Για να δει τις μαύρες τρύπες με λεπτομέρεια, χρησιμοποιεί «Echoes» σαν νυχτερίδα | Περιοδικό Quanta

Σε αντίθεση με πολλούς αστρονόμους, η Έριν Κάρα δεν μεγάλωσε αστραπιαία. «Δεν έχω αυτή την ιστορία να είμαι αυτό το μικρό παιδί που κοιτάζει τα αστέρια και θέλει να το κάνει αυτό, κάτι που μου προκάλεσε κάποιο άγχος», είπε. «Αυτό με έκανε ψεύτικο;»

Αλλά αφού ανακάλυψε την αστροφυσική ως προπτυχιακός, η Κάρα αγκιστρώθηκε. Τώρα ένας παρατηρητικός αστροφυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης, επισκέπτεται μια περιοχή που μπερδεύει το μυαλό. Σαν αστροναύτης στην ταινία Διάστερος, εξερευνά τις περιοχές κοντά σε γιγάντιες μαύρες τρύπες. Στόχος της είναι να κατανοήσει καλύτερα πώς συμπεριφέρονται αυτές οι μαύρες τρύπες και πώς αναδιαμορφώνουν συνεχώς τους γαλαξίες σε όλο το σύμπαν.

Γεμάτες με μάζα ίση με εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια ήλιους, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες παραμονεύουν στο κέντρο σχεδόν κάθε γαλαξία. Ενεργειακά, αυτές οι μαύρες τρύπες είναι σαν τις σκοτεινές, παλλόμενες καρδιές των γαλαξιών.

«Δεν είναι απλώς διακοσμητικά. Δεν κάθονται εκεί απλά παθητικά», είπε η Κάρα. «Πραγματικά υπαγορεύουν πώς εξελίσσεται ο γαλαξίας και γιατί ο γαλαξίας φαίνεται όπως φαίνεται».

Η Κάρα προσπαθεί να κατανοήσει το περιβάλλον κοντά σε αυτές τις μαύρες τρύπες, όπου απελευθερώνεται το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς τους. Παρακολουθώντας προσεκτικά το αέριο και το πλάσμα που στροβιλίζεται κοντά σε μια μαύρη τρύπα - σχηματίζοντας αυτό που είναι γνωστό ως δίσκο προσαύξησης - μπορεί, για παράδειγμα, να προσεγγίσει τη μάζα της μαύρης τρύπας. Αυτό το κοντινό αέριο και πλάσμα μπορούν επίσης να βοηθήσουν στην αποκάλυψη του τρόπου με τον οποίο οι μαύρες τρύπες δημιουργούν ακραίες κοσμικές δομές, όπως σχετικιστικούς πίδακες - γιγάντιες δέσμες υπερθερμασμένου πλάσματος που επιταχύνθηκαν σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός.

Αλλά υπάρχει ένα τεράστιο πρόβλημα που πρέπει να ξεπεράσουν η Kara και άλλοι ερευνητές: Αυτές οι μαύρες τρύπες-στόχοι είναι τόσο μακριά που οι συμβατικές τεχνικές απεικόνισης δεν μπορούν να επιλύσουν το άμεσο περιβάλλον τους. Για να ανακατασκευάσει το άμεσο περιβάλλον γύρω από μια μαύρη τρύπα, η Kara στρέφεται στο φως ακτίνων Χ που εκπέμπεται από τον δίσκο προσαύξησης. Μετρά τις λεπτές καθυστερήσεις όταν αυτό το φως φτάνει στη Γη. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να συμπεράνει τη δομή του αερίου και του πλάσματος με αξιοσημείωτη ανάλυση. Η εργασία του Kara σε αυτή τη μέθοδο - που ονομάζεται χαρτογράφηση αντήχησης - έχει αποκαλύψει με πρωτοφανή λεπτομέρεια τη φρενίτιδα τροφοδοσίας των μαύρων τρυπών, με ευρήματα που περιλαμβάνουν η πρώτη ακτινογραφία "ηχώ" έχει δει ποτέ από μια μαύρη τρύπα να τεμαχίζει ένα αστέρι. Η Κάρα έλαβε το βραβείο 2022 της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας Βραβείο Newton Lacy Pierce, το οποίο αναγνωρίζει εξαιρετικά επιτεύγματα στην παρατηρησιακή αστρονομία τα τελευταία πέντε χρόνια.

Quanta Magazine Πρόσφατα μίλησε με την Κάρα για την πορεία της στην επιστήμη, τα παξιμάδια και τα μπουλόνια της χαρτογράφησης αντήχησης και τις μαύρες τρύπες που την κρατούν ξύπνια τη νύχτα. Η συνέντευξη έχει συμπυκνωθεί και επεξεργαστεί για λόγους σαφήνειας.

Ξοδεύεις πολύ χρόνο σκεπτόμενος τις μαύρες τρύπες, σε σημείο που έχεις ακόμη μετέτρεψε τις προσομοιώσεις τους σε ήχους. Πολλοί άνθρωποι σκέφτονται τις μαύρες τρύπες ως «περίεργες» ή «απόκοσμες» ή «απόκοσμες». Αγοράζεις αυτόν τον χαρακτηρισμό;

Υπάρχει αυτό το στερεότυπο ότι οι μαύρες τρύπες είναι άσχημα πράγματα που όλοι πρέπει να φοβόμαστε, αλλά αυτό που είναι εκπληκτικό είναι ότι οι μαύρες τρύπες μας δίνουν πραγματικά ζωή, αν θέλετε να το πάτε σε αυτό το επίπεδο αφαίρεσης. Ο λόγος που είμαστε όλοι εδώ είναι ότι το αέριο στον γαλαξία μας κατανέμεται έτσι ώστε να μπορούν να σχηματιστούν αστέρια, κάτι που τελικά οδήγησε στον πλανήτη στον οποίο ζούμε. Αυτό, κατά κάποιο τρόπο, υπαγορεύτηκε από την κεντρική μαύρη τρύπα του γαλαξία μας.

Οι μαύρες τρύπες δεν είναι, σαν, η κατάρρευση και το τέλος των πάντων. Στην πραγματικότητα, κατά κάποιο τρόπο, είναι μια αρχή.

Σε επίπεδο μεγάλης εικόνας, ποιες είναι οι ερωτήσεις σχετικά με τις μαύρες τρύπες που σας ενδιαφέρει περισσότερο να απαντήσετε;

Εάν κατανοείτε πώς συμπεριφέρονται οι ροές αερίων στον έντονα καμπύλο χωροχρόνο γύρω από μια μαύρη τρύπα, τότε μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτές τις πληροφορίες για να μετρήσετε τις θεμελιώδεις ιδιότητες της μαύρης τρύπας: τη μάζα και το σπιν της, ένα μέτρο της ταχύτητας περιστροφής της.

Θα μπορούσατε να περιγράψετε τη γενική ρύθμιση των μαύρων οπών που εξετάζετε;

Όλα περιβάλλονται από δίσκους αερίου και σκόνης. Αυτοί οι δίσκοι προσαύξησης μπορούν να θερμανθούν αρκετά από μόνοι τους ώστε να εκπέμπουν οπτική και υπεριώδη ακτινοβολία, αλλά δεν είναι αρκετά ζεστοί για να δημιουργήσουν ακτίνες Χ. Αυτό που βλέπουμε με τα τηλεσκόπια μας είναι ότι οι μαύρες τρύπες που αυξάνονται - οι οποίες βρίσκονται στη διαδικασία κατανάλωσης αυτών των δίσκων - παράγουν πάντα ακτίνες Χ. Εάν βλέπετε ακτίνες Χ από ένα δισεκατομμύριο έτη φωτός μακριά, είναι πιθανώς από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που αυξάνεται.

Πώς οι μαύρες τρύπες δημιουργούν αυτές τις ακτίνες Χ;

Γνωρίζουμε ότι πρέπει να υπάρχει κάποιο πραγματικά υψηλής ενέργειας πλάσμα γύρω από τη μαύρη τρύπα που δημιουργεί αυτά τα φωτόνια ακτίνων Χ. Το ονομάζουμε κορώνα - όπως το καυτό πλάσμα που βρίσκεται γύρω από τον ήλιο. Το στέμμα μιας μαύρης τρύπας είναι σαν το στέμμα στην κορυφή του δίσκου προσαύξησης. Μπορεί να γίνει εξαιρετικά ζεστό και παράγει πολλές ακτίνες Χ. Το υλικό στον δίσκο προσαύξησης είναι περίπου ένα εκατομμύριο Κέλβιν, αλλά η κορώνα είναι ένα δισεκατομμύριο Κέλβιν. Στην πραγματικότητα δεν γνωρίζουμε πολλά για αυτόν τον κορώνα και ένα από τα μεγάλα ερωτήματα είναι: Πώς σχηματίζεται; Ποια είναι η γεωμετρία του;

Πώς μπορεί λοιπόν η τεχνική που χρησιμοποιείτε, η χαρτογράφηση αντήχησης, να πάει από τη συλλογή ακτίνων Χ στην αποκάλυψη της κορώνας και του περιβάλλοντός της;

Έχετε αυτό το στέμμα γύρω από μια μαύρη τρύπα, καθώς και έναν δίσκο προσαύξησης. Και καθώς το στέμμα ακτινοβολεί αυτόν τον ψυχρότερο δίσκο προσαύξησης με ακτίνες Χ, αναγκάζει τα ιόντα στο δίσκο να ακτινοβολούν τις δικές τους ακτίνες Χ, κυρίως μέσω του φθορισμού.

Βασικά, αυτές οι δευτερεύουσες ακτίνες Χ είναι σαν ηχώ φωτός, γι' αυτό τις ονομάζουμε ηχώ αντήχησης. Αυτό που κάνουμε είναι να μετράμε τις χρονικές καθυστερήσεις μεταξύ μιας κύριας λάμψης φωτός ακτίνων Χ από το στέμμα και των αντίστοιχων ηχών από τον δίσκο προσαύξησης. Εάν μπορούμε να μετρήσουμε αυτές τις ηχώ, τότε μπορούμε να ανακατασκευάσουμε πώς φαίνεται γύρω από τη μαύρη τρύπα.

Είναι παρόμοιο με το πώς οι νυχτερίδες χρησιμοποιούν την ηχοεντοπισμό. Δεν μπορούν να δουν τη σκοτεινή σπηλιά μέσα από την οποία πετούν, αλλά ξέρουν ότι η ηχώ θα τους επιστρέψει με κάποια καθυστέρηση και μπορούν να χρησιμοποιήσουν το γεγονός ότι η ηχώ ταξιδεύει με την ταχύτητα του ήχου για να χαρτογραφήσουν σκοτεινή σπηλιά. Το κάνουμε αυτό, εκτός από το φως που ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός.

Ήμουν έτοιμος να πω ότι τα τείχη γύρω από μια νυχτερίδα δεν κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες, οπότε φαντάζομαι ότι τα πράγματα είναι λίγο πιο ζόρικα όταν το κάνεις αυτό.

[Γέλια.] Είναι λίγο πιο περίπλοκο από αυτό, λίγο…

Τι χρειάζεται, λοιπόν, για να μεταβείτε από τα δεδομένα σας - φωτόνια ακτίνων Χ σε έναν κουβά - σε έναν χάρτη της περιοχής γύρω από μια μαύρη τρύπα;

Αρχικά, απλώς αναζητούσαμε μια σειρά από μήκη κύματος ακτίνων Χ στα οποία ξέραμε ότι κυριαρχεί η εκπομπή από το στέμμα και μια περιοχή που ξέραμε ότι κυριαρχεί αυτή η ηχώ. Διαπιστώσαμε ότι αν μετατρέψατε τη χρονική καθυστέρηση μεταξύ αυτών των περιοχών σε απόσταση για να ταξιδέψει το φως, αντιστοιχούσε χονδρικά στη χαρτογράφηση των ροών αερίου πολύ κοντά στη μαύρη τρύπα - κάτι μέσα σε λίγες φορές την ακτίνα του ορίζοντα γεγονότων.

Τώρα προσπαθούμε να δημιουργήσουμε πολλές διαφορετικές προσομοιώσεις συστημάτων δίσκων προσαύξησης κορώνας και στη συνέχεια να προσδιορίσουμε εκείνα που μοιάζουν με τα δεδομένα που βλέπουμε. Αυτό το κάνουμε με τις λεγόμενες γενικές σχετικιστικές προσομοιώσεις ανίχνευσης ακτίνων. Οι προσομοιώσεις ιχνηλάτησης ακτίνων χρησιμοποιούνται σε όλα τα είδη βιντεοπαιχνιδιών και είναι η ίδια αρχή: Παίρνουμε ένα σημείο που αποτελεί πρότυπο για το στέμμα, εκπέμπουμε ακτίνες φωτός από αυτό προς όλες τις διαφορετικές κατευθύνσεις και απλώς ακολουθούμε πού αυτό το φως οι ακτίνες πάνε. Μερικά από αυτά θα πάνε σε έναν μακρινό παρατηρητή και μερικά από αυτά θα πέσουν στο δίσκο, θα ακτινοβολήσουν τον δίσκο και στη συνέχεια θα αναπηδήσουν και θα αντανακλούν στο επίπεδο του τηλεσκοπίου.

Πώς διαφέρει η χαρτογράφηση αντήχησης από, ας πούμε, αυτό που έκανε το τηλεσκόπιο Ορίζων γεγονότων για να λάβει άμεσες εικόνες μαύρων τρυπών;

Το τηλεσκόπιο Event Horizon ήταν απλά εκπληκτικό για την απεικόνιση των μαύρων οπών στο κέντρο του γαλαξία μας και του M87, αλλά πραγματικά μπορεί να κάνει μόνο αυτές τις δύο μαύρες τρύπες. Περισσότερο από αυτό, εάν θέλουμε να έρθουμε στο ερώτημα πώς αναπτύσσονται οι μαύρες τρύπες, πρέπει να δούμε τις μαύρες τρύπες που αναπτύσσονται ενεργά αυτήν τη στιγμή - ή μάλλον, οι μαύρες τρύπες που είναι εξαιρετικά φωτεινές στις ακτίνες Χ.

Η μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία μας πρέπει να είχε αυτή τη φάση όπου αναπτυσσόταν ενεργά και έτρωγε πολύ υλικό. Αυτή τη στιγμή, δεν το κάνει αυτό — και ακριβώς επειδή το τηλεσκόπιο Ορίζων γεγονότων μπορεί να το απεικονίσει απευθείας, επειδή δεν αυξάνεται πολύ. Για να μελετήσουμε αυτές τις μαύρες τρύπες που αναπτύσσονται ενεργά, όπου υπάρχει υλικό υψηλής πυκνότητας που σπεύδει προς τη μαύρη τρύπα, χρειαζόμαστε μια άλλη τεχνική. Και εκεί είναι που μπαίνει η χαρτογράφηση αντήχησης.

Υπάρχουν συγκεκριμένες μαύρες τρύπες που έχετε δει και σας ξεχωρίζουν ως ιδιαίτερα κατατοπιστικές;

Η γενική ερευνητική μου τακτική είναι να βρίσκω μαύρες τρύπες που συμπεριφέρονται με τον τρόπο που περιμένουμε. Εάν μπορείτε να κατανοήσετε τις λεπτομέρειες αυτών των συστημάτων και μπορείτε πραγματικά να εντοπίσετε καθαρά τη γεωμετρία γύρω από τη μαύρη τρύπα, τότε μπορείτε να κάνετε μετρήσεις ακριβείας της μάζας και της περιστροφής της μαύρης τρύπας.

Ένα από τα αγαπημένα μου αυτή τη στιγμή είναι ένα δυαδικό σύστημα ακτίνων Χ που ονομάζεται MAXI J1820+070. Δεν είναι μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. είναι μόλις 10 φορές η μάζα του ήλιου. Βρίσκεται σε ένα συνοδευτικό σύστημα με ένα αστέρι, και βγάζει αέριο από αυτό το αστέρι και σχηματίζει έναν δίσκο προσαύξησης και ένα στέμμα. Είναι απλώς ένα πολύ καθαρό σύστημα και είναι τόσο κοντά στη Γη: Είναι περίπου χίλιες φορές πιο φωτεινό για εμάς από αυτές τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

Και από την άλλη πλευρά, ποιες μαύρες τρύπες σας ξεχωρίζουν ως ιδιαίτερα ακραίες ή ιδιαίτερα περίεργες;

Μου αρέσει να μελετάω τους κανονικούς τύπους και μετά μου αρέσει να φτιάχνω τα πράγματα και να βλέπω πού χαλάνε τα πράγματα. Αυτό που είναι επίσης πραγματικά διασκεδαστικό είναι τα συστήματα oddball που απλώς σας κρατούν ξύπνιους τη νύχτα αναρωτιέστε: Πώς διάολο το επέτρεψε η φύση να συμβεί αυτό; Και η πηγή που με έχει κρατήσει ξύπνιο τη νύχτα ονομάζεται ASASSN-18el, η οποία είναι μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα.

Το ASASSN-18el βρέθηκε από η έρευνα παντός ουρανού ASAS-SN ως μια από αυτές τις μαύρες τρύπες που έμοιαζαν κάπως κανονικά και μετά, ξαφνικά, μπήκαν σε αυτό το τρελό ξέσπασμα. Αρχίσαμε να το παρατηρούμε με οπτικές, υπεριώδεις και πολλές παρατηρήσεις ακτίνων Χ επίσης, και έγινε εντελώς μπανάνες. Είχε αυτές τις αρχικές εκρήξεις, και στη συνέχεια απενεργοποιήθηκε - όπως, μια μείωση τεσσάρων τάξεων μεγέθους στη φωτεινότητα. Και μετά ενεργοποιήθηκε ξανά και έγινε η φωτεινότερη πηγή ακτίνων Χ στον εξωγαλαξιακό ουρανό για περίπου ένα χρόνο, και μετά άρχισε να σβήνει ξανά. Τώρα φαίνεται ότι μπορεί να ενεργοποιείται ξανά.

Πιστεύαμε ότι το χρονοδιάγραμμα για να απενεργοποιηθεί κάτι κατά τέσσερις τάξεις μεγέθους θα ήταν τουλάχιστον εκατομμύρια χρόνια. Κι όμως το είδαμε να συμβαίνει σε ένα χρόνο — ή σε λίγους μήνες. Πώς γίνεται κάτι τέτοιο;

Ιστορικά, ό,τι γνωρίζαμε για αυτές τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες - που ονομάζονται ενεργοί γαλαξιακές πυρήνες - μάθαμε από έρευνες όπου τις κοιτάζαμε κάθε τόσο. Αλλά τώρα έχουμε αυτές τις έρευνες παντός ουρανού που σαρώνουν τον ουρανό μερικές φορές την εβδομάδα, και κοιτάμε απλώς αυτές τις μαύρες τρύπες, βλέποντας τι κάνουν. Και αποδεικνύεται ότι όταν δεν τους κοιτούσαμε, έκαναν κάθε είδους τρελά πράγματα. Τώρα το καταλαβαίνουμε επιτέλους.

Τι σας παρακίνησε να ασχοληθείτε με την αστρονομία και να μελετήσετε τις μαύρες τρύπες και τι σας κρατά εμπνευσμένο σήμερα;

Αυτό που με ενθουσίασε πραγματικά με την επιδίωξη της αστρονομίας ήταν η πτυχή της ανακάλυψης: Ήταν απλώς εξαιρετικά συναρπαστικό να είμαι ο πρώτος άνθρωπος που κοίταξε το φως που απελευθερώθηκε από μια μαύρη τρύπα πριν από ένα δισεκατομμύριο χρόνια. Αυτό είναι υπέροχο. Πώς γίνεται που εμείς οι αδύναμοι άνθρωποι μπορούμε να σκεφτόμαστε αυτά τα πράγματα ή να ενωθούμε για να δημιουργήσουμε τεχνολογίες για να απαντήσουμε σε μερικά από αυτά τα τεράστια θεμελιώδη ερωτήματα που οι άνθρωποι ρωτούν από την αρχή της ανθρώπινης σκέψης;

Και μου αρέσει η κοινοτική πτυχή του να φέρνεις ανθρώπους κοντά για έναν κοινό στόχο. Έχουμε αυτή την ιδέα για το τι είναι η «επιστήμη» — ότι καθόσαστε μόνοι σας και εμπνευστήκατε από τη δική σας δημιουργική ιδιοφυΐα, και κάνατε όλες αυτές τις ανακαλύψεις μόνοι σας. Αλλά δεν είναι αυτό που εμπνέει πολύ. Για μένα, είναι ότι μπορούμε να συνεργαστούμε και να χρησιμοποιήσουμε ο ένας την τεχνογνωσία του άλλου για να δημιουργήσουμε κάτι πολύ μεγαλύτερο από οποιονδήποτε από εμάς.