ställer. Eftersom svarta hål är objekt som har så intensiv gravitationskraft att ingenting kan undkomma det, inte ens ljus, så man kan inte se dessa direkt.

Så min historia idag om svarta hål är om ett visst specifikt svart hål. Jag är intresserad av att ta reda på om det verkligen finns ett riktigt massivt, vad vi gärna kallar ett "supermassivt" svart hål, i mitten av vår galax. Och anledningen till att detta är intressant är att det ger oss en möjlighet att bevisa ifall dessa exotiska objekt verkligen existerar. Och dessutom ger det oss möjligheten att förstå hur dessa supermassiva svarta hål interagerar med sin omgivning, och att förstå hur de påverkar bildandet och utvecklingen av de galaxer i vilka de existerar.

Så, till att börja med behöver vi förstå vad ett svart hål är så att vi kan förstå hur man bevisar ett svart hål. Så, vad är ett svart hål? På många sätt är ett svart hål ett oerhört simpelt objekt, eftersom det endast finns tre attribut som man kan beskriva det med: dess massa, dess spin, och dess laddning. Och jag ska enbart prata om dess massa. Så, på så vis är det ett mycket simpelt objekt. Men på ett annat sätt är det oerhört komplicerat objekt för vilket vi behöver ganska exotisk fysik för att beskriva, och som på sätt och vis representerar en sönderdelning av vår fysikaliska förståelse av universum.

Men för idag, sättet som jag vill att ni ska förstå ett svart hål, för att bevisa ett svart hål, är att tänka på det som ett objekt vars massa är begränsad till noll volym. Så, trots att jag ska tala för er om ett objekt som är supermassivt, och jag kommer förklara vad detta innebär om en stund, har det ingen ändlig storlek. Så det är lite krångligt.

Men lyckligtvis finns det en ändlig storlek som man kan se, och den är känt som Schwarzschild-radien. Den är döpt efter mannen som upptäckte varför detta var en så viktig radie. Det är en virtuell radie, inte verklig; det svarta hålet har ingen storlek. Så varför är det så viktigt? Det är viktigt för att det berättar för oss att vilket objekt som helst kan bli ett svart hål. Det betyder att du, din granne, din mobil, detta auditorium kan bli ett svart hål om du kan lista ut hur du kan pressa ihop det till dess Schwarzschild-radies storlek.

Vad kommer hända då? Det är då som gravitationen vinner. Gravitation vinner över alla andra kända krafter. Och objektet är tvingat att fortsätta kollapsa till ett oändligt litet objekt. Och då är det ett svart hål. Så om jag skulle trycka ihop jorden till en sockerbits storlek, skulle det bli ett svart hål, därför att jordens Schwarzschild-radie är en sockerbits storlek.

Nyckeln här är att lista ut vad denna Schwarzschild-radie är. Och det visar sig vara ganska enkelt att lista ut. Det beror enbart på objektets massa. Större objekt har större Schwarzschild-radier. Mindre objekt har mindre Schwarzschild-radier. Så om jag skulle ta solen och pressa ihop den till universitetet i Oxfords storlek, skulle den bli ett svart hål.

Så nu vet vi vad en Schwarzschild-radie är. Och det är ett ganska användbart koncept, för det säger oss inte bara när ett svart hål kommer bildas, utan det ger oss också de viktigaste faktorerna för bevis för ett svart hål. Jag behöver endast två saker. Jag måste förstå massan av det objekt jag påstår är ett svart hål, och vad dess Schwarzschild-radie är. Och eftersom massan bestämmer Schwarzschild-radien, behöver jag endast känna till en sak.

Så min uppgift att övertyga er om att det finns ett svart hål, är att visa att det finns något objekt som är begränsad inom sin Schwarzschild-radie. Och er uppgift idag är att vara skeptiska. Ok, så jag kommer inte prata om något vanligt svart hål; jag ska prata om supermassiva svarta hål.

Jag ville säga några ord om vad ett vanligt svart hål är, som om det kan finnas nåt sånt som ett vanligt svart hål. Ett vanligt svart hål tros vara sluttillståndet i en riktigt massiv stjärnas livscykel. Så om en stjärna börjar sin livscykel med mycket mer massa än vår egen sol, kommer den avsluta sitt liv genom att explodera och lämna bakom sig dessa vackra supernovakvarlevor som vi kan se här. Och i dessa supernovakvarlevor kommer det finnas ett litet svart hål som har en massa ungefär tre gånger så stor som solens. På en astronomisk skala är det ett väldigt litet svart hål.

Vad jag vill prata om nu är de supermassiva svarta hålen. Och dessa supermassiva svarta hål tros befinna sig i galaxers centrum. Och detta vackra foto taget med Hubbleteleskopet visar er att det finns galaxer i alla dess former. Det finns stora galaxer. Det finns små galaxer. Nästan varenda objekt i den där bilden är en galax. Och det finns en väldigt fin spiral uppe till vänster. Och det finns hundra miljarder stjärnor i den galaxen, bara så att ni får en känsla för skalan. Och allt ljus vi ser från en typisk galax, vilket är den sortens galaxer vi ser här, kommer från stjärnornas ljus. Så vi ser galaxen tack vare dess stjärnljus.

Det finns ett fåtal relativt exotiska galaxer. Jag brukar kalla dessa galaxvärldens primadonnor, eftersom de på sätt och vis är posörer. Och vi kallar dessa aktiva galaxkärnor. Och vi kallar dem detta för att deras kärnor, eller deras centrum, är mycket aktiva. Så, där i centrum är faktiskt var det mesta av stjärnljuset kommer ifrån. Och trots det, det vi faktiskt ser är ljus som inte kan förklaras av stjärnljuset. Det har mycket mer energi än så. Om några exempel är det som de vi ser här. Det finns också jetstrålar som utgår från mitten. Återigen, en energikälla som är väldigt svår att förklara om man tror att galaxer endast består av stjärnor.

Så det folk har tänkt på är att det kanske finns supermassiva svarta hål som materia faller in i. Så man kan inte så svarta hålet i sig, men man kan omvandla det svarta hålets gravitationsenergi till ljus som vi kan se. Så det finns en tanke att det kanske finns supermassiva svarta hål i galaxernas centrum. Men detta är ett sorts indirekt argument.

I alla fall, det har inspirerat uppfattningen att det kanske inte är bara dessa primadonnor som har dessa supermassiva svarta hål, utan att alla galaxer kanske hyser dessa supermassiva svarta hål i sina centrum. Och om detta är fallet -- Och det här är ett exempel på en vanlig galax; då är det vi ser stjärnljus. Och om det finns ett supermassivt svart hål, måste vi anta att detta är ett svart hål som bantar. Eftersom det är så man kan stävja de energifenomen som vi ser i aktiva galaxkärnor.

Om vi ska leta efter dessa dolda svarta hål i galaxernas mittpunkt, är det bästa stället att leta på vår egen galax, Vintergatan. Och detta är en vidvinkelbild tagen av Vintergatans centrum. Och det vi ser är en linje av stjärnor. Och detta för att vi lever i en galax som har en tillplattad, diskliknande struktur. Och vi lever mitt i denna, så när vi tittar in mot centret, ser vi detta plan som definierar galaxens plan, eller linjen som definierar galaxens plan.

Fördelen med att studera vår egen galax är att det helt enkelt är det närmaste exemplet av en galax mittpunkt som vi någonsin kommer att ha, eftersom den näst närmaste galaxen är 100 gånger längre bort. Så vi kan se mycket mer detaljerat i vår egen galax än någon annanstans. Och som ni snart kommer se, möjligheten att se detaljerat är centralt för detta experiment.

Så hur bevisar astronomer att det finns en stor mängd massa i ett litet omfång? Detta är uppgiften jag har att visa för er idag. Och verktyget vi använder för att observera detta är det sätt stjärnor kretsar runt ett svart hål. Stjärnor kommer kretsa runt det svarta hålet på samma sätt som planeter kretsar runt solen. Det är gravitationskraften som får dessa saker i omloppsbana. Om det inte fanns några massiva objekt skulle dessa saker flyga iväg, eller i varje fall färdas mycket långsammare eftersom det enda som bestämmer hur de åker runt är hur mycket massa som finns inuti deras omloppsbana.

Så det här är fantastiskt, för kom ihåg att mitt jobb är att visa att det finns en stor mängd massa inuti detta lilla omfång. Så om jag vet hur snabbt denna åker runt, så vet jag massan. Och om jag vet skalan på omloppsbanan vet jag radien. Så, jag vill se stjärnorna som är så nära galaxens mittpunkt som möjligt. Därför att jag vill visa att det finns en massa i ett så litet område som möjligt. Så det innebär att jag vill se en massa detaljer. Och det är anledningen till att vi för detta experiment har använt världens största teleskop.

Det här är Keckobservatoriet. Det består av två teleskop som var och ett har en diameter på 10 meter, vilket är ungefär en tennisbanas längd. Detta är underbart eftersom kampanjlöftet hos stora teleskop är att ju större teleskopet är, desto mer detaljer kan vi se. Men det visar sig att dessa teleskop, eller alla teleskop på marken har haft det lite svårt att leva upp till sina löften. Och detta på grund av atmosfären. Atmosfär är jättebra för oss; det tillåter oss att överleva här på jorden. Men det är ganska svårt för astronomer som vill titta genom atmosfären på astronomiska källor.

För att ge er en känsla av hur det är, är det lite som att titta på en sten på botten av en ström. När man tittar på stenen på strömmens botten, där strömmen konstant rör sig och är turbulent, blir det mycket svårt att se stenen på strömmens botten. Väldigt mycket på samma sätt som det är väldigt svårt att se astronomiska källor, eftersom atmosfären konstant åker förbi.

Jag har spenderat en stor del av min karriär för att hitta sätt som kan korrigera för atmosfären, för att ge oss en bättre bild. Och detta ger oss en förbättring på ungefär faktor 20. Och jag tror att ni kan alla hålla med om att kan man lista ut hur man kan förbättra livet med en faktor 20 så har man förbättrat sin livsstil en hel del, exempelvis sin lön, det skulle märkas, eller ens ungar, det skulle också märkas.

Och den här animation visar er ett exempel på den teknik vi använder, som kallas anpassad optik. Det ni ser är en animation som skiftar mellan ett exempel på vad man ser om man inte använder denna teknik, med andra ord, bara en bild som visar stjärnorna, och boxen är centrerad på galaxens centrum där vi tror det svarta hålet finns. Så utan denna teknologi kan man inte se stjärnorna. Med denna teknologi så kan man helt plötsligt se dem. Denna teknologi använder sig av en spegel inne i teleskopets optiska system som kontinuerligt ändrar sig för att motverka atmosfärens effekt. Det är på sätt och vis som ett par väldigt fina glasögon för ditt teleskop.

I de kommande bilderna ska jag enbart fokusera på den lilla kvadraten där. Så vi kommer enbart titta på stjärnorna inuti den lilla kvadraten, även om vi tittat på allihopa. Jag vill se hur dessa har förflyttat sig. Och under experimentet har dessa stjärnor flyttat sig oerhört mycket. Vi har hållit på med detta experiment under 15 år, och vi ser stjärnorna gå hela vägen runt.

De flesta astronomerna har en favoritstjärna, och just nu är min stjärnan som är markerad där uppe, SO-2. Min absoluta favoritstjärna i hela världen. Och det är för att dess omloppstid endast är 15 år. Och för att ge er en känsla av hur kort tid det är, tar det solen 200 miljoner år att rotera kring galaxens centrum. Stjärnor som vi kände till innan, som var så nära galaxens mittpunkt som möjligt, tog det 500 år för. Och denna, den går runt under en mänsklig livstid. Det är rätt så speciellt, på sätt och vis.

Men det är nyckeln ditt detta experiment. Omloppsbanan berättar för mig hur mycket massa som finns inuti en väldigt liten radie. Härnäst ser vi en bild som berättar för oss storleken som vi innan experimentet kunde innesluta massan i galaxens centrum. Det vi visste innan var att det var fyra miljoner gånger solens massa inuti den cirkeln. Och som ni kan se fanns det mycket annat inuti den cirkeln. Ni kan se en massa stjärnor. Så det fanns många andra alternativ till teorin om att det fanns ett supermassivt svart hål i galaxens centrum, eftersom man kunde lägga en massa andra saker däri.

Men med detta experiment har vi begränsat samma massa till en mycket mindre volym som är ungefär tiotusen gånger mindre. Och tack vare detta har vi kunnat visa att det finns ett supermassivt svart hål där. För att ge er en känsla av hur liten storleken är, är det lika stort som vårt solsystem. Så vi trycker ihop fyra miljoner gånger solens massa in i den lilla volymen.

Nu, sanning i reklam. Eller hur? Jag har berättat för er att mitt jobb är att få ner detta till Schwarzchild-radien. Och sanningen är, jag har inte nått dit än. Men just nu har vi faktiskt inget annat alternativ till att förklara denna koncentration av massa. Och, faktum är att det är det bästa bevis vi hittills har inte enbart för existensen av ett supermassivt svart hål i vår egen galax mittpunkt, men i vilken som helst i vårt universum. Så vad är nästa steg? Jag tror faktiskt att det är så långt vi kan komma med dagens teknologi, så låt oss gå vidare med problemet.

Så, det jag vill berätta för er, väldigt kort är några exempel på de spännande sakerna vi kan göra just nu i galaxens centrum, nu när vi vet vad som finns där, eller åtminstone vad vi tror, att det finns ett supermassivt svart hål där. Och det roliga stadiet av detta experiment är att när vi testar några av våra idéer om konsekvenserna av ett supermassivt svart hål i vår galax mittpunkt, har nästan varenda en varit inkonsistent med det som vi faktiskt ser. Och det är det som är det roliga.

Låt mig ge er två exempel. Ni kan fråga, "Vad förväntar ni er av de gamla stjärnorna, stjärnor som har varit runt galaxens centrum under en lång tid, de har haft gott om tid att interagera med det svarta hålet." Vad man förväntar sig är att gamla stjärnor borde vara väldigt samlade kring det svarta hålet. Man borde se en massa gamla stjärnor precis bredvid det svarta hålet.

Likaledes, för de unga stjärnorna, eller i motsats till, de unga stjärnorna ska helt enkelt inte vara där. Ett svart hål är ingen snäll granne för en galaktisk barnkammare. För att få en stjärna att formas, behöver man få ett stort moln av gas och damm att kollapsa. Och det är en väldigt ömtålig entitet. Och vad gör det svarta hålet? Det sliter gasmolnet itu. Det drar mycket starkare på ena sidan än den andra och molnet slits itu. Faktum är att vi förutsåg att denna stjärnformation inte skulle kunna existera i den miljön.

Så vi borde inte se några unga stjärnor. Så vad ser vi? Genom observationer som inte är de jag visat er idag, kan vi faktiskt lista ut vilka stjärnor som är gamla och vilka som är unga. De gamla är röda. De unga är blå. Och de gula, vet vi inte ännu. Så ni kan redan se överraskningen. Det är en brist på gamla stjärnor. Det finns ett överflöd av unga stjärnor, så det är den exakta motsatsen av förutsägelsen.

Så detta är den roliga biten. Och faktum är att det är detta vi försöker lista ut just nu, detta mysterium av hur man får -- hur man löser denna motsägelse. Så mina doktorander är, just nu, idag, vid teleskopet, i Hawaii, och gör observationer för att få oss förhoppningsvis till nästa steg, där vi kan bemöta denna fråga om varför det finns så många unga stjärnor, och så få gamla stjärnor. För att fortsätta vidare måste vi titta noggrannare på omloppsbanorna hos stjärnor som är mycket längre bort. För att göra detta behöver vi troligen mycket mer sofistikerad teknologi än den vi har idag.

Eftersom, ärligt talat, då jag sa att vi korrigerar för jordens atmosfär, korrigerar vi faktiskt endast för hälften av de fel som introduceras. Vi gör detta genom att skjuta upp en laser in i atmosfären, och det vi tror vi kan göra är att om vi skjuter upp några till så korrigerar vi resten. Så det är det vi hoppas kunna göra de kommande åren. Och på en mycket längre tidsskala, hoppas vi kunna bygga ännu större teleskop, eftersom, kom ihåg, större är bättre i astronomi.

Så vi vill bygga ett teleskop med 30 meters diameter. Och med detta teleskop borde vi kunna se stjärnor som är ännu närmare galaxens centrum. Och vi hoppas kunna testa några av Einsteins teorier om allmän relativitet, några idéer i kosmologi om hur galaxer bildas. Så vi tror att framtiden för detta experiment är rätt så spännande.

Så, avslutningsvis ska jag visa er en animation som i princip visar er hur dessa omloppsbanor rör sig, i tre dimensioner. Och jag hoppas, om inget annat, att jag övertygat er om att, ett, vi faktiskt har ett supermassivt hål i galaxens centrum. Och det innebär att dessa saker existerar i universum, och vi måste argumentera för detta, vi måste förklara hur man kan få dessa objekt i vår fysiska värld.

För det andra, vi har lyckats observera den interaktion om hur supermassiva svarta hål interagerar, och förstå, kanske, den roll de spelar i att forma vad galaxer är, och hur de fungerar.

Och sist men inte minst, inget av detta hade skett utan kommandet av de fantastiska framsteg som gjorts på den teknologiska framkanten. Och vi tror att detta är ett fält som gör sig otroligt snabbt, och har mycket potential för framtiden. Tack så mycket. (Applåder)