Teoretický fyzik sa ponorí do čiernych dier

Teoretický fyzik sa ponorí do čiernych dier

V strede takmer každej galaxie sa skrýva hladná čierna diera.

Niektoré môžu byť milióny až miliardy krát väčšie ako hmotnosť nášho slnka. Umožňuje im to ich silné gravitačné pole pohltiť blízkych planét, plynu a hviezd. Intenzívnemu ťahu membrány neunikne ani rýchlosť svetlačiernej diery alebo horizontu udalostí – čo výskumníci často označujú ako bod, odkiaľ niet návratu .



Priyamvada Natarajan. Kredit: G.A. Miller

Napriek ich množstvu a hroziacej prítomnosti vo vesmíre zostávajú tieto masívne majestátne objekty pre astrofyzikov bezodnou záhadou.

'Sú to najzáhadnejšie objekty vo vesmíre,' Priyamvada Natarajan , teoretický astrofyzik z Yale University, povedal Science Friday v predchádzajúcom rozhovore . „Sú to šialene cool predmetyvzhľadom na to, čo robia so svetlom, čo robia s hmotou okolo seba a tak ďalej... Sú to tie najzvláštnejšie predmety.“

[ Vedci z LIGO zaznamenali ďalšiu kozmickú zrážku. ]

Tieto nepolapiteľné vlastnosti sú to, čo lákaNatarajan do hlbokého konca výskumu čiernych dier a temnej hmoty. Science Friday zastihol Natarajana, aby sa jej opýtal, prečo prepadla čiernym dieram, ako formujú galaxie, jej obľúbené zobrazenia v televízii a vo filme, aplikovanie filozofie na astronomické otázky a ako vedia tancovať tango.

Ako ste sa začali zaujímať o štúdium čiernych dier?
Vždy som bol v úžase z tajomného a záhadného. Pocit tajomstva spojený s nedostatkom úplného porozumenia ma priťahuje k štúdiu nepolapiteľných javov vo vesmíre. To, čo sa zdá byť len trochu mimo dosahu z hľadiska abstraktnosti a ťažko pochopiteľného, ​​láka. V skutočnosti je to úplne ľudský inštinkt; všetci sme zvedaví na čierne diery, pretože sú také výnimočné.

'Vždy som bol v úžase z tajomného a záhadného.'

Čierne diery majú tento bizarný región nazývaný horizont udalostí, ktorý podľa všetkého označuje hranicu medzi poznateľným a nepoznateľným, čo osobne považujem za veľmi zaujímavé. Čierne diery a temná hmota – dve kľúčové oblasti výskumu, na ktorých pracujem – sú vzrušujúce veľmi podobným spôsobom ako mňa: Máme mnoho riadkov nezávislých dôkazov, ktoré odhaľujú ich existenciu nepriamo (keďže ich nemožno priamo zmapovať), no ich skutočná povaha zostáva zachovaná. momentálne nepolapiteľný. Je to práve ten druh výzvy, ktorá ma priťahuje.

Prečo čierne diery vzbudzujú taký záujem medzi výskumníkmi a verejnosťou?
Za posledných 50 rokov sa čierne diery zmenili z exotickej matematickej kuriozity, riešenia zložitej rovnice, na triedy skutočných astronomických objektov, ktorých prítomnosť možno odvodiť nepriamo. Podľa nášho rýchlo sa rozvíjajúceho súčasného chápania sa čierne diery v skutočnosti posunuli z okrajových na hranie kľúčovej úlohy pri modulácii zhromaždenia hviezd v galaxiách, ktoré obývajú vesmír.

Čierne diery zaznamenali veľké oživenie z hľadiska výskumu vďaka veľkej konvergencii v našom teoretickom chápaní, bohatstvu pozorovacích údajov a sofistikovanosti výpočtových metód dostupných na ich modelovanie. Toto zosúladenie rôznych prístupov k vedeckému pochopeniu čiernych dier je v pohybe už približne dve desaťročia. Samozrejme, nedávny veľkolepý objav gravitačných vĺn z kolízií čiernych dier, ktorý ohlásila spolupráca LIGO, bol symbolom tejto konvergencie. Existuje veľa nových vzrušujúcich údajov o čiernych dierach, ktoré v súčasnosti zhromažďujeme o blízkych spiacich supermasívnych čiernych dierach číhajúcich v centrách galaxií, o vzdialených aktívne vyživujúcich čiernych dierach žiariacich ako kvazary a, samozrejme, o čiernej diere hostenej v stred našej galaxie.

[ Roger Penrose sa zamýšľa nad momentom, kedy sa čierne diery dostali do hlavného prúdu. ]

Čo sa týka záujmu zvedavej verejnosti, čierne diery vždy ovládali populárnu predstavivosť vzhľadom na ich bizarné vlastnosti, medzi ktoré patrí predovšetkým to, že sú to extrémne objekty, ktoré znamenajú bod, z ktorého niet návratu ani pre svetlo!

V staršom rozhovore Science Friday o detekcii tretej gravitačnej vlny ste porovnať zlúčenie čiernych dier do akéhosi „tanga“. Prečo je fenomén ako tanec?
Proces splynutia dvoch čiernych dier je spočiatku pomalý tanec, ktorý naberá na intenzite ako tango. Začínajú zachytení v zovretí ich vzájomnej gravitačnej príťažlivosti ako viazaný pár a začínajú okolo seba obiehať. Potom sa postupne priťahujú bližšie a bližšie k sebe až do kritickej vzdialenosti, v ktorej sú deformácie v časopriestore generované zmenšujúcou sa vzdialenosťou také extrémne, že sa začínajú objavovať prvé otrasy v časopriestore – gravitačné vlny. vyrobené.

Tieto dve čierne diery tancujú tango. Kredit: LIGO Lab Caltech/ MIT/SXS

Keď je vyžarovaná prvá kaskáda vĺn, znamená to, že uhlová hybnosť alebo rotácia na ich obežnej dráhe sa začína efektívne vyhadzovať, čím sa približujú k bližšiemu objatiu a v konečnom dôsledku im to umožňuje čelnú zrážku.

V mnohých filmoch sú čierne diery zobrazené ako niečo monštruózne a desivé. Prečo získali túto povesť? Myslíte si, že sa tento obraz mení?
Ešte predtým, ako bola objavená vedecká myšlienka čiernej diery, sa vo verejnej sfére používal termín „čierna diera“. Má strašnú históriu. Pôvod tohto výrazu možno hľadať v žalári v indickej Kalkate, kde 20. júna 1756 zajatí vojaci uväznili a cez noc zomreli. Toto strašné väzenie, bod, odkiaľ niet návratu, bolo označené ako čierna diera. Je zvláštne, že sa to, samozrejme, ukazuje ako výstižná a presná definícia astrofyzikálnych čiernych dier. Nie je prekvapením, že výraz čierna diera znamenal hrôzu. (Ak vás zaujíma pôvod tohto výrazu a jeho rôzne použitie v beletrii a popkultúre, pozrite si moju najnovšiu knihu Mapovanie neba: Radikálne vedecké myšlienky, ktoré odhaľujú vesmír ).

'Čierne diery sa v skutočnosti zmenili z okrajových na hranie kľúčovej úlohy pri modulácii zhromaždenia hviezd v galaxiách, ktoré obývajú vesmír.'

Ich neviditeľnosť spojená s ich zvláštnymi vlastnosťami podnietili fantáziu filmárov a spisovateľov. Najnovší film Christophera Nolana, Interstellar , v skutočnosti ide nad rámec jednoduchého zobrazovania čiernych dier ako príšerných a strašidelných. V tomto filme vesmírni prieskumníci využívajú obrovskú gravitáciu supermasívnej čiernej diery Gargantua, aby ich pohnali do novších vzdialenejších svetov. Toto je určite príklad toho, ako boli bizarné vlastnosti čiernych dier nasadené konštruktívnym a dômyselným spôsobom.

Ale najčastejšie sa čierne diery používajú na strašenie a na zobrazenie nepredstaviteľnej hrôzy, môžem dodať, že pomerne úspešne. Napríklad ďalší príklad, kde boli čierne diery použité nápadito, je v mojom obľúbenom anime seriáli, manga Rumiko Takahashi, Inuyasha . Tu je ruka hlavného hrdinu Miroku prekliata svojimi predkami a premení sa na čiernu dieru – aerodynamický tunel – ktorý ničí všetko a všetko, s čím sa stretne. To samozrejme so sebou nesie riziko prehltnutia samotného Miroku!

[ Výskumníci sledujú svetlo, aby zmapovali kozmickú temnotu. ]

Na štúdium čiernych dier používate ohyb svetla. Prečo je také ťažké si ich predstaviť?
V dôsledku obrovskej gravitácie čiernych dier dopadajú na dráhy svetelných lúčov, ktoré sa blúdia blízko. Ak sa svetelné lúče nebezpečne priblížia alebo preniknú k horizontu udalostí, čierna diera ich úplne zastaví. Ak sa však tesne približujú vo vzdialenosti označovanej ako polomer fotónu (umiestneného mimo horizontu udalostí), gravitácia čiernej diery ich ohne. Ohýbanie je také extrémne, že by zodpovedalo tomu, že by sme mohli vidieť zadnú stranu čiernej diery. Je ťažké vypočítať toto silné ohýbanie, ktoré by sa vytvorilo vo zväzku svetelných lúčov, a vizuálne ho znázorniť. Toto bolo vykreslené presne a krásne vizualizované Interstellar .

Toto je variant akrečného disku čiernej diery Gargantua videný v Interstellar navrhnutý spoločnosťou Double Negative Visual Effects, ktorá na filme pracovala. Kredit: Dvojité negatívne vizuálne efekty/© Warner Bros. Entertainment Inc./CC BY-NC-ND 3.0

Čo nám môže povedať povaha a dynamika čiernych dier o našom vesmíre?
Povaha a dynamika čiernych dier nám veľa hovorí o úlohe, ktorú zohrávajú pri modulácii formovania galaxií. Aktívne čierne diery, kvazary, ktoré sú viditeľné vďaka žiareniu v padajúcom plyne, budú pravdepodobne hrať hlavnú úlohu pri riadení tvorby hviezd v galaxii.

Kvazary, majáky vesmíru, možno odhaliť až do najvzdialenejších končín vesmíru a môžu odhaliť, keď sa vo vesmíre rozsvietili prvé štruktúry. Zatiaľ čo čierne diery významne neprispievajú k celkovej hmotnej zásobe vesmíru, energia produkovaná umierajúcimi vzdychmi plynu a hviezd, ktoré padajú do čiernych dier, je značná. Detekcia gravitačných vĺn zo zlučovania čiernych dier dokázala, že naše koncepčné chápanie a rámec, ktorý sme vyvinuli na štúdium vesmíru a jeho obsahu – Einsteinova teória všeobecnej relativity – sú overené.

[ Oslavujeme 100 rokov všeobecnej teórie relativity. ]

Teraz, samozrejme, ako vedci je našou snahou posunúť presnosť našich súčasných meraní a zistiť, či táto teória stále funguje, keď máme lepšie a kvalitnejšie údaje. Bolo by vzrušujúce, keby sa v teórii objavili nejaké nové trhliny a objavili sa nejaké pozorovacie anomálie. Často sa tak otvárajú dvere úplne novej teórii, ktorá ponúka komplexnejšie vysvetlenie. Na druhej strane sa môže ukázať, že Einsteinova teória všeobecnej relativity naďalej poskytuje presný popis údajov a nášho vesmíru.

Aké sú najväčšie nedorozumenia týkajúce sa čiernych dier?
Nie som si celkom istý, o aké nedorozumenie ide, ale určite existujú nepríjemné otázky – nepríjemné, pretože na ne zatiaľ nemáme vedecké odpovede. Niektoré populárne: Čo sa skutočne stane s hmotou a svetlom, keď prekročia horizont udalostí? Čo sa stane s ich energiou a informáciami? A ak je singularita skutočne trhlinou v časopriestore, kam to vedie? Červí diera do iného vesmíru?

Toto sú otázky, ktoré sú na vrchole vedeckého výskumu a sú aktívnymi oblasťami výskumu. Dúfajme, že tieto otázky sa stanú otázkami, na ktoré budeme môcť v nasledujúcich rokoch skutočne odpovedať a nie len špekulovať.

[ Astronómovia sa hrajú na schovávačku so supermasívnymi čiernymi dierami. ]

Časť svojej akademickej kariéry ste strávili aj štúdiom filozofie. Ako to ovplyvňuje vaše chápanie a prístup k vášmu astrofyzickému výskumu?

Dynamika čiernych dier hrá úlohu pri formovaní nespočetných galaxií vo vesmíre. Kredit: NASA, ESA a tím HST Frontier Fields (STScI), Poďakovanie: Judy Schmidt

Začal som robiť doktorát z histórie a filozofie vedy na programe Science, Technology and Society (STS) na Massachusetts Institute of Technology, kde som bol študentom. Chcel som byť novým druhom intelektuálne angažovaného vedca, niekým, kto by pracoval na hraniciach astrofyziky a zároveň by sa hlbšie a širšie zamýšľal nad myšlienkami, ktoré formovali moju vedeckú prácu. Vždy ma zaujímal proces vedy, ako aj obsah vedy. Takže v mladosti som si myslel, že potrebujem dvoch doktorátov, jedného v STS a jedného v astrofyzike. Po absolvovaní kurzu, v STS a učení sa čítať a písať (na rozdiel od počítania... to je narážka na klasický MIT-Harvardský vtip študenta s košíkom potravín pri pokladni iba s piatimi položkami v miestnom Stop & Shop). ), kvalifikoval som sa na doktorandské štúdium, môj plán bol potom začať doktorát z astrofyziky, dokončiť ho a potom sa vrátiť a dokončiť ten STS. No, život je zvláštny a čarovný, skončil som tak, že som dokončil doktorát. na Institute of Astronomy v Cambridge (Spojené kráľovstvo) a môj astrofyzikálny výskum a kariéra sa rozbehli, takže som sa už nikdy nepozrel späť. Stále som ABD (všetko okrem dizertačnej práce) na MIT STS!

'Spojenie medzi týmito dvoma rozdielnymi svetonázormi mi umožnilo precvičiť posudzovanie a hodnotenie myšlienok súčasne ako zasvätenca a outsidera.'

Avšak to, čo mi toto postgraduálne štúdium v ​​oblasti humanitných vied dalo, je podrobnejšie pochopenie toho, ako veda funguje. Tiež to nevyhnutne ovplyvnilo môj prístup k problémom vo svojom vedeckom výskume. Ešte hlbší účinok bol však jeho dopad na moje osobné intelektuálne hľadanie – hľadám široké a hlboké pochopenie všetkého, na čom pracujem, a toto interdisciplinárne pôsobenie mi pomohlo vybudovať si silu a odbornosť v konkrétnej forme práce, ktorá sa vyznačuje syntézou myšlienok, ktoré sa spočiatku javia ako nesúrodé a oddelené.

Spojenie týchto dvoch odlišných svetonázorov mi umožnilo precvičiť si posudzovanie a hodnotenie myšlienok súčasne ako zasvätenca a outsidera. Stáž na MIT STS mi tiež pomohla stať sa oveľa lepším spisovateľom. Vždy som chcel písať pre zvedavú verejnosť, ako aj pre svojich kolegov z vedy.



Aké ďalšie záhady by ešte chceli vyriešiť o čiernych dierach?
Pre mňa osobne je momentálne najvzrušujúcejšia otázka týkajúca sa pôvodu prvých čiernych dier. Toto sú takzvané „zárodkové čierne diery“, z ktorých sa nakoniec stali supermasívne čierne diery, ktoré sa teraz zdajú byť v strede takmer každej galaxie vrátane našej.

Asi pred desiatimi rokmi sme v sérii článkov navrhli, že by mohla existovať alternatívna cesta na vytvorenie týchto počiatočných čiernych dier. Tvrdili sme, že okrem smrti prvých hviezd by dostupné podmienky v ranom vesmíre umožnili vytvorenie úplne novej triedy masívnejších semien čiernych dier. Tento nový kanál by spôsobil priamy kolaps semien čiernych dier, ktoré by boli vzácnejšie, ale extrémne masívne (asi 10 000 – 100 000-násobok hmotnosti nášho Slnka) hneď od začiatku.

[ Fyzici odhaľujú záhady čiernych dier. ]

Masívne skoré semená sú mimoriadne užitočné na vysvetlenie ultramasívnych čiernych dier (s hmotnosťou presahujúcou niekoľko miliárd slnečných hmôt), ktoré, ako sa zdá, poháňajú najvzdialenejšie a najjasnejšie kvazary zistené vo veľmi ranom vesmíre, dosť nepríjemne krátko po Veľkom tresku. Rýchle vytváranie zárodkov masívnych čiernych dier vo veľmi ranom vesmíre nám umožňuje vysvetliť históriu montáže najmasívnejších čiernych dier, ktoré boli dnes zistené, pretože je to kľúčový kúsok skladačky rastu čiernych dier. Túto myšlienku masívnych zárodkov čiernych dier bude testovať nadchádzajúca satelitná misia James Webb Space Telescope, ktorej spustenie je naplánované na budúci rok. Existujú veľmi konkrétne predpovede toho, čo by mali prístroje na palube Jamesa Webba vidieť.

Bolo by úžasné, keby sa detegovali podpisy týchto semien. Bolo by samozrejme vzrušujúce, keby sa podarilo odhaliť čierne diery s priamym kolapsom, čo by túto myšlienku potvrdilo, ale stále by bolo vzrušujúce, keby bola definitívne vyvrátená. Nikdy predtým v histórii nemohli byť nové myšlienky testované tak rýchlo. Je tak zábavné robiť vedu v tejto rýchlo sa rozvíjajúcej epoche, keď v priebehu života môžu byť nové myšlienky hodnotené a akceptované alebo odmietnuté.

Čo vás vzrušuje o budúcnosti kozmológie a astrofyziky?
Za vzrušujúce považujem výskum základných otázok v kozmológii, ktoré sú charakteristické pre naše chápanie tohto vesmíru a ako sme sa sem dostali. Ako som už spomenul, je to dosť zvláštny čas v kozmológii, pretože sofistikovanosť našich myšlienok a nástrojov sa konečne zosúladila a to umožňuje zrýchlené tempo objavov. Množstvo údajov, ktoré v súčasnosti máme a ktoré sa čoskoro očakávajú z množstva nových observatórií a prístrojov na zemi a vo vesmíre, ponúkajú nové testy našich teórií. Vzrušenie spočíva v tom, že nevieme, čo môžeme odhaliť.

Ktovie, čo čaká. Neustále si pripomínam, že len pred 100 rokmi sme nevedeli o existencii iných galaxií. Náš kozmický pohľad bol obmedzený len na Mliečnu dráhu. Možno v najbližších 100 rokoch odhalíme vierohodné dôkazy o existencii iných vesmírov! Predtým si myslím, že pravdepodobne zistíme, že nie sme sami vo vesmíre, možno ani iná inteligentná civilizácia, ako je tá naša, ale určite nejaká forma života inde. Cítim sa tak vďačný a šťastný, že teraz žijem a že mám tú česť venovať sa vede.

Oprava,  21. august 2017: V staršej verzii tohto článku sa uvádzalo, že dátumom uväznenia vojakov v čiernej diere Kalkaty bol 20. jún 1956. Správny dátum je 20. jún 1756.