Da bi podrobno videla črne luknje, uporablja 'odmeve' kot netopir | Revija Quanta

V nasprotju z mnogimi astronomi Erin Kara ni odraščala v zvezde. "Nimam tiste zgodbe o tem, da sem tisti majhen otrok, ki strmi v zvezde in si želi to narediti, kar me je nekoliko skrbelo," je rekla. "Ali sem zaradi tega ponaredek?"

Toda potem ko je kot dodiplomski študent odkrila astrofiziko, je bila Kara zasvojena. zdaj opazovalni astrofizik na Massachusetts Institute of Technology obišče osupljivo ozemlje. Kot astronavt v filmu medzvezdno, raziskuje področja v bližini velikanskih črnih lukenj. Njen cilj je bolje razumeti, kako se te črne luknje obnašajo in kako nenehno preoblikujejo galaksije po vsem vesolju.

Supermasivne črne luknje z maso, ki je enaka milijonom ali milijardam sonc, prežijo v središču skoraj vsake galaksije. Energetsko so te črne luknje kot temna, utripajoča srca galaksij.

»Niso samo okrasni. Ne le sedijo tam pasivno,« je dejala Kara. "Pravzaprav narekujejo, kako se galaksija razvija in zakaj je videti tako, kot je."

Kara poskuša razumeti okolje v bližini teh črnih lukenj, kjer se sprosti večina njihove energije. S pazljivim sledenjem plinu in plazmi, ki se vrtinčita blizu črne luknje – in tvorita tako imenovani akrecijski disk – lahko na primer približa maso črne luknje. Ta bližnji plin in plazma lahko prav tako pomagata razkriti, kako črne luknje ustvarjajo ekstremne kozmične strukture, kot so relativistični curki – velikanski žarki pregrete plazme, pospešene skoraj do svetlobne hitrosti.

Toda obstaja velika težava, ki jo morajo Kara in drugi raziskovalci premagati: te ciljne črne luknje so tako daleč, da običajne tehnike slikanja ne morejo razrešiti njihove neposredne okolice. Da bi rekonstruirala neposredno okolje okoli črne luknje, se Kara obrne na rentgensko svetlobo, ki jo oddaja akrecijski disk. Meri subtilne zamude, ko ta svetloba doseže Zemljo. S tem lahko sklepa o strukturi plina in plazme z izjemno ločljivostjo. Karino delo na tej metodi – imenovani kartiranje odmeva – je razkrilo prehranjevalne mrzlice črnih lukenj v podrobnostih brez primere, z ugotovitvami, ki vključujejo prvi rentgenski "odmevi" kdaj viden iz črne luknje, ki drobi zvezdo. Kara je prejel nagrado Ameriškega astronomskega društva 2022 Nagrada Newton Lacy Pierce, ki priznava izjemne dosežke v opazovalni astronomiji v preteklih petih letih.

Revija Quanta je pred kratkim govorila s Karo o njeni poti v znanost, o bistvu kartiranja odmevov in o črnih luknjah, zaradi katerih ponoči ne spi. Intervju je bil zgoščen in urejen zaradi jasnosti.

Veliko časa porabite za razmišljanje o črnih luknjah, do te mere, da ste celo njihove simulacije pretvoril v zvoke. Mnogi ljudje menijo, da so črne luknje »čudne«, »strašne« ali »srhljive«. Se strinjate s to karakterizacijo?

Obstaja ta stereotip, da so črne luknje grde stvari, ki bi se jih morali vsi bati, toda kar je neverjetno, je, da nam črne luknje dejansko dajejo življenje, če želite to popeljati na to raven abstrakcije. Razlog, da smo vsi tukaj, je, da je plin v naši galaksiji porazdeljen tako, da lahko nastanejo zvezde, kar je na koncu pripeljalo do planeta, na katerem živimo. To je na nek način narekovala osrednja črna luknja naše galaksije.

Črne luknje niso propad in konec vsega. Pravzaprav so na nek način začetek.

Na ravni velike slike, katera so vprašanja o črnih luknjah, ki vas najbolj zanimajo?

Če razumete, kako se plinski tokovi obnašajo v močno ukrivljenem prostoru-času okoli črne luknje, potem lahko uporabite to informacijo za merjenje osnovnih lastnosti črne luknje: njeno maso in vrtenje, merilo, kako hitro se vrti.

Ali lahko opišete splošno okolje črnih lukenj, ki jih gledate?

Vsi so obdani z diski plina in prahu. Ti akrecijski diski se lahko sami dovolj segrejejo, da oddajajo optično in ultravijolično sevanje, niso pa dovolj vroči, da bi ustvarili rentgenske žarke. Kar vidimo z našimi teleskopi, je, da kopičenje črnih lukenj – ki so v procesu porabe teh diskov – vedno proizvaja rentgenske žarke. Če vidite rentgenske žarke z razdalje milijarde svetlobnih let, je verjetno posledica kopičenja supermasivne črne luknje.

Kako črne luknje ustvarjajo te rentgenske žarke?

Vemo, da okoli črne luknje mora obstajati nekaj resnično visokoenergetske plazme, ki ustvarja te rentgenske fotone. Temu pravimo korona - kot vroča plazma okoli sonca. Korona črne luknje je kot krona na vrhu akrecijskega diska. Lahko postane zelo vroče in proizvaja veliko rentgenskih žarkov. Snov v akrecijskem disku ima približno milijon kelvinov, korona pa milijardo kelvinov. Pravzaprav ne vemo veliko o tej koroni in eno od velikih vprašanj je: Kako nastane? Kakšna je njegova geometrija?

Kako lahko torej tehnika, ki jo uporabljate, kartiranje odmeva, preide od zbiranja rentgenskih žarkov do razkrivanja korone in njene okolice?

To korono imate okoli črne luknje, pa tudi akrecijski disk. In ko korona obseva ta hladnejši akrecijski disk z rentgenskimi žarki, povzroči, da ioni v disku sami sevajo rentgenske žarke, predvsem s fluorescenco.

V bistvu so ti sekundarni rentgenski žarki kot odmevi svetlobe, zato jih imenujemo odmevi. Kar delamo, je merjenje časovnih zamikov med primarnim bliskom rentgenske svetlobe iz korone in ustreznim odbojem iz akrecijskega diska. Če lahko izmerimo te odmeve, potem lahko rekonstruiramo, kako je videti okoli črne luknje.

To je podobno kot netopirji uporabljajo eholokacijo. Ne vidijo temne jame, skozi katero letijo, vendar vedo, da se bo odmev vrnil do njih z nekaj zamude, in lahko uporabijo dejstvo, da odmev potuje s hitrostjo zvoka, da začrtajo temna jama. To počnemo, le da svetloba potuje s svetlobno hitrostjo.

Hotel sem povedati, da se stene okoli netopirja ne premikajo z relativistično hitrostjo, zato si predstavljam, da so stvari nekoliko bolj čudne, ko to počnete.

[Smeh.] Je malo bolj zapleteno od tega, samo nekoliko …

Kaj je torej potrebno, da preidemo od vaših podatkov - rentgenskih fotonov v vedru - do zemljevida območja okoli črne luknje?

Prvotno smo samo iskali obseg valovnih dolžin rentgenskih žarkov, za katerega smo vedeli, da prevladuje emisija iz korone, in obseg, za katerega smo vedeli, da prevladuje ta odmev. Ugotovili smo, da če pretvorite časovni zamik med temi razponi v razdaljo, ki jo prepotuje svetloba, to približno ustreza preslikavi tokov plina zelo blizu črne luknje – nekaj v nekajkratnem polmeru obzorja dogodkov.

Zdaj poskušamo ustvariti veliko različnih simulacij koronsko-akrecijskih diskovnih sistemov in nato identificirati tiste, ki so videti kot podatki, ki jih vidimo. To naredimo s tako imenovanimi splošnimi relativističnimi simulacijami sledenja žarkom. Simulacije sledenja žarkom se uporabljajo v vseh vrstah video iger in gre za isto načelo: vzamemo točko, ki je model korone, iz nje usmerimo svetlobne žarke v vse različne smeri in samo sledimo, kje ti svetloba gredo žarki. Nekaj ​​jih bo šlo do oddaljenega opazovalca, nekaj pa jih bo padlo v disk, obsevalo disk, nato pa se odbilo in odbilo v ravnino teleskopa.

Kako se kartiranje odmeva razlikuje od na primer tistega, kar je naredil Event Horizon Telescope, da bi dobil neposredne slike črnih lukenj?

Teleskop Event Horizon je bil neverjeten pri slikanju črnih lukenj v središču naše galaksije in M87, vendar lahko v resnici posname le ti dve črni luknji. Še več, če želimo priti do vprašanja, kako črne luknje rastejo, moramo pogledati črne luknje, ki trenutno aktivno rastejo - ali bolje rečeno, črne luknje, ki so izjemno svetle v rentgenskih žarkih.

Črna luknja v središču naše galaksije je morala imeti to fazo, ko je aktivno rasla in jedla veliko materiala. Trenutno tega ne počne - in prav zato, ker ne raste zelo, ga lahko teleskop Event Horizon neposredno posname. Za preučevanje tistih črnih lukenj, ki aktivno rastejo, kjer proti črni luknji drvi material z visoko gostoto, potrebujemo drugo tehniko. In tu nastopi kartiranje odmeva.

Ali obstajajo kakšne posebne črne luknje, ki ste si jih ogledali in se vam zdijo posebej informativne?

Moja splošna raziskovalna taktika je najti črne luknje, ki se obnašajo na način, ki ga nekako pričakujemo. Če lahko razumete podrobnosti teh sistemov in lahko resnično natančno izsledite geometrijo okoli črne luknje, potem lahko naredite natančne meritve mase in vrtenja črne luknje.

Eden mojih najljubših trenutno je rentgenski binarni sistem MAXI J1820+070. To ni supermasivna črna luknja; je le 10-krat večja od mase sonca. Je v spremljevalnem sistemu z zvezdo in iz te zvezde odvaja plin ter tvori akrecijski disk in korono. Je le zelo čist sistem in je tako blizu Zemlje: za nas je približno tisočkrat svetlejši od teh supermasivnih črnih lukenj.

In na drugi strani, katere črne luknje se vam zdijo posebej ekstremne ali posebej čudne?

Rad preučujem običajne fante, potem pa rad stvari popravim in vidim, kje se stvari zalomijo. Resnično zabavni so tudi nenavadni sistemi, zaradi katerih se ponoči preprosto sprašujete: kako za vraga je narava dopustila, da se je to zgodilo? In vir, zaradi katerega sem bil ponoči, se imenuje ASASSN-18el, ki je supermasivna črna luknja.

ASASSN-18el je našel pregled celotnega neba ASAS-SN kot ena od teh črnih lukenj, ki so bile nekako normalnega videza, nato pa je nenadoma prišlo do tega norega izbruha. Začeli smo ga opazovati z optičnimi, ultravijoličnimi in številnimi rentgenskimi opazovanji, pa je šlo popolnoma banano. Imel je te začetne izbruhe, nato pa se je izklopil - kot zmanjšanje svetlosti za štiri velikosti. Potem se je spet vklopil in za približno eno leto postal najsvetlejši vir rentgenskih žarkov na zunajgalaktičnem nebu, potem pa se je spet začel izklapljati. Zdaj je videti, da se morda znova vklopi.

Mislili smo, da bo časovni okvir, da se nekaj izklopi za štiri velikosti, vsaj milijoni let. In vendar smo videli, da se je to zgodilo v enem letu - ali v nekaj mesecih. Kako se kaj takega zgodi?

Zgodovinsko gledano smo tisto, kar smo vedeli o teh kopičečih se supermasivnih črnih luknjah – imenovanih aktivna galaktična jedra – izvedeli iz anket, v katerih smo si jih vsake toliko ogledali. Ampak zdaj imamo te raziskave vsega neba, ki skenirajo nebo nekajkrat na teden, mi pa samo strmimo v te črne luknje in opazujemo, kaj počnejo. In izkazalo se je, da so, ko jih nismo gledali, počeli najrazličnejše norosti. Zdaj se tega šele končno zavedamo.

Kaj vas je spodbudilo, da ste se začeli ukvarjati z astronomijo in preučevati črne luknje, in kaj vas navdihuje danes?

Stvar, ki me je resnično navdušila nad ukvarjanjem z astronomijo, je bil vidik odkritja: bilo je prav vznemirljivo biti prvi človek, ki je opazoval svetlobo, ki je bila sproščena iz črne luknje pred milijardo let. To je neverjetno. Kako to, da lahko mi bedna človeška bitja sploh razmišljamo o teh stvareh ali se združimo, da bi zgradili tehnologije, ki bi odgovorile na nekatera od teh velikih temeljnih vprašanj, ki so si jih ljudje zastavljali že od začetka človeškega razmišljanja?

Všeč mi je skupnostni vidik združevanja ljudi za skupni cilj. Imamo to predstavo o tem, kaj je "znanost" - da ste kot da sedite sami in vas navdihuje vaš lastni ustvarjalni genij, in da ste do vseh teh odkritij prišli sami. Vendar to ni tisto, kar je super navdihujoče pri tem. Zame je to, da smo sposobni delati skupaj in uporabiti strokovno znanje drug drugega, da ustvarimo nekaj, kar je veliko večje od katerega koli izmed nas.