Editor's Note, 23. september 2008: Smithsonian magazine profilerte astrofysiker Andrea Ghez i april 2008. I dag var Ghez en av 28 mottakere av et prestisjetunge MacArthur genistipend, og erkjente hennes bidrag til studiet av sorte hull i galaksenes utvikling.
Fra denne historien
[×] STENGT
Forskere ledet av Andrea Ghez, en astrofysiker ved UCLA, brukte teleskopbilder tatt fra 1995 om 2006 for å lage denne animasjonen som viser bevegelsen til utvalgte stjerner i sentrum av Melkeveien. Omkringene til disse stjernene, og beregninger foretatt ved bruk av Keplers lover om planetarisk bevegelse, gir det beste beviset ennå for at det eksisterer et svart hull i sentrum av Melkeveien. Spesiell oppmerksomhet er stjerne S0-2, som går i bane rundt det sorte hullet en gang hvert 15, 56 år, og stjerne S0-16, som kommer innenfor 90 astronomiske enheter (avstanden fra jorden til solen) av det sorte hullet
Video: Milky Way Moves
[×] STENGT
Om omtrent fire milliarder år fra nå vil Melkeveien og Andromeda-galaksene krasje sammenVisualisering: NASA, ESA og F. Summers, STScI Simuleringskreditt: NASA, ESA, G. Besla, Columbia University, og R. van der Marel, STScI
Video: Hva skjer når galakser kolliderer?
Relatert innhold
- Inni svarte hull
Fra toppen av Mauna Kea, nesten 14 000 fot over Stillehavet, vipper Melkeveien lysende over nattehimmelen, et synspunkt på galaksen vår. Deler av den store disken er tilslørt av støv, og utover en av de støvete blottene, nær tekannen til stjernebildet Skytten, ligger sentrum av Melkeveien. Skjult er det en dypt mystisk struktur som rundt 200 milliarder stjerner kretser rundt.
Bak meg på toppen av de uklare bergartene i denne sovende vulkanen på øya Hawaii ligger tvillingkupplene til WM Keck-observatoriet. Hver kuppel rommer et teleskop med et gigantisk speil som er nesten 33 fot bredt, og som et flueøye, laget av sammenhengende segmenter. Speilene er blant verdens største for å samle stjernelys, og et av teleskopene er utstyrt med et blendende nytt verktøy som øker sin kraft kraftig. Jeg ser på nærmeste av Melkeveiens grasiøse spiralarmer mens jeg venter på at teknikere skal snu bryteren.
Så, plutselig og med et svakt klikk av en lukker som glir åpen, skyter en gyldenoransj laserstråle inn i himmelen fra den åpne kuppelen. Lysstrålen, 18 tommer bred, ser ut til å ende inne i en av de svarteste flekkene i Melkeveien. Den ender faktisk 55 mil over jordoverflaten. Signalet det lager der gjør at teleskopet kan kompensere for uskarpheten i jordas atmosfære. I stedet for uønskede bilder smurt av de kontinuerlig skiftende luftstrømmene over hodene våre, produserer teleskopet bilder så tydelige som alle satellitter i rommet får. Keck var en av de første observatoriene som ble utstyrt med en laserguide; nå begynner et halvt dusin andre å bruke dem. Teknologien gir astronomer et skarpt syn på galaksens kjerne, der stjerner er pakket så tett som en sommersverm av gnater og virvler rundt det mørkeste stedet av alle: et gigantisk svart hull.
Melkeveiens sorte hull er utvilsomt det merkeligste i vår galakse - et tredimensjonalt hulrom i rommet ti ganger den fysiske størrelsen på solen vår og fire millioner ganger massen, en virtuell bunnløs grop som ingenting slipper ut fra. Det antas at hver eneste større galakse har et svart hull i kjernen. Og for første gang vil forskere kunne studere ødeleggelsene disse ubehagelige enhetene utøver. Gjennom dette tiåret vil Keck-astronomer spore tusenvis av stjerner fanget i alvoret av Melkeveiens sorte hull. De vil prøve å finne ut hvordan stjerner blir født i nærheten, og hvordan de forvrenger stoffets rom. "Jeg synes det er fantastisk at vi kan se stjerner som pisker rundt galaksens svarte hull, " sier Taft Armandroff, direktør for Keck-observatoriet. "Hvis du hadde fortalt meg som hovedfagsstudent at jeg ville se det i løpet av min karriere, ville jeg ha sagt at det var science fiction."
Bevisene for sorte hull er helt indirekte; astronomer har faktisk aldri sett en. Albert Einsteins generelle relativitetsteori forutså at alvoret i et ekstremt tett legeme kunne bøye en lysstråle så alvorlig at den ikke kunne unnslippe. For eksempel, hvis noe med massen av solen vår ble krympet inn i en ball halvannen kilometer i diameter, ville det være tett nok til å felle lys. (For at Jorden skal bli et svart hull, må massen komprimeres til størrelsen på en erter.)
I 1939 beregnet J. Robert Oppenheimer, mannen som ble kreditert for å utvikle atombomben, at en slik drastisk kompresjon kunne skje med de største stjernene etter at de gikk tom for hydrogen og annet drivstoff. Når stjernene sprutet ut, Oppenheimer og en kollega stilte, ville den gjenværende gassen kollapse på grunn av sin egen tyngdekraft til et uendelig tett punkt. Teleskopobservasjoner på 1960- og 1970-tallet støttet teorien. Noen få forskere antydet at den eneste mulige kraftkilden for noe så lysende som kvasarer - ekstremt lyse beacons milliarder av lysår unna - ville være en konsentrasjon av millioner av soler trukket sammen av det forskerne senere kalte et supermassivt svart hull. Astronomer fant da stjerner som så ut til å piske rundt usynlige enheter i Melkeveien vår, og de konkluderte med at bare tyngdekraften fra små sorte hull - som inneholdt flere ganger solenes masse og kjent som stjernemassehull - kunne holde stjernene i så trange baner.
Hubble-romteleskopet ga bevisene for sorte hull på 1990-tallet ved å måle hvor raskt de innerste delene av andre galakser roterer - opptil 1, 1 millioner kilometer i timen i store galakser. De oppsiktsvekkende hastighetene pekte på kjerner som inneholder opptil en milliard ganger solens masse. Oppdagelsen av at supermassive sorte hull er kjernen i de fleste, om ikke alle, galakser, var en av Hubbles største prestasjoner. "I begynnelsen av Hubble-undersøkelsen, ville jeg sagt at sorte hull er sjeldne, kanskje en galakse i 10 eller 100, og at noe gikk galt i historien til den galaksen, " sier Hubble-forsker Douglas Richstone ved University of Michigan. "Nå har vi vist at de er standardutstyr. Det er det mest bemerkelsesverdige."
Selv fra Hubble forble imidlertid Melkeveiens kjerne unnvikende. Hvis galaksen vår hadde et supermassivt svart hull, var det stille, og manglet energiene til å se fra andre. Hubble, som ble betjent og oppgradert for siste gang i 2009, kan spore grupper av stjerner nær sentrum av fjerne galakser, men på grunn av den smale synsvinkelen og galakas tykke støvskyer, kan den ikke ta den samme typen bilder i galaksen vår. En annen tilnærming ville være å spore individuelle stjerner i det sorte hullets nærhet ved hjelp av infrarødt lys, som beveger seg gjennom støv, men stjernene var for svake og for overfylte til at de fleste bakkebaserte teleskoper kunne løse seg. Fortsatt våget noen astronomer på 1990-tallet at observasjoner av Melkeveiens kjerne kan være mulig. Deretter kan en rekke fristende spørsmål tas opp: Hvordan lever og dør stjerner i den ville omgivelsen? Hva bruker et svart hull? Og kan vi være vitne i hjertet av Melkeveien til det skjevt rom og tid som Einstein forutslo for nesten et århundre siden?
Keck kontrollrom ligger 20 miles fra teleskopet, i gårdsbyen Waimea. For forskerne der er den spektakulære laseren bare synlig som en avtagende stråle på en dataskjerm. Astronomene sjekker notatbøkene sine og ser på skjermer fulle av data fra teleskopet, væravlesninger og det siste bildet av stjernene de retter seg mot. De bruker en videolink for å snakke med teleskopoperatøren, som skal tilbringe hele natten på toppen. Ting går så greit at det ikke er mye å gjøre. Teleskopet vil forbli låst på samme sted på himmelen i fire timer; laser fungerer bra, og et kamera festet til teleskopet tar en 15-minutters eksponering etter den andre i en automatisert sekvens. "Dette er omtrent den kjedeligste observasjonen det er, " sier University of California i Los Angeles-astronom Mark Morris unnskyldende.
Likevel er det spenning i rommet. Dette teamet med astronomer, ledet av Andrea Ghez fra UCLA, er i en pågående konkurranse med astronomer ved Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics i Garching, Tyskland. Siden begynnelsen av 1990-tallet har Garching-astrofysiker Reinhard Genzel og hans kolleger studert det sorte hullet i midten av Melkeveien ved hjelp av New Technology Telescope og Very Large Telescope array i Chile. Ghez, 45, presser studentene sine til å få mest mulig ut av hver observasjonssamling på Keck. For seks år siden ble hun valgt til National Academy of Sciences - en ære for noen fremdeles i 30-årene. "Det er lett å være i forkant av astronomien hvis du har tilgang til de beste teleskopene i verden, " sier hun.
For nesten et tiår siden dedikerte det amerikanske og det tyske teamet uavhengig av at bare et gigantisk svart hull kunne forklare atferden til stjerner i Melkeveiens kjerne. Stjerner som sirkler en heftig masse - enten det er et svart hull eller en stor stjerne - ferdes mye raskere gjennom rommet enn de som sirkler om en mindre masse. I visuelle termer skaper den større massen en dypere trakt i romets stoff som stjernene dreier seg rundt; som blader som sirkler i et boblebad, jo dypere boblebad, jo raskere snurrer bladene. Andre astronomer hadde sett raskt bevegelige stjerner og skyer av gass nær sentrum av Melkeveien, så både Ghez og Genzel mistenkte at en tett klynge av materie var skjult for synet.
Ved å møysommelig sammenstille infrarøde fotografier som er tatt med måneder og år fra hverandre, sporet de to teamene de innerste stjernene, de som er innenfor en lysmåned fra galakas sentrum. Kombinert er bildene som tid-forfall-filmer av stjernenes bevegelser. "Det var tidlig klart at det var noen få stjerner som bare dro, " husker Ghez. "Klart at de var ekstremt nær sentrum." Noe fanget dem i et dypt boblebad. Et svart hull var mest fornuftig.
Clincher kom i 2002, da begge lag skjerpet bildene sine ved hjelp av adaptiv optikk, teknologi som kompenserer for atmosfærens uskarphet. Forskerne fulgte stjerner som kretser farlig i nærheten av galakas sentrum og fant at den raskeste stjernens toppfart var 3 prosent av lysets hastighet - omtrent 20 millioner kilometer i timen. Det er en oppsiktsvekkende hastighet for en jordklode som er langt større enn solen vår, og den overbeviste selv skeptikerne om at et supermassivt svart hull var ansvarlig for det.
Uklarheten i jordens atmosfære har plaget teleskopbrukere siden Galileos første studier av Jupiter og Saturn for 400 år siden. Å se på en stjerne gjennom luften er som å se på en krone på bunnen av et svømmebasseng. Luftstrømmer får stjernelyset til å rase frem og tilbake.
Svart galaksjens sorte hull avgir røntgenstråler (synliggjort her i et bilde fra Chandra-satellitteleskopet) når materien virvler mot den. (Marshall Space Flight Center / NASA) På 1990-tallet lærte ingeniører å slette forvrengningene med en teknologi som kalles adaptiv optikk; datamaskiner analyserer det jitterende mønsteret av innkommende stjernelys på et millisekund etter millisekund-basis og bruker disse beregningene til å drive et sett med stempler på baksiden av et tynt og bøyelig speil. Stempelene bøyer speilet hundrevis av ganger hvert sekund, og justerer overflaten for å motvirke forvrengningene og danner et skarpt sentralt punkt.
Teknologien hadde en hovedbegrensning. Datamaskinene trengte et klart veiledende lys som et slags referansepunkt. Systemet fungerte bare hvis teleskopet var rettet nær en lys stjerne eller planet, og begrenset astronomer til bare 1 prosent av himmelen.
Ved å lage en kunstig ledestjerne uansett hvor den trengs, fjerner Keck Observatoriums laser den begrensningen. Laserstrålen er innstilt på en frekvens som lyser opp natriumatomer, som etterlates av desintegrerende meteoritter i et lag av atmosfæren. Kecks datamaskiner analyserer forvrengningen i kolonnen med luft mellom teleskopspeilet og den laserskapte stjernen.
Inne i teleskopets 101 fot høye kuppel, sitter lasersystemet innenfor et busshjørne. Laseren starter med en tøffende 50.000 watt kraft, som forsterker lysstrålen i en fargestoffløsning laget av 190-bevis etanol. Men når lyset blir justert til riktig farge og energien kanaliseres langs en enkelt bane, synker kraften til omtrent 15 watt - fremdeles lyst nok til at Federal Aviation Administration krever at observatoriet skal stenge laseren hvis et fly er forventet å fly nær banen. Fra flere hundre meter unna ser laseren ut som en svak amber blyantstråle. Fra et stykke lenger er det ikke synlig i det hele tatt. For resten av øya er det ingen lasershow på Mauna Kea.
Å identifisere et svart hull er en ting; å beskrive det er en annen. "Det er vanskelig å male et bilde som forholder seg til verden slik vi forstår det, uten å bruke matematisk kompleksitet, " sier Ghez en ettermiddag på Keck kontrollsenter. Dagen etter spør hun sin 6 år gamle sønn om han vet hva et svart hull er. Hans raske svar: "Jeg vet ikke, mamma. Burde du ikke det?"
Mark Morris mener at "synkehull" er en passende metafor for et svart hull. Hvis du var i rommet i nærheten av det sorte hullet, "sier han, " ville du se ting forsvinne i det fra alle retninger. "
Både Ghez og Morris kan tenke seg å se ut fra et svart hull. "Dette er den blomstrende sentrum av galaksen, sammenlignet med forstedene der vi er, " sier Ghez. "Stjerner beveger seg i enorme hastigheter. Du vil se ting forandre seg i en tidsskala på flere titalls minutter." Morris tar opp dette temaet. "Hvis du ser på nattehimmelen fra en vakker fjelltopp, tar den pusten fra deg hvor mange stjerner det er, " sier han. "Multipliser det nå med en million. Det er slik himmelen i det galaktiske senteret ville se ut. Det ville være som en himmel full av Jupiters, og noen få stjerner så lyse som fullmånen."
I en så fantastisk setting er fysikkens lover fantastisk vridd. Ghez og Morris håper å samle de første bevisene på at stjerner faktisk reiser langs de rare banebanene som er forutsagt av Einsteins relativitetsteori. I så fall vil hver stjerne spore noe som et mønster fra et Spirograf-tegnetøy: en serie løkker som gradvis skifter i stilling i forhold til det sorte hullet. Ghez tror hun og kollegene er flere år unna å oppdage det skiftet.
Med hvert nye funn blir Melkeveiens kjerne mer forvirrende og fascinerende. Både Ghez og Genzels lag ble forskrekket til å oppdage mange massive unge stjerner i det sorte hullets nabolag. Det er mange av dem, alle bare fem til ti millioner år gamle - spedbarn, i kosmiske termer - og de er omtrent ti ganger så store som vår sol. Ingen er helt sikre på hvordan de kom så nær det svarte hullet eller hvordan de ble. Andre steder i galaksen krever bevegelsesstjerner en kald, rolig livmor i en stor sky av støv og gass. Den galaktiske kjernen er alt annet enn rolig: intens stråling oversvømmer området, og det sorte hullets tyngdekraft skal strimle gassformede gartnerier før noe ruger seg der. Som Reinhard Genzel uttrykte det på en konferanse for flere år siden, har de unge stjernene "ingen jævla rett til å være der." Det er mulig noen av dem ble født lenger ut og migrert innover, men de fleste teoretikere tror de er for unge til det scenariet. Morris tror den intense tyngdekraften komprimerer spiralgass inn i en skive rundt det sorte hullet, og skaper de nye solene i en type stjernefødsel som ikke sees i noe annet galaktisk miljø.
Disse unge stjernene vil selvdestruere noen millioner år fra nå. Og når de gjør det, vil de mest massive etterlate seg små sorte hull. Morris teoretiserer at hundretusener av disse stjernemasse sorte hullene, akkumulert fra tidligere generasjoner av stjerner, svermer rundt det sentrale, supermassive sorte hullet. De sorte hullene i stjernemassen er bare rundt 20 mil brede, så kollisjoner mellom dem ville være sjeldne. I stedet sier Morris: "Du vil ha svarte hull som svinger forbi hverandre om natten, og stjerner som beveger seg gjennom dette ødeleggelsesderbyet. En nær glipp mellom et av de svarte hullene og en stjerne kan spre stjernen i det supermassive svarte hullet helt ut av det galaktiske sentrum. " Teoretikere tror at det supermassive, svarte hullet kan gnage en stjerne hver titusenvis av år - en hendelse som ville oversvømme galakas sentrum med stråling. "Det ville være en spektakulær hendelse, " sier Morris.
Astronomer ser tegn til slik søppel når de undersøker Melkeveiens indre med røntgen- og radioteleskoper, som oppdager sjokkbølgene fra tidligere eksplosjoner. Gigantiske sorte hull i andre galakser er for langt unna for at astronomer kan studere i en slik dybde, sier Avi Loeb, direktør for Institute for Theory and Computation ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i Cambridge, Massachusetts. Derfor henger han på hver kunngjøring fra Ghez og Genzel-teamene. "Fremskrittene gjort av observatørene på så kort tid har vært virkelig bemerkelsesverdige, " sier han. "Vi teoretikere er alle cheerleaders for dem."
Loeb og andre maler et nytt bilde av hvordan universet og dets 100 milliarder galakser utviklet seg siden Big Bang for 13, 7 milliarder år siden. De tror at alle galakser startet med ennå ikke-forklarte "frø" svarte hull - titusenvis av ganger solenes masse - som vokste eksponentielt under voldelige fôringssykluser når galakser kolliderte, noe de gjorde oftere da universet var yngre og galakser var tettere sammen. I en kollisjon katapulerer noen stjerner i dype rom og andre stjerner og gasser stuper ned i det nykombinerte sorte hullet i galaksenes sentrum. Når det svarte hullet vokser, sier Loeb, blir det til en rasende kvasar med gass oppvarmet til milliarder grader. Kvasaren sprenger deretter resten av gassen ut av galaksen helt. Etter at gassen er tømt, sier Loeb, "det supermassive sorte hullet sitter i sentrum av galaksen, sovende og utsultet."
Det ser ut til at Melkeveien vår, med sitt beskjedne sorte hull, har absorbert bare noen få mindre galakser og aldri har drevet en kvasar. En fryktinngripende kollisjon vevler imidlertid. Den nærmeste store galaksen, kalt Andromeda, er på kollisjonskurs med Melkeveien. De to vil begynne å slå seg sammen om lag to milliarder år fra nå, og gradvis danne en massiv galakse som Loeb og hans tidligere Harvard-Smithsonian-kollega TJ Cox kaller "Milkomeda." Galaksenes supermassive sentrale sorte hull vil kollidere, sluke strømmer av gass og antenne en ny kvasar i kort tid i denne beroligede delen av universet. "Vi er sent blomstrende i den forbindelse, " bemerker Loeb. "Det skjedde med de fleste andre galakser tidlig." (Jorden vil ikke bli kastet ut av solens bane ved kollisjonen, og den skal ikke slås av noe under fusjonen. Men det vil være mange flere stjerner på himmelen.)
Loeben håper den forstyrrende fremtiden til side, og håper at snart - kanskje i løpet av et tiår - får vi det første bildet av Melkeveiens supermassive sorte hull, takket være et voksende globalt nettverk av "millimeterbølgeteleskoper". Instrumenterne vil ikke bli navngitt for bølgelengden til radiobølgene de oppdager, og ser faktisk ikke det sorte hullet. Snarere, på konsert vil de kartlegge skyggen det kaster på et gardin med varm gass bak seg. Hvis alt går bra, vil skyggen ha en særegen form. Noen teoretikere forventer at det sorte hullet snurrer. I så fall vil vårt syn på skyggen bli forvrengt til noe som en skjeve og klemmet tårn, i samsvar med den motintuitive draingen av plassen som Einstein har spådd. "Det ville være det mest bemerkelsesverdige bildet vi kunne ha, " sier Loeb.
Den fjerde og siste natten av Ghez planlagte observasjoner holder vind og tåke på toppmøtet i Mauna Kea teleskopkuplene lukket. Så astronomene gjennomgår dataene sine fra tidligere netter. Bilder fra de to første nettene varierte fra gode til utmerkede, sier Ghez; den tredje natten var "respektabel." Hun sier at hun er tilfreds: studentene hennes har nok til å holde dem opptatt, og Tuan Do fra University of California i Irvine identifiserte noen store, unge stjerner som kan legges til teamets analyse. "Jeg føler meg utrolig privilegert som får jobbe på noe jeg har det veldig gøy med, " sier Ghez. "Det er vanskelig å tro at sorte hull virkelig eksisterer, fordi det er en så eksotisk tilstand av universet. Vi har vært i stand til å demonstrere det, og jeg synes det er virkelig dyptgripende."
Hun bruker mesteparten av tiden sin på å føre tilsyn med kommandosenteret på Waimea, men hun har vært på toppen av Mauna Kea for å se laseren i aksjon. Når vi snakker om det fascinerende synet, er det tydelig at Ghez setter pris på en ironi: astronomer elsker mørket og klager ofte over hvilken som helst lyskilde som kan forstyrre observasjonene deres. Likevel her er de og kaster et lysfyr inn i himmelen for å belyse det svarteste menneskeheten noensinne kan håpe å se.
Denne historien av Robert Irion vant American Astronomical Society's David N. Schramm Award for Science Journalism fra 2010.
