Teoreetiline füüsik sukeldub mustadesse aukudesse

Peaaegu iga galaktika keskmes varitseb näljane must auk.

Mõned võivad kasvada miljoneid kuni miljardeid kordi meie päikese massist suuremaks. Nende tugev gravitatsiooniväli võimaldab neil seda teha neelama lähedalasuvad planeedid, gaas ja tähed. Isegi valguse kiirus ei pääse membraani intensiivsest tõmbestmusta augu või sündmuste horisondi kohta – mida teadlased sageli nimetavad tagasipöördumise punkt .

Vaatamata nende arvukusele ja ähvardavale kohalolekule universumis jäävad need massiivsed majesteetlikud objektid astrofüüsikutele põhjatuks mõistatuseks.

'Need on universumi kõige mõistatuslikumad objektid,' Priyamvada Natarajan , Yale'i ülikooli teoreetiline astrofüüsik, rääkis ajakirjale Science Friday eelmises intervjuus . 'Need on hullult lahedad objektidarvestades, mida nad teevad valgusega, mida nad teevad ümbritseva ainega ja nii edasi… Need on kõige kummalisemad objektid.

[ LIGO teadlased avastavad järjekordse kosmilise kokkupõrke. ]

Need tabamatud omadused on need, mis meelitavadNatarajan musta augu ja tumeaine uurimise sügavusse. Teadusreede võttis Natarajani kokku, et küsida temalt, miks ta sattus mustade aukude poole, kuidas need galaktikaid kujundavad, tema lemmikkujutistest neid teles ja filmides, filosoofia rakendamist astronoomilistes küsimustes ja kuidas nad saavad tangot tantsida.

Kuidas tekkis sinus huvi mustade aukude uurimise vastu?
Olen alati tundnud aukartust salapärase ja mõistatusliku ees. Saladustunne koos täieliku mõistmise puudumisega on mind meelitanud uurima universumi tabamatuid nähtusi. See, mis näib olevat abstraktne ja raskesti mõistetav, on veidi kättesaamatu. Tegelikult on see üdini inimlik instinkt; me kõik oleme uudishimulikud mustade aukude vastu, sest need on nii erakordsed.

'Olen alati tundnud aukartust salapärase ja mõistatusliku ees.'

Mustadel aukudel on see veider piirkond, mida nimetatakse sündmuste horisondiks, mis näib tähistavat piiri teadaoleva ja tundmatu vahel, mis minu arvates on isiklikult väga intrigeeriv. Mustad augud ja tumeaine – kaks peamist uurimisvaldkonda, millega ma töötan – on minu jaoks väga sarnased: meil on palju sõltumatuid tõendeid, mis näitavad nende olemasolu kaudselt (kuna neid ei saa otseselt kaardistada), kuid nende tegelik olemus jääb siiski alles. hetkel tabamatu. See on just selline väljakutse, mis mind tõmbab.

Miks tekitavad mustad augud teadlaste ja avalikkuse seas nii suurt huvi?
Viimase 50 aasta jooksul on mustad augud muutunud eksootilisest matemaatilisest uudishimust, keeruka võrrandi lahendusest reaalsete astronoomiliste objektide klassideks, mille olemasolu saab kaudselt järeldada. Meie kiiresti areneva praeguse arusaama kohaselt on mustad augud tegelikult muutunud marginaalsest rollist universumi asustavate galaktikate tähtede kogunemise moduleerimisel keskset rolli.

Mustad augud on uurimistöös märkimisväärselt tõusnud tänu meie teoreetilise arusaama suurele lähenemisele, rohketele vaatlusandmetele ja nende modelleerimiseks saadaolevate arvutusmeetodite keerukusele. See mustade aukude teadusliku mõistmise erinevate lähenemisviiside ühtlustamine on liikunud umbes viimased kaks aastakümmet. Muidugi on LIGO koostöös teatatud hiljutine tähelepanuväärne gravitatsioonilainete avastamine kokkupõrkest mustadest aukudest olnud selle lähenemise sümboliks. Mustade aukude kohta on palju uusi põnevaid andmeid, mida me praegu kogume lähedal asuvate uinuvate supermassiivsete mustade aukude kohta, mis varitsevad galaktikate tsentrites, kaugetes aktiivselt toituvates mustades aukudes, mis säravad kvasaridena, ja muidugi ka musta augu kohta, mis asub meie enda galaktika keskpunkt.

[ Roger Penrose mõtiskleb hetkest, mil mustad augud läksid peavoolu. ]

Mis puutub uudishimuliku avalikkuse huvisse, siis mustad augud on alati hoidnud populaarset kujutlusvõimet, arvestades nende veidraid omadusi, mille hulgas on esmatähtis see, et need on äärmuslikud objektid, mis tähistavad punkti, kust isegi valgus ei naase!

Varasemas teadusreede intervjuus kolmanda gravitatsioonilaine tuvastamise kohta sina võrdlema mustade aukude ühinemine omamoodi tangoks. Miks on nähtus nagu tants?
Kahe musta augu ühinemise protsess on algselt aeglane tants, mille intensiivsus tõuseb nagu tango. Nad alustavad oma vastastikuse gravitatsioonilise külgetõmbe haardesse sattununa seotud paarina ja hakkavad üksteise ümber tiirlema. Pärast seda tõmmatakse neid järk-järgult üksteisele lähemale kriitilise kauguseni, kus kahanevast kaugusest tekkivad aegruumi moonutused on nii äärmuslikud, et hakkavad ilmnema esimesed aegruumi värinad – gravitatsioonilained. toodetud.

Esimese lainete kaskaadi kiirgamisel tähendab see, et nende orbiidil olev nurkimment või pöörlemine hakkab tõhusalt minema, muutes nad üksteisele lähemale ja võimaldades lõpuks kokku põrkuda.

Paljudes filmides kujutatakse musti auke millegi koletu ja hirmutavana. Miks nad selle maine saavutasid? Kas arvate, et see pilt muutub?
Juba enne musta augu teadusliku idee avastamist oli avalikus sfääris kasutusel mõiste 'must auk'. Sellel on õudne ajalugu. Termini päritolu võib otsida Indias Calcuttas asuvast vangikoopast, kus 20. juunil 1756 vangistatud sõdurid vangistati ja surid üleöö. See kohutav vangla, punkt, kust pole tagasipöördumist, määrati mustaks auguks. Kummalisel kombel osutub see muidugi sobivaks ja täpseks astrofüüsikaliste mustade aukude määratluseks. Pole üllatav, et termin must auk tähistas õudust. (Kui teid huvitab termini päritolu ja selle erinevad kasutusalad ilukirjanduses ja popkultuuris, vaadake minu viimast raamatut Taeva kaardistamine: radikaalsed teaduslikud ideed, mis paljastavad kosmose ).

'Mustad augud on tegelikult muutunud marginaalsest rollist universumit asustavate galaktikate tähtede kogunemise moduleerimiseks.'

Nende nähtamatus koos omapäraste omadustega on filmitegijate ja romaanikirjanike kujutlusvõimet vallandanud. Christopher Nolani hiljutine film, Tähtedevaheline , läheb tegelikult palju kaugemale lihtsalt mustade aukude kujutamisest koletute ja hirmutavatena. Selles filmis kasutavad kosmoseuurijad ülimassiivse musta augu Gargantua tohutut gravitatsiooni, et suunata nad uuematesse kaugematesse maailmadesse. See on kindlasti näide sellest, kuidas mustade aukude veidraid omadusi on kasutatud konstruktiivselt ja geniaalselt.

Kuid enamasti on musti auke kasutatud hirmu tekitamiseks ja kujuteldamatu õuduse kujutamiseks, võin lisada, et üsna edukalt. Näiteks on veel üks näide, kus musti auke on fantaasiarikkalt kasutatud, minu lemmikanimesarjas, Rumiko Takahashi mangas, Inuyasha . Siin on peategelase Miroku käsi neetud tema esivanemate poolt ja see muundub mustaks auguks - tuuletunneliks -, mis hävitab kõik ja kõik, mida ta kohtab. Sellega kaasneb muidugi oht Miroku ise alla neelata!

[ Teadlased jälgivad valgust, et kaardistada kosmiline pimedus. ]

Kasutate mustade aukude uurimiseks valguse painutamist. Miks on neid nii raske visualiseerida?
Mustade aukude tohutu gravitatsiooni tõttu mõjutavad need lähedale sattuvate valguskiirte radasid. Kui valguskiired satuvad sündmuste horisondile ohtlikult lähedale või tungivad sellesse, peatab must auk need täielikult. Kui need aga lihtsalt suletakse footoni raadiuse kaugusel (asub väljaspool sündmuste horisonti), paindub need musta augu gravitatsiooni mõjul ümber. Painutus on nii äärmuslik, et see vastaks sellele, et näeksime musta augu tagumist külge. Seda tugevat painutust, mis tekiks valguskimbus, on raske nii välja arvutada kui ka visuaalselt kujutada. See renderdati täpselt ja visualiseeriti kaunilt Tähtedevaheline .

See on Gargantua musta augu akretsiooniketta variant, milles nähtud Tähtedevaheline projekteeris Double Negative Visual Effects, mis filmi kallal töötas. Krediit: Topeltnegatiivsed visuaalsed efektid/© Warner Bros. Entertainment Inc./CC BY-NC-ND 3.0

Mida võib mustade aukude olemus ja dünaamika meile meie universumi kohta öelda?
Mustade aukude olemus ja dünaamika räägivad meile palju nende rollist galaktikate moodustumise moduleerimisel. Aktiivsed mustad augud, kvasarid, mis muutuvad nähtavaks langeva gaasi hõõgumise tõttu, mängivad tõenäoliselt peaosa galaktikas tähtede tekke kontrollimisel.

Kvasarid, universumi tuletornid, on tuvastatavad universumi kõige kaugemates piirkondades ja võivad paljastada, millal universumis süttivad esimesed struktuurid. Kuigi mustad augud ei aita märkimisväärselt kaasa universumi üldisele massivarule, on energia, mida toodavad surevad gaasid ja tähed, mis mustadesse aukudesse langevad, märkimisväärne. Gravitatsioonilainete tuvastamine liituvatest mustadest aukudest on tõestanud, et meie kontseptuaalne arusaam ja raamistik, mille oleme välja töötanud universumi ja selle sisu uurimiseks – Einsteini üldrelatiivsusteooria – on kinnitatud.

[ Üldrelatiivsusteooria 100. aastapäeva tähistamine. ]

Teadlastena on loomulikult meie eesmärk suurendada oma praeguste mõõtmiste täpsust ja näha, kas see teooria töötab ikka veel, kui meil on paremaid ja kvaliteetsemaid andmeid. Oleks põnev, kui teooriasse tekivad uued mõrad ja ilmnevad mõned vaatlusanomaaliad. Nii avaneb sageli uks täiesti uuele teooriale, mis pakub põhjalikumat selgitust. Teisest küljest võib selguda, et Einsteini üldrelatiivsusteooria pakub jätkuvalt andmete ja meie universumi täpset kirjeldust.

Millised on suurimad arusaamatused mustade aukude kohta?
Pole päris kindel, mis arusaamatus on, kuid kindlasti on ebamugavaid küsimusi – ebamugav, kuna meil pole neile veel teaduslikke vastuseid. Mõned populaarsed: mis tegelikult juhtub mateeria ja valgusega, kui need ületavad sündmuste horisondi? Mis juhtub nende energia ja teabega? Ja kui singulaarsus on tõesti aegruumi rebenemine, kuhu see viib? Ussiauk teise universumisse?

Need on küsimused, mis on teadusliku uurimise tipptasemel ja on aktiivsed uurimisvaldkonnad. Loodetavasti saavad need küsimused, millele saame lähiaastatel vastata, mitte ainult spekuleerida.

[ Astronoomid mängivad peitust ülimassiivsete mustade aukudega. ]

Samuti olete osa oma akadeemilisest karjäärist veetnud filosoofiat õppides. Kuidas see mõjutab teie arusaamist ja lähenemist astrofüüsika uurimistööle?

Alustasin doktorikraadi omandamist teaduse ajaloo ja filosoofia alal Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi teaduse, tehnoloogia ja ühiskonna (STS) programmis, kus olin olnud bakalaureuseõppes. Tahtsin olla uut tüüpi intellektuaalselt hõivatud teadlane, keegi, kes töötaks astrofüüsika eesliinil ja mõtleks samas sügavamalt ja laiemalt nende ideede üle, mis minu teadustöö aluseks olid. Mind huvitas alati nii teaduse protsess kui ka teaduse sisu. Nii arvasin oma nooruses, et vajan kahte doktorikraadi, ühte STS-is ja teist astrofüüsikas. Pärast kursuste sooritamist STS-is ning lugema ja kirjutama õppimist (erinevalt arvutamisest … see vihjab klassikalisele MIT-Harvardi naljale tudengist, kellel on kärutäis toidukaupu kohaliku Stop & Shopi viie kaubaartikli kassa juures. ), sain doktorikraadiks kvalifitseeruda, oli minu plaan alustada astrofüüsika doktorikraadiga, lõpetada see ja siis tulla tagasi ja lõpetada STS-i kraad. Noh, elu on imelik ja maagiline, lõpetasin doktorikraadi. Cambridge'i astronoomiainstituudis (Ühendkuningriik) ning minu astrofüüsika uurimine ja karjäär läksid nii hoogu, et ma ei vaadanud kunagi tagasi. Olen endiselt ABD (kõik peale väitekirja) MIT STSis!

'Nende kahe erineva maailmavaate piiritlemine on võimaldanud mul harjutada ideede hindamist ja hindamist üheaegselt nii siseringi kui ka autsaiderina.'

Kuid see, mida humanitaarteaduste lõpetaja on mulle andnud, on nüansirikkam arusaam teaduse toimimisest. Samuti on see paratamatult kujundanud seda, kuidas ma oma teadusliku uurimistöö probleemidele lähenen. Kuid sügavam mõju on olnud selle mõju minu isiklikule intellektuaalsele otsingule – ma otsin nii laiaulatuslikku kui ka sügavat arusaamist kõigest, mille kallal töötan, ning see interdistsiplinaarne kokkupuude on aidanud kasvatada minu jõudu ja teadmisi konkreetses töömaitses. Seda iseloomustab ideede süntees, mis esialgu tunduvad olevat erinevad ja lahti ühendatud.

Nende kahe erineva maailmavaate joondumine on võimaldanud mul harjutada ideede hindamist ja hindamist üheaegselt nii sees- kui ka autsaiderina. Töö MIT STS-is aitas mul ka palju paremaks kirjanikuks saada. Olen alati tahtnud kirjutada nii uudishimulikule avalikkusele kui ka oma teaduskaaslastele.

Milliseid mõistatusi tahaks veel mustade aukudega seoses lahendada?
Minu jaoks isiklikult on hetkel kõige põnevam küsimus seoses esimeste mustade aukude päritoluga. Need on niinimetatud 'seemne mustad augud', mis lõpuks kasvasid ülimassiivseteks mustadeks aukudeks, mis näivad praegu asuvat peaaegu kõigi galaktika, sealhulgas meie galaktika keskmes.

Umbes kümme aastat tagasi tegime mitmes artiklis ettepaneku, et nende esialgsete seemnete mustade aukude tegemiseks võiks olla alternatiivne viis. Me väitsime, et lisaks esimeste tähtede surmale võimaldavad varases universumis olemasolevad tingimused moodustada täiesti uue massilisemate mustade aukude seemnete klassi. See uus kanal tekitaks otsese kokkuvarisemise musta augu seemneid, mis oleksid algusest peale haruldasemad, kuid äärmiselt massiivsed (umbes 10 000–100 000 korda suuremad kui meie päikese mass).

[ Füüsikud avavad mustade aukude saladusi. ]

Massiivsed varased seemned on väga kasulikud, et selgitada ülimassiivseid musti auke (mille mass ületab mõne miljardi päikesemassi), mis näivad olevat toiteallikaks kõige kaugemad ja heledamad kvasarid, mis avastati väga varases universumis, üsna ebamugavalt varsti pärast Suurt Pauku. Massiivsete mustade aukude seemnete kiire valmistamine väga varajases universumis võimaldab meil selgitada tänapäeval tuvastatud kõige massiivsemate mustade aukude kokkupanemise ajalugu, kuna see on mustade aukude kasvu mõistatuse võtmeosa. Seda massiivsete mustade aukude seemnete ideed testib eelseisev satelliidimissioon James Webbi kosmoseteleskoop, mis plaanitakse välja saata järgmisel aastal. On väga konkreetseid ennustusi selle kohta, mida James Webbi pardal olevad instrumendid nägema peaksid.

Oleks äge, kui avastataks nende seemnete allkirjad. Muidugi oleks põnev, kui tuvastataks otsese kokkuvarisemise mustad augud, mis kinnitaks ideed, kuid oleks siiski põnev, kui see lõplikult ümber lükataks. Kunagi varem ajaloos ei saanud uusi ideid nii kiiresti katsetada. Sellel kiire tempoga ajastul on nii lõbus teadusega tegeleda, kui elu jooksul saab uusi ideid hinnata ja heaks kiita või tagasi lükata.

Mis sind kosmoloogia ja astrofüüsika uuringute tuleviku suhtes erutab?
Minu arvates on põnev uurida kosmoloogia põhiküsimusi, mis on olulised meie arusaamisele sellest universumist ja sellest, kuidas me siia jõudsime. Nagu ma mainisin, on kosmoloogias käes üsna eriline aeg, kuna meie ideede ja instrumentide keerukus on lõpuks ühtlustunud ning see võimaldab kiirendada avastustempot. Andmete rohkus, mis meil praegu on ja mida peagi oodatakse paljudest uutest vaatluskeskustest ja instrumentidest kohapeal ja kosmoses, pakuvad meie teooriate uusi katseid. Põnevus seisneb selles, et me ei tea, mida võime avastada.

Kes teab, mis ees ootab. Tuletan endale pidevalt meelde, et veel 100 aastat tagasi ei teadnud me teiste galaktikate olemasolust. Meie kosmiline vaade piirdus ainult Linnuteega. Võib-olla avastame järgmise 100 aasta jooksul usaldusväärseid tõendeid teiste universumite olemasolu kohta! Arvan, et enne seda avastame tõenäoliselt, et me pole universumis üksi, võib-olla mitte mõni teine ​​intelligentne tsivilisatsioon, mis on päriselt sarnane meie omaga, aga kindlasti mingi eluvorm mujal. Olen lihtsalt nii tänulik ja õnnelik, et olen praegu elus ja mul on eesõigus teadusega tegeleda.

Parandus, 21. august 2017: selle artikli varasem versioon väitis, et sõdurite vangistamise kuupäev Calcutta mustas augus oli 20. juuni 1956. Õige kuupäev on 20. juuni 1756.