Щоб побачити чорні діри в деталях, вона використовує «відлуння», як кажан | Журнал Quanta

На відміну від багатьох астрономів, Ерін Кара не виросла враженою зірками. «У мене немає тієї історії про те, як я була маленькою дитиною, яка дивилася на зірки і хотіла зробити це, що мене хвилювало», — сказала вона. «Це зробило мене фейком?»

Але відкривши для себе астрофізику, будучи студентом, Кара захопилася. Зараз астрофізик-спостережник в Массачусетському технологічному інституті вона відвідує карколомну територію. Як космонавт у фільмі міжзоряний, вона досліджує регіони поблизу гігантських чорних дір. Її мета — краще зрозуміти, як поводяться ці чорні діри та як вони постійно змінюють форму галактик у всьому Всесвіті.

Надмасивні чорні діри з масою, що дорівнює мільйонам або мільярдам сонць, ховаються в центрі майже кожної галактики. Енергетично ці чорні діри схожі на темні серця галактик, що б’ються.

«Вони не просто декоративні. Вони не просто пасивно сидять», — сказала Кара. «Вони фактично диктують, як розвивається галактика і чому галактика виглядає так, як виглядає».

Кара намагається зрозуміти навколишнє середовище поблизу цих чорних дір, де виділяється більша частина їх енергії. Ретельно відстежуючи газ і плазму, які обертаються поблизу чорної діри — утворюючи так званий акреційний диск — вона може, наприклад, приблизно визначити масу чорної діри. Цей сусідній газ і плазма також можуть допомогти виявити, як бенкетуючі чорні діри створюють екстремальні космічні структури, такі як релятивістські струмені — гігантські пучки перегрітої плазми, що розганяються майже до швидкості світла.

Але є величезна проблема, яку Кара та інші дослідники повинні подолати: ці цільові чорні діри знаходяться так далеко, що звичайні методи візуалізації не можуть визначити їхнє безпосереднє оточення. Щоб реконструювати безпосереднє середовище навколо чорної діри, Кара звертається до рентгенівського світла, яке випромінює акреційний диск. Вона вимірює незначні затримки, коли це світло досягає Землі. Роблячи це, вона може визначити структуру газу та плазми з чудовою роздільною здатністю. Робота Кари над цим методом — так званим ревербераційним картуванням — виявила безпрецедентні деталі, пов’язані з харчуванням чорних дір. перше рентгенівське «відлуння» коли-небудь бачив, як чорна діра шматує зірку. Кара отримала нагороду Американського астрономічного товариства за 2022 рік Премія Ньютона Лейсі Пірса, який відзначає видатні досягнення в спостережній астрономії за попередні п'ять років.

Журнал Quanta Нещодавно розмовляла з Карою про її шлях у науку, тонкощі картографування реверберації та чорні діри, які не дають їй спати вночі. Інтерв’ю було скорочено та відредаговано для ясності.

Ви витрачаєте багато часу на роздуми про чорні діри, до того моменту, коли ви зрівняєтеся перетворив їх моделювання на звуки. Багато людей вважають чорні діри «дивними», «моторошними» або «моторошними». Ви приймаєте цю характеристику?

Існує стереотип про те, що чорні діри — це неприємні речі, яких ми всі повинні боятися, але дивовижним є те, що чорні діри насправді дають нам життя, якщо ви хочете підняти це до такого рівня абстракції. Причина, по якій ми всі тут, полягає в тому, що газ у нашій галактиці розподілений таким чином, що можуть утворюватися зірки, які зрештою призвели до планети, на якій ми живемо. Певним чином це було продиктовано центральною чорною дірою нашої галактики.

Чорні діри — це не загибель і не кінець усього. У певному сенсі вони насправді є початком.

На рівні загальної картини, які питання про чорні діри вам найбільше цікаві?

Якщо ви розумієте, як поводяться потоки газу в сильно викривленому просторі-часі навколо чорної діри, тоді ви зможете використовувати цю інформацію для вимірювання фундаментальних властивостей чорної діри: її маси та обертання, міри швидкості її обертання.

Не могли б ви описати загальне розташування чорних дір, на які ви дивитеся?

Усі вони оточені дисками газу та пилу. Ці акреційні диски самі по собі можуть стати достатньо гарячими, щоб випромінювати оптичне та ультрафіолетове випромінювання, але вони недостатньо гарячі, щоб створювати рентгенівські промені. Те, що ми бачимо за допомогою наших телескопів, полягає в тому, що акреційні чорні діри — які знаходяться в процесі поглинання цих дисків — завжди створюють рентгенівське випромінювання. Якщо ви бачите рентгенівське випромінювання з відстані мільярда світлових років, це, ймовірно, від акреційної надмасивної чорної діри.

Як чорні діри створюють ці рентгенівські промені?

Ми знаємо, що навколо чорної діри має бути якась дійсно високоенергетична плазма, яка створює ці рентгенівські фотони. Ми називаємо це короною — як і гарячу плазму навколо сонця. Корона чорної діри схожа на корону на вершині акреційного диска. Він може стати дуже гарячим і створює багато рентгенівського випромінювання. Матеріал в акреційному диску становить близько мільйона кельвінів, але корона становить мільярд кельвінів. Насправді ми не знаємо багато про цю корону, і одне з головних питань: як вона утворюється? Яка його геометрія?

Отже, як техніка, яку ви використовуєте, картування реверберації, може перейти від збору рентгенівських променів до виявлення корони та її оточення?

У вас є ця корона навколо чорної діри, а також акреційний диск. І оскільки корона опромінює холодніший акреційний диск рентгенівськими променями, це змушує іони в диску випромінювати власні рентгенівські промені, головним чином через флуоресценцію.

По суті, ці вторинні рентгенівські промені схожі на відлуння світла, тому ми називаємо їх відлунням реверберації. Ми вимірюємо часові затримки між первинним спалахом рентгенівського світла від корони та відповідним відлунням від акреційного диска. Якщо ми зможемо виміряти ці відлуння, то зможемо реконструювати, як це виглядає навколо чорної діри.

Це схоже на те, як кажани використовують ехолокацію. Вони не бачать темної печери, крізь яку летять, але знають, що луна повернеться до них із деякою затримкою, і можуть використати той факт, що луна поширюється зі швидкістю звуку, щоб скласти карту темна печера. Ми це робимо, за винятком того, що світло поширюється зі швидкістю світла.

Я збирався сказати, що стіни навколо кажана не рухаються з релятивістською швидкістю, тож я думаю, що коли ви це робите, усе трохи складніше.

[Сміється.] Це трохи складніше, лише трохи...

Що тоді потрібно, щоб перейти від ваших даних — рентгенівських фотонів у відрі — до карти регіону навколо чорної діри?

Спочатку ми просто шукали діапазон довжин хвиль рентгенівського випромінювання, в якому, як ми знали, домінує випромінювання корони, і діапазон, у якому, як ми знали, домінує це відлуння. Ми виявили, що якщо перетворити часову затримку між цими діапазонами на відстань, яку проходить світло, це приблизно відповідатиме відображенню потоків газу дуже близько до чорної діри — щось у межах радіуса горизонту подій, яке в декілька разів перевищує радіус.

Зараз ми намагаємося створити багато різних симуляцій дискових систем коронної акреції, а потім ідентифікувати ті, які схожі на дані, які ми бачимо. Ми робимо це за допомогою так званого загального релятивістського моделювання трасування променів. Симуляції трасування променів використовуються у всіх видах відеоігор, і це той самий принцип: ми беремо точку, яка є моделлю для корони, ми світимо світлові промені від неї в усіх різних напрямках, і ми просто слідкуємо, де це світло промені йдуть. Частина з них піде до далекого спостерігача, а частина впаде в диск, опромінить диск, а потім відскочить і відіб'ється в площину телескопа.

Чим картування реверберації відрізняється від, скажімо, того, що телескоп Event Horizon Telescope зробив для отримання прямих зображень чорних дір?

Телескоп Event Horizon просто дивовижний для зображення чорних дір у центрі нашої галактики та M87, але насправді він може робити лише ці дві чорні діри. Більше того, якщо ми хочемо відповісти на питання про те, як ростуть чорні діри, нам потрібно поглянути на чорні діри, які активно ростуть прямо зараз, або, точніше, на чорні діри, які надзвичайно яскраві в рентгенівських променях.

Чорна діра в центрі нашої галактики, ймовірно, перебувала в цій фазі, коли вона активно росла і поїдала багато матеріалу. Наразі він цього не робить — і саме тому, що він не дуже сильно росте, телескоп Event Horizon може отримати його зображення безпосередньо. Щоб досліджувати ті чорні діри, які активно ростуть, де є матеріал високої щільності, що поспішає до чорної діри, нам потрібна інша техніка. І тут на допомогу приходить відображення реверберації.

Чи є якісь конкретні чорні діри, на які ви дивилися, які видаються вам особливо інформативними?

Моя загальна дослідницька тактика полягає в тому, щоб знайти чорні діри, які поводяться так, як ми очікуємо. Якщо ви можете зрозуміти деталі цих систем і можете точно простежити геометрію навколо чорної діри, тоді ви зможете зробити точні вимірювання маси та обертання чорної діри.

Одним із моїх улюблених зараз є рентгенівський подвійний файл MAXI J1820+070. Це не надмасивна чорна діра; це всього лише в 10 разів більше маси сонця. Він знаходиться в системі-компаньйоні із зіркою, і він витягує газ із цієї зірки та утворює акреційний диск і корону. Це просто дуже чиста система, і вона так близько до Землі: вона приблизно в тисячу разів яскравіша для нас, ніж ці надмасивні чорні діри.

І з іншого боку, які чорні діри видаються вам особливо екстремальними чи особливо дивними?

Мені подобається вивчати звичайних хлопців, а потім мені подобається крутити речі і дивитися, де все ламається. Що також справді весело, так це дивні системи, які просто не дають спати вночі, дивуючись: як, чорт вазьми, природа дозволила цьому статися? А джерело, яке не давало мені спати вночі, називається ASASSN-18el, це надмасивна чорна діра.

ASASSN-18el був знайдений всенебесна зйомка АСАС-СН як одна з цих чорних дір, які виглядали нормально, а потім, раптово, почалися божевільні спалахи. Ми почали спостерігати за ним за допомогою оптичних, ультрафіолетових та багатьох рентгенівських спостережень, і це просто пішло нанівець. У нього були такі початкові спалахи, а потім він вимкнувся — наприклад, зменшення яскравості на чотири порядки величини. Потім він знову увімкнувся і став найяскравішим джерелом рентгенівського випромінювання на позагалактичному небі приблизно на рік, а потім знову почав вимикатися. Тепер, схоже, він знову вмикається.

Ми думали, що час для того, щоб щось вимкнулося на чотири порядки величини, становитиме принаймні мільйони років. І все ж ми бачили, як це сталося через рік — чи кілька місяців. Як щось подібне відбувається?

Історично те, що ми знали про ці накопичувальні надмасивні чорні діри — які називаються активними галактичними ядрами — ми дізналися з опитувань, під час яких час від часу дивилися на них. Але зараз у нас є ці дослідження всього неба, які сканують небо пару разів на тиждень, і ми просто дивимося на ці чорні діри, спостерігаючи, що вони роблять. І виявилося, що коли ми на них не дивилися, вони робили всілякі божевільні речі. Зараз ми нарешті це усвідомлюємо.

Що спонукало вас зайнятися астрономією та вивчати чорні діри, і що надихає вас сьогодні?

Те, що мене справді захопило заняття астрономією, так це аспект відкриття: було просто неймовірно захоплююче бути першою людиною, яка побачила світло, яке випромінювалося навколо чорної діри мільярд років тому. Це дивовижно. Як так вийшло, що ми, мізерні люди, можемо навіть думати про ці речі або збиратися разом, щоб створювати технології, щоб відповісти на деякі з цих величезних фундаментальних запитань, які люди задають з самого початку людського мислення?

І мені подобається громадський аспект об’єднання людей заради спільної мети. У нас є таке уявлення про те, що таке «наука» — ніби ви сиділи самі по собі й надихалися своїм власним творчим генієм, і ви зробили всі ці відкриття самостійно. Але не це надихає. Для мене це те, що ми можемо працювати разом і використовувати досвід один одного, щоб створити щось набагато більше, ніж будь-хто з нас.