Redaktørens note, 23. september, 2008: Smithsonian-magasinet profilerede astrofysiker Andrea Ghez i april, 2008. I dag var Ghez en af 28 modtagere af en prestigefyldt MacArthur-genistipend, der anerkendte hendes bidrag til studiet af sorte huller i galaksenes udvikling.
Fra denne historie
[×] LUKKET
Forskere ledet af Andrea Ghez, en astrofysiker ved UCLA, brugte teleskopbilleder taget fra 1995 selvom 2006 for at skabe denne animation, der viser bevægelsen af udvalgte stjerner i midten af Mælkevejen. Disse stjerners baner og beregninger foretaget ved hjælp af Keplers love om planetarisk bevægelse giver det bedste bevis endnu for eksistensen af et sort hul i midten af Mælkevejen. Af særlig bemærkning er stjerne S0-2, der kredser rundt om det sorte hul en gang hvert 15, 56 år, og stjerne S0-16, der kommer inden for 90 astronomiske enheder (afstanden fra jorden til solen) i det sorte hul
Video: Milky Way Moves
[×] LUKKET
I løbet af cirka fire milliarder år fra nu vil galakserne Mælkevejen og Andromeda gå ned sammenVisualisering: NASA, ESA og F. Summers, STScI Simuleringskredit: NASA, ESA, G. Besla, Columbia University og R. van der Marel, STScI
Video: Hvad sker der, når galakser kolliderer?
Relateret indhold
- Inde i sorte huller
Fra topmødet i Mauna Kea, næsten 14.000 fod over Stillehavet, hælder Mælkevejen lysende over nattehimlen, som er en front-of-view af vores galakse. Dele af den store disk er skjult af støv, og ud over en af disse støvede blots, nær tekanden fra stjernebilledet Skytten, ligger midten af Mælkevejen. Skjult er der en dybt mystisk struktur, som mere end 200 milliarder stjerner kredser rundt om.
Bag mig øverst på de uklare klipper fra denne sovende vulkan på øen Hawaii er de to kupler af WM Keck-observatoriet. Hver kuppel huser et teleskop med et kæmpe spejl næsten 33 fod bredt og, som et flueøje, lavet af sammenlåsende segmenter. Spejlerne er blandt verdens største til at indsamle stjernelys, og et af teleskoperne er udstyret med et blændende nyt værktøj, der kraftigt øger sin styrke. Jeg ser på det nærmeste af Mælkevejens yndefulde spiralarme, mens jeg venter på, at teknikere skal vende kontakten.
Så pludselig og med et svagt klik på en lukker, der glider op, skyder en gylden-orange laserstråle ind i himlen fra den åbne kuppel. Lysstrålen, 18 tommer bred, ser ud til at ende inde i en af de sorteste pletter i Mælkevejen. Det ender faktisk 55 mil over jordoverfladen. Det signal, det giver der, gør det muligt for teleskopet at kompensere for sløret i Jordens atmosfære. I stedet for pittige billeder, der er smurt af de konstant skiftende luftfloder over vores hoveder, producerer teleskopet billeder så klare som ethvert, der fås af satellitter i rummet. Keck var en af de første observatorier, der blev udstyret med en laservejledning; nu begynder et halvt dusin andre at bruge dem. Teknologien giver astronomer en skarp udsigt over galakens kerne, hvor stjerner er pakket så tæt som en sommersværm af gnats og hvirvler omkring det mørkeste sted af alle: et kæmpe sort hul.
Mælkevejens sorte hul er uden tvivl den underligste ting i vores galakse - et tredimensionalt hulrum i rummet ti gange den fysiske størrelse af vores sol og fire millioner gange massen, en virtuel bundfri pit, hvorfra intet slipper ud. Det antages nu, at enhver større galakse har et sort hul i kernen. Og for første gang vil videnskabsmænd være i stand til at studere den ødelæggelse, som disse forvirrende enheder skaber. I løbet af dette årti vil Keck-astronomer spore tusinder af stjerner fanget i grovheden af Mælkevejens sorte hul. De vil forsøge at finde ud af, hvordan stjerner fødes i dets nærhed, og hvordan de forvrænger rummet i sig selv. "Jeg synes det er fantastisk, at vi kan se stjerner, der pisker rundt i vores galakas sorte hul, " siger Taft Armandroff, direktør for Keck-observatoriet. "Hvis du havde fortalt mig som kandidatstuderende, at jeg ville se det i løbet af min karriere, ville jeg have sagt, det var science fiction."
Beviset for sorte huller er helt sikkert indirekte; astronomer har faktisk aldrig set en. Albert Einsteins generelle relativitetsteori forudsagde, at tyngdekraften i et ekstremt tæt legeme kunne bøje en lysstråle så alvorligt, at den ikke kunne undslippe. For eksempel, hvis noget med massen af vores sol blev krympet ind i en kugle halvanden kilometer i diameter, ville det være tæt nok til at fange lys. (For at Jorden skal blive et sort hul, skal dens masse komprimeres til størrelsen af en ært.)
I 1939 beregnet J. Robert Oppenheimer, manden, der blev krediteret med at udvikle atombomben, at en sådan drastisk komprimering kunne ske med de største stjerner, efter at de løb tør for brint og andet brændstof. Når stjernerne sprutede ud, stillede Oppenheimer og en kollega, ville den resterende gas kollapse på grund af sin egen tyngdekraft til et uendeligt tæt punkt. Teleskopobservationer i 1960'erne og 1970'erne sikkerhedskopierede teorien. Et par forskere foreslog, at den eneste mulige strømkilde til noget, der er så lysende som kvasarer - ekstremt lyse beacons milliarder af lysår væk - ville være en koncentration på millioner af solskinner trukket sammen af, hvad forskere senere kaldte et supermassivt sort hul. Astronomer fandt derefter stjerner, der syntes at piske omkring usynlige enheder i vores Mælkevej, og de konkluderede, at kun tyngdekraften fra små sorte huller - indeholdende flere gange massen af vores sol og kendt som stjernemassehuller - kunne holde stjernerne i så stramme bane.
Hubble-rumteleskopet føjede bevisene for sorte huller i 1990'erne ved at måle, hvor hurtigt de inderste dele af andre galakser roterer - op til 1, 1 millioner miles i timen i store galakser. De hurtige hastigheder pegede på kerner, der indeholder op til en milliard gange solens masse. Opdagelsen af, at supermassive sorte huller er kernen i de fleste, hvis ikke alle, galakser var en af Hubbles største resultater. "I begyndelsen af Hubble-undersøgelsen, ville jeg have sagt, at sorte huller er sjældne, måske en galakse i 10 eller 100, og at noget gik galt i den galakse historie, " siger Hubble-videnskabsmand Douglas Richstone fra University of Michigan. "Nu har vi vist, at de er standardudstyr. Det er den mest bemærkelsesværdige ting."
Selv fra Hubble forblev imidlertid Mælkevejens kerne undvigende. Hvis vores galakse indeholdt et supermassivt sort hul, var det stille og manglede de bælter energi set fra andre. Hubble, der blev repareret og opgraderet for sidste gang i 2009, kan spore grupper af stjerner nær centrum af fjerne galakser, men på grund af dens smalle synsvinkel og vores galakas tykke støvskyer kan den ikke tage den samme slags billeder i vores galakse. En anden tilgang ville være at spore individuelle stjerner i det sorte huls nærhed ved hjælp af infrarødt lys, der bevæger sig gennem støv, men stjernerne var for svage og for overfyldte til, at de fleste jordbaserede teleskoper kunne løse. Stadig tøvede nogle astronomer i 1990'erne, at observationer af Mælkevejens kerne muligvis var mulig. En række spændende spørgsmål kunne derefter løses: Hvordan lever og dør stjerner i den vilde omgivelse? Hvad spiser et sort hul? Og kan vi i hjertet af Mælkevejen være vidne til det skæve rum og den tid, som Einstein foreslog for næsten et århundrede siden?
Keck-kontrolrummet ligger 20 miles fra teleskopet i den ranching byen Waimea. For forskerne der er den spektakulære laser kun synlig som en nedadgående stråle på en computerskærm. Astronomerne tjekker deres notesbøger og ser skærme fulde af data fra teleskopet, vejrlæsninger og det seneste billede af stjernerne de målretter mod. De bruger et videolink til at tale med teleskopoperatøren, som vil tilbringe hele natten på topmødet. Ting går så glat, at der ikke er meget at gøre. Teleskopet forbliver låst på det samme sted på himlen i fire timer; laser fungerer fint, og et kamera, der er knyttet til teleskopet, tager en eksponering på 15 minutter efter den anden i en automatiseret rækkefølge. "Dette er næsten den kedeligste iagttagelse der er, " siger University of California i Los Angeles-astronom Mark Morris undskyldende til mig.
Alligevel er der spænding i rummet. Dette team af astronomer, ledet af Andrea Ghez fra UCLA, er i en løbende konkurrence med astronomer ved Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics i Garching, Tyskland. Siden de tidlige 1990'ere har Garching-astrofysiker Reinhard Genzel og hans kolleger undersøgt det sorte hul midt i Mælkevejen ved hjælp af New Technology Telescope og Very Large Telescope array i Chile. Ghez, 45, presser hendes studerende til at få mest muligt ud af hver observationssession på Keck. For seks år siden blev hun valgt til National Academy of Sciences - en ære for nogen, der stadig var i 30'erne. "Det er let at være i forkant med astronomien, hvis du har adgang til de bedste teleskoper i verden, " siger hun.
For næsten ti år siden udledte det amerikanske og det tyske hold uafhængigt af, at kun et kæmpe sort hul kunne forklare stjernernes opførsel ved Mælkevejens kerne. Stjerner, der cirkler en heftig masse - hvad enten det er et sort hul eller en stor stjerne - rejser gennem rummet meget hurtigere end dem, der cirkler om en mindre masse. I visuelle termer skaber den større masse en dybere tragt i rummet, som stjernerne drejer sig omkring; som blade, der cirkler i et boblebad, jo dybere boblebadet, jo hurtigere roterer bladene. Andre astronomer havde set hurtige bevægelser og gasskyer nær centrum af Mælkevejen, så både Ghez og Genzel mistænkte, at en tæt klynge af stof var skjult for synet.
Ved omhyggeligt at samle infrarøde fotografier taget med måneder og år fra hinanden sporet de to hold de inderste stjerner, dem inden for en lysmåned fra galakas centrum. Kombineret er billederne som tid-lapse-film af stjernernes bevægelser. ”Tidligt var det tydeligt, at der var et par stjerner, der bare trækkede, ” minder Ghez. "Det var klart, de var ekstremt tæt på centrum." Noget fangede dem i en dyb boblebad. Et sort hul gjorde det mest fornuftigt.
Clincher kom i 2002, da begge hold skærpede deres billeder ved hjælp af adaptiv optik, teknologi, der kompenserer for atmosfærens slør. Forskerne fulgte stjerner, der kredser farligt tæt på galakseens centrum og fandt, at den hurtigste stjernes tophastighed var 3 procent af lysets hastighed - cirka 20 millioner miles i timen. Det er en overraskende hastighed for en jordklode langt større end vores sol, og den overbeviste selv skeptikerne om, at et supermassivt sort hul var ansvarlig for det.
Uklarheden af Jordens atmosfære har plaget teleskopbrugere siden Galileos første undersøgelser af Jupiter og Saturn for 400 år siden. At se på en stjerne gennem luften er som at se på en krone i bunden af en swimmingpool. Luftstrømme får stjernelyset til at ryste frem og tilbage.
Vores galakse sorte hul udsender røntgenstråler (synliggjort her i et billede fra Chandra-satellitteleskopet), når materien hvirvler mod det. (Marshall Space Flight Center / NASA) I 1990'erne lærte ingeniører at slette forvrængningerne med en teknologi kaldet adaptiv optik; computere analyserer det jitterende mønster af indkommende stjernelys på et millisekund efter millisekundbasis og bruger disse beregninger til at drive et sæt stempler på bagsiden af et tyndt og bøjeligt spejl. Stemplerne bøjer spejlet hundreder af gange hvert sekund og justerer overfladen til at modvirke forvrængningerne og danner et skarpt centralt punkt.
Teknologien havde en stor begrænsning. Computerne havde brug for et klart vejledende lys som et slags referencepunkt. Systemet fungerede kun, hvis teleskopet var rettet tæt på en lys stjerne eller planet og begrænsede astronomer til kun 1 procent af himlen.
Ved at skabe en kunstig ledestjerne uanset hvor det er nødvendigt fjerner Keck Observatoriums laser denne begrænsning. Laserstrålen er indstillet til en frekvens, der lyser op natriumatomer, som efterlades ved opløsning af meteoritter i et lag af atmosfæren. Kecks computere analyserer forvrængningen i luftsøjlen mellem teleskopspejlet og den laser-skabte stjerne.
Inde i teleskopets 101 fod høje kuppel sidder lasersystemet inden for en busstørrelse. Laseren starter med en stormende 50.000 watt strøm, der forstærker lysstrålen i en farvestofopløsning fremstillet af 190-bevis ethanol. Men når lyset justeres til den rigtige farve, og dets energi kanaliseres langs en enkelt sti, aftager dens kraft til ca. 15 watt - stadig lyst nok til at Federal Aviation Administration kræver, at observatoriet skal lukke laseren, hvis en flyvemaskine er forventes at flyve nær dens sti. Fra adskillige hundrede meter væk ser laseren ud som en svag gult blyantstråle. Fra et stykke længere er det slet ikke synligt. Hvad resten af øen angår, er der ingen laserudstilling på Mauna Kea.
At identificere et sort hul er en ting; at beskrive det er en anden. "Det er vanskeligt at male et billede, der vedrører verden, som vi forstår det, uden at bruge matematisk kompleksitet, " siger Ghez en eftermiddag i Keck kontrolcenter. Den næste dag spørger hun sin 6-årige søn, om han ved, hvad et sort hul er. Hans hurtige svar: "Jeg ved ikke, mor. Skal du ikke?"
Mark Morris mener, at "synkehul" er en passende metafor for et sort hul. Hvis du var i rummet i nærheden af det sorte hul, "siger han, " ville du se ting forsvinde i det fra alle retninger. "
Både Ghez og Morris kan lide at forestille sig at se ud fra et sort hul. "Dette er den blomstrende centrum af galaksen sammenlignet med forstæderne, hvor vi er, " siger Ghez. "Stjerner bevæger sig i enorme hastigheder. Du vil se ting ændre sig i en tidsskala på titusinder." Morris henter dette tema. "Hvis du ser på nattehimmelen fra en smuk bjergtop, fjerner det din åndedrag, hvor mange stjerner der er, " siger han. "Multipliser det nu med en million. Det er sådan himlen i det galaktiske centrum ville se ud. Det ville være som en himmel fuld af Jupitere og et par stjerner så lyse som fuldmånen."
I sådan en storslået ramme er fysikens love vidunderligt snoede. Ghez og Morris håber at samle de første beviser for, at stjerner faktisk rejser langs de underlige orbitalstier, der er forudsagt af Einsteins relativitetsteori. I så fald vil hver stjerne spore noget som et mønster fra et Spirograf-tegnet legetøj: en række løkker, der gradvist skifter i position i forhold til det sorte hul. Ghez mener, at hun og hendes kolleger er flere år væk fra at opdage dette skift.
Med hver nye fund bliver Mælkevejens kerne mere forvirrende og fascinerende. Både Ghez og Genzels hold blev forskrækket over at opdage mange massive unge stjerner i det sorte huls kvarter. Der er scoringer af dem, alle bare fem til ti millioner år gamle - spædbørn, i kosmiske termer - og de er omtrent ti gange så massive som vores sol. Ingen er helt sikker på, hvordan de kom så tæt på det sorte hul, eller hvordan de kom til at være. Andetsteds i galaksen kræver drægtigende stjerner en kold, rolig livmoder inden for en stor sky af støv og gas. Den galaktiske kerne er alt andet end rolig: intens stråling oversvømmer området, og det sorte huls tyngdekraft skal makulere gasformige planteskoler, før noget inkuberer der. Som Reinhard Genzel udtrykte det på en konference for flere år siden, har de unge stjerner "ikke nogen ret til at være der." Det er muligt, at nogle af dem blev født længere ud og migreret indad, men de fleste teoretikere synes, de er for unge til det scenarie. Morris mener, at den intense tyngdekraft komprimerer spiralformet gas i en disk omkring det sorte hul og skaber de nye solskin i en type stjernefødsel, der ikke ses i noget andet galaktisk miljø.
Disse unge stjerner vil selvdestrudere et par millioner år fra nu. Og når de gør det, vil de mest massive efterlade små sorte huller. Morris teoretiserer, at hundretusinder af disse sorte huller i stjernemasse, akkumuleret fra tidligere generationer af stjerner, sværmer omkring det centrale, supermassive sorte hul. De sorte huller i stjernemasse er kun ca. 20 mil brede, så kollisioner mellem dem ville være sjældne. I stedet siger Morris, "I vil have sorte huller, der svinger forbi hinanden om natten, og stjerner bevæger sig gennem dette ødelæggelsesderby. En næsten glip mellem et af de sorte huller og en stjerne kunne sprede stjernen i det supermassive sorte hul eller ud af det galaktiske centrum helt. " Teoretikere tror, at det supermassive sorte hul kan gabbe en stjerne en gang i titusinder af år - en begivenhed, der ville oversvømme galakas centrum med stråling. "Det ville være en spektakulær begivenhed, " siger Morris.
Astronomer ser tegn på sådan gabbling, når de undersøger Mælkevejens indre med røntgen- og radioteleskoper, der registrerer chokbølgerne fra tidligere eksplosioner. Kæmpe sorte huller i andre galakser er for langt væk til at astronomer kan studere i en sådan dybde, siger Avi Loeb, direktør for Institute for Theory and Computation ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i Cambridge, Massachusetts. Derfor hænger han på hver annonce fra Ghez- og Genzel-holdene. ”Observatorernes fremskridt på så kort tid har været virkelig bemærkelsesværdige, ” siger han. "Vi teoretikere er alle cheerleaders for dem."
Loeb m.fl. maler et nyt billede af, hvordan universet og dets 100 milliarder galakser udviklede sig siden Big Bang for 13, 7 milliarder år siden. De tror, at alle galakser startede med endnu ikke-forklarede "frø" sorte huller - titusinder af gange solenes masse - som voksede eksponentielt under voldsomme fodringscykler, da galakser kolliderede, hvilket de gjorde hyppigere, da universet var yngre og galakser var tættere på hinanden. I en kollision katapulterer nogle stjerner ud i det dybe rum, og andre stjerner og gasser styrter ned i det nyligt kombinerede sorte hul ved galaksernes centrum. Når det sorte hul vokser, siger Loeb, bliver det til en rasende kvasar med gas opvarmet til milliarder grader. Kvasaren sprænger derefter resten af gassen helt ud af galaksen. Efter at gassen er opbrugt, siger Loeb, "det supermassive sorte hul sidder i midten af galaksen, sovende og sultet."
Det ser ud til, at vores Mælkevej med sit beskedne størrelse, hul, kun har optaget nogle få mindre galakser og aldrig har brændstof til en kvasar. En frygtindgørende kollision vævner imidlertid. Den nærmeste store galakse, kaldet Andromeda, er på en kollisionskurs med Mælkevejen. De to vil begynde at fusionere omkring to milliarder år fra nu og gradvist danne en massiv galakse, som Loeb og hans tidligere Harvard-Smithsonian-kollega TJ Cox kalder "Milkomeda." Galaksenes supermasse centrale sorte huller vil kollidere, fortære torrents af gas og antænde en ny kvasar i kort tid i denne sedate del af universet. "Vi er sene blomstrere i den henseende, " bemærker Loeb. "Det skete med de fleste andre galakser tidligt." (Jorden vil ikke blive smidt ud af solens bane ved kollisionen, og den skal ikke klappes af noget under fusionen. Men der vil være meget flere stjerner på himlen.)
Vores galakse er foruroligende fremtid til side, Loeb håber, at vi snart - måske inden for et årti - får det første billede af Mælkevejenes supermassive sorte hul takket være et voksende globalt netværk af "millimeterbølgeteleskoper". Opkaldt efter bølgelængden af de radiobølger, de registrerer, ser instrumenterne faktisk ikke det sorte hul. Snarere på kort vil de kortlægge skyggen, det kaster på et gardin med varm gas bag det. Hvis alt går godt, har skyggen en karakteristisk form. Nogle teoretikere forventer, at det sorte hul roterer. I så fald vil vores syn på skyggen blive forvrængt til noget i retning af et skævt og kløet teardrop i henhold til den modintuitive trækning af plads, der er forudsagt af Einstein. "Det ville være det mest bemærkelsesværdige billede, vi kunne have, " siger Loeb.
På den fjerde og sidste aften af Ghez's planlagte observationer holder vind og tåge på topmødet Mauna Kea teleskopkupplerne lukkede. Så astronomerne gennemgår deres data fra tidligere nætter. Billeder fra de første to nætter varierede fra godt til fremragende, siger Ghez; den tredje aften var "respektabel". Hun siger, at hun er tilfreds: hendes studerende har nok til at holde dem travlt, og Tuan Do fra University of California i Irvine identificerede et par store, unge stjerner til at føje til holdets analyse. "Jeg føler mig utrolig privilegeret at arbejde på noget, jeg har det meget sjovt ved, " siger Ghez. "Det er svært at tro, at sorte huller virkelig findes, fordi det er sådan en eksotisk tilstand af universet. Vi har været i stand til at demonstrere det, og det finder jeg virkelig dybtgående."
Hun bruger det meste af sin tid på at føre tilsyn med kommandocentret i Waimea, men hun har været på toppen af Mauna Kea for at se laseren i aktion. Når vi taler om det betagende syn, er det klart, at Ghez værdsætter en ironi: astronomer elsker mørket og klager ofte over enhver lyskilde, der kan forstyrre deres observationer. Men her er de, der kaster en lysfyr i himlen for at hjælpe med at belyse det sorteste, som menneskeheden nogensinde kan håbe at se.
Denne historie af Robert Irion vandt American Astronomical Society's David N. Schramm Award for Science Journalism for 2010.
