Egy elméleti fizikus belemerül a fekete lyukakba

Egy elméleti fizikus belemerül a fekete lyukakba

Szinte minden galaxis közepén lapul egy éhes fekete lyuk.

Néhányuk millió-milliárdszor nagyobbra nőhet, mint napunk tömege. Erős gravitációs terük lehetővé teszi számukra elnyel közeli bolygók, gázok és csillagok. Még a fénysebesség sem tudja elkerülni a membrán intenzív húzásátegy fekete lyuk vagy eseményhorizont – amit a kutatók gyakran emlegetnek a pont ahonnan nincs visszatérés .



Priyamvada Natarajan. Hitel: G.A. Molnár

Az univerzumban való bőségük és fenyegető jelenlétük ellenére ezek a hatalmas, fenséges objektumok feneketlen rejtélyek maradnak az asztrofizikusok számára.

„Ők a világegyetem legrejtélyesebb tárgyai” Priyamvada Natarajan , a Yale Egyetem elméleti asztrofizikusa, – mondta a Science Friday egy korábbi interjújában . „Őrülten klassz tárgyaktekintettel arra, hogy mit tesznek a fénnyel, mit tesznek a körülöttük lévő anyagokkal, és így tovább… Ők a legfurcsább tárgyak.”

[ A LIGO tudósai újabb kozmikus ütközést észleltek. ]

Ezek a megfoghatatlan tulajdonságok csábítjákNatarajan a fekete lyukak és a sötét anyag kutatásának mélypontjába. A Science Friday elkapta Natarajant, és megkérdezte tőle, miért esett bele a fekete lyukakba, hogyan formálják a galaxisokat, hogyan alakítják a galaxisokat kedvencei a tévében és a filmekben, hogyan alkalmazzák a filozófiát a csillagászati ​​kérdésekre, és hogyan táncolhatnak tangót.

Hogyan kezdett érdeklődni a fekete lyukak tanulmányozása iránt?
Mindig is féltem a titokzatostól és a rejtélyestől. A titokzatosság érzése a teljes megértés hiányával párosulva vonzott, hogy a világegyetem megfoghatatlan jelenségeit tanulmányozzam. Ami csak egy kicsit elérhetetlennek tűnik az elvontság és a nehezen felfogható szempontok miatt, az csábít. Valójában ez egy teljesen emberi ösztön; mindannyian kíváncsiak vagyunk a fekete lyukakra, mert olyan rendkívüliek.

'Mindig is féltem a titokzatos és rejtélyes dolgoktól.'

A fekete lyukaknál van ez az eseményhorizontnak nevezett bizarr régió, amely úgy tűnik, hogy kijelöli a határt a megismerhető és a megismerhetetlen között, amit személy szerint nagyon érdekesnek találok. A fekete lyukak és a sötét anyag – a két kulcsfontosságú kutatási terület, amelyen dolgozom – nagyon hasonló módon csábítanak rám: számos független bizonyítékunk van, amelyek közvetetten felfedik létezésüket (mivel közvetlenül nem térképezhetők fel), valódi természetük mégis megmarad. pillanatnyilag megfoghatatlan. Ez az a fajta kihívás, ami vonz.

Miért keltenek olyan nagy érdeklődést a fekete lyukak a kutatók és a közvélemény körében?
Az elmúlt 50 év során a fekete lyukak egzotikus matematikai érdekességből, egy összetett egyenlet megoldásából valódi csillagászati ​​objektumok osztályaivá váltak, amelyek jelenlétére közvetetten következtethetünk. Gyorsan fejlődő jelenlegi felfogásunk szerint a fekete lyukak valójában marginálisakból döntő szerepet játszanak az univerzumot benépesítő galaxisokban a csillagok összeállításának modulálásában.

A fekete lyukak nagymértékben újjáéledtek a kutatás terén az elméleti felfogásunk nagymértékű konvergenciája, a rengeteg megfigyelési adat és a modellezésükre rendelkezésre álló számítási módszerek kifinomultsága miatt. A fekete lyukak tudományos megértésére irányuló különféle megközelítések összehangolása az elmúlt két évtizedben folyamatban van. Természetesen a közelmúltban a LIGO-együttműködés által jelentett, az ütköző fekete lyukakból származó gravitációs hullámok látványos felfedezése ennek a konvergenciának a jelképe. Rengeteg új, izgalmas adatot gyűjtünk a fekete lyukakról, amelyeket jelenleg gyűjtünk a galaxisok középpontjában megbúvó közeli, szunnyadó szupermasszív fekete lyukakról, a távoli, aktívan táplálkozó, kvazárként ragyogó fekete lyukakról, és természetesen az itt található fekete lyukról. saját galaxisunk központja.

[ Roger Penrose arra a pillanatra gondol, amikor a fekete lyukak általánossá váltak. ]

Ami a kíváncsi közönség érdeklődését illeti, a fekete lyukak mindig is megragadták a népszerű képzeletet, tekintettel bizarr tulajdonságaikra, amelyek közül elsősorban az, hogy szélsőséges objektumok, amelyek még a fény számára sem térnek vissza!

Egy korábbi Science Friday-interjúban a harmadik gravitációs hullám észleléséről, te összehasonlítani a fekete lyukak összeolvadása egyfajta „tangóvá”. Miért olyan a jelenség, mint egy tánc?
A két fekete lyuk egyesülésének folyamata kezdetben egy lassú tánc, amely tangóhoz hasonló intenzitású. Kölcsönös gravitációs vonzásuk szorításában egy kötött párként indulnak el, és egymás körül keringenek. Ezt követően fokozatosan egyre közelebb kerülnek egymáshoz egy kritikus távolságig, amikor is a zsugorodó távolságból származó téridő-torzulások olyan extrémek, hogy a téridő első remegései – a gravitációs hullámok – elkezdődnek. előállított.

Ez a két fekete lyuk a tangót táncolja. Köszönet: LIGO Lab Caltech/MIT/SXS

A hullámok első kaszkádjának kibocsátása azt jelzi, hogy a pályájukon lévő szögimpulzus vagy forgás kezd hatékonyan elvetni, közelebb ölelve őket, és végül lehetővé teszi számukra, hogy fejjel ütközzenek.

Sok filmben a fekete lyukakat szörnyű és félelmetes dologként ábrázolják. Miért szerezték meg ezt a hírnevet? Szerinted változik ez a kép?
Még azelőtt, hogy a fekete lyuk tudományos elképzelését felfedezték volna, a „fekete lyuk” kifejezést használták a nyilvános szférában. Hátborzongató története van. A kifejezés eredete az indiai Kalkuttában található börtönre vezethető vissza, ahol 1756. június 20-án fogságba esett katonákat zártak be, és egyik napról a másikra meghaltak. Ezt a szörnyű börtönt, ahonnan nincs visszatérés, fekete lyuknak nevezték el. Furcsa módon persze ez találó és pontos definíciónak bizonyult az asztrofizikai fekete lyukak számára. Nem meglepő módon a fekete lyuk kifejezés a horrort jelentette. (Ha kíváncsi a kifejezés eredetére és a szépirodalomban és a popkultúrában való különféle használatára, nézze meg legújabb könyvemet A mennyország feltérképezése: A radikális tudományos ötletek, amelyek feltárják a kozmoszt ).

„A fekete lyukak valójában marginálisakból kulcsszerepet játszanak az univerzumot benépesítő galaxisokban a csillagok gyülekezésének modulálásában.”

Láthatatlanságuk sajátos tulajdonságaikkal párosulva beindította a filmesek és a regényírók fantáziáját. Christopher Nolan legújabb filmje, Csillagközi , valójában jóval túlmutat azon, hogy a fekete lyukakat szörnyűnek és félelmetesnek ábrázolja. Ebben a filmben az űrkutatók kihasználják a szupermasszív fekete lyuk, a Gargantua hatalmas gravitációját, hogy újabb, távolabbi világokba tereljék őket. Ez határozottan egy példa arra, hogy a fekete lyukak bizarr tulajdonságait konstruktív és zseniális módon alkalmazták.

De a legtöbbször a fekete lyukakat ijesztgetésre és elképzelhetetlen horror ábrázolására használták, hozzáteszem, meglehetősen sikeresen. Például egy másik példa, ahol ötletesen alkalmaznak fekete lyukakat, az a kedvenc animesorozatom, Rumiko Takahashi mangája, Inuyasha . Itt a főszereplő, Miroku kezét az ősei átkozzák, és egy fekete lyukká - szélcsatornává - változik, amely elpusztít mindent, amivel találkozik. Ez természetesen magában hordozza annak a kockázatát, hogy magát Mirokut is lenyeli!

[ A kutatók nyomon követik a fényt, hogy feltérképezzék a kozmikus sötétséget. ]

A fény hajlítását használja a fekete lyukak tanulmányozására. Miért olyan nehéz ezeket elképzelni?
A fekete lyukak hatalmas gravitációja miatt becsapják a közeledő fénysugarak útját. Ha a fénysugarak veszélyesen közel kerülnek az eseményhorizonthoz, vagy áthatolnak azon, a fekete lyuk teljesen leállítja őket. Ha azonban csak a fotonsugárnak nevezett távolságban (az eseményhorizonton kívül helyezkednek el), akkor a fekete lyuk gravitációja meggörbíti őket. A hajlítás olyan extrém, hogy az megfelelne annak, ha látnánk a fekete lyuk hátoldalát. Nehéz egyszerre kiszámítani ezt az erős hajlítást, amely egy fénysugarak kötegében jön létre, és vizuálisan is ábrázolni. Ezt pontosan visszaadták és gyönyörűen megjelenítették Csillagközi .

Ez a Gargantua fekete lyuk akkréciós korongjának egy változata Az Interstellart a Double Negative Visual Effects tervezte, amely a filmen dolgozott. Hitel: Dupla negatív vizuális effektusok/© Warner Bros. Entertainment Inc./CC BY-NC-ND 3.0

Mit árul el a fekete lyukak természete és dinamikája univerzumunkról?
A fekete lyukak természete és dinamikája sokat elárul a galaxisok kialakulásának modulálásában játszott szerepükről. Az aktív fekete lyukak, kvazárok, amelyek a lehulló gáz izzása miatt válnak láthatóvá, valószínűleg főszerepet játszanak a galaxis csillagok kialakulásának szabályozásában.

A kvazárok, az univerzum világítótornyai az univerzum legtávolabbi pontjain is észlelhetők, és felfedhetik, hogy mikor gyulladnak ki az első építmények az univerzumban. Míg a fekete lyukak nem járulnak hozzá jelentősen az univerzum teljes tömegéhez, a gázok haldokló zihálása és a fekete lyukakba hulló csillagok által termelt energia jelentős. Az egyesülő fekete lyukakból származó gravitációs hullámok észlelése bebizonyította, hogy koncepcionális felfogásunk és az a keretrendszer, amelyet az univerzum és annak tartalmának tanulmányozására fejlesztettünk ki – Einstein általános relativitáselmélete – igazolódott.

[ Az általános relativitáselmélet 100 éves fennállásának ünneplése. ]

Természetesen tudósként az a küldetésünk, hogy erősítsük jelenlegi méréseink pontosságát, és megvizsgáljuk, hogy ez az elmélet még mindig működik-e, amikor egyre jobb és jobb minőségű adatok állnak rendelkezésünkre. Izgalmas lenne, ha új repedések jelennének meg az elméletben, és megfigyelési anomáliák jelennének meg. Gyakran így nyílik meg az ajtó egy vadonatúj elmélet előtt, amely átfogóbb magyarázatot kínál. Másrészt kiderülhet, hogy Einstein általános relativitáselmélete továbbra is pontos leírást ad az adatokról és univerzumunkról.

Melyek a legnagyobb félreértések a fekete lyukakkal kapcsolatban?
Nem egészen biztos benne, hogy mi a félreértés, de határozottan vannak kínos kérdések – kínosak, mivel még nincs rájuk tudományos válaszunk. Néhány népszerű: Mi történik valójában az anyaggal és a fénnyel, amikor átlépik az eseményhorizontot? Mi történik az energiájukkal és információikkal? És ha a szingularitás valóban tér-idő szakadás, hová vezet? Egy féreglyuk egy másik univerzumba?

Ezek olyan kérdések, amelyek a tudományos kutatás élvonalába tartoznak, és a kutatás aktív területei. Remélhetőleg ezek olyan kérdések lesznek, amelyekre az elkövetkező években valóban meg tudunk válaszolni, nem pedig csak találgatni.

[ A csillagászok bújócskát játszanak a szupermasszív fekete lyukakkal. ]

Tudományos pályafutása egy részét filozófia tanulmányozásával is töltötte. Hogyan befolyásolja az Ön asztrofizikai kutatásainak megértését és megközelítését?

A fekete lyukak dinamikája szerepet játszik a világegyetem számtalan galaxisának kialakításában. Hitel: NASA, ESA és a HST Frontier Fields csapata (STScI), Köszönetnyilvánítás: Judy Schmidt

Tudománytörténetből és tudományfilozófiából kezdtem doktori fokozatot a Massachusetts Institute of Technology (STS) Tudomány, Technológia és Társadalom (STS) programjában, ahol egyetemista voltam. Újfajta, intellektuálisan elkötelezett tudós akartam lenni, aki az asztrofizika élvonalában dolgozik, ugyanakkor mélyebben és tágabban gondolkodik a tudományos munkám alapjául szolgáló gondolatokról. Mindig is érdekelt a tudomány folyamata és a tudomány tartalma. Fiatalkoromban úgy gondoltam, hogy két Ph.D. fokozatra van szükségem, egy STS-ből és egy asztrofizikából. Miután elvégeztem a kurzusomat, az STS-ben és megtanultam írni és olvasni (ellentétben a számolással… ez egy klasszikus MIT-Harvard viccre utal, amikor egy diák egy szekér élelmiszerrel van a helyi Stop & Shop öt tételes pénztáránál. ), az volt a tervem, hogy elkezdem az asztrofizika Ph.D.-t, befejezem, majd visszatérek és befejezem az STS-t. Nos, az élet furcsa és varázslatos, végül befejeztem a doktori fokozatot. a Cambridge-i Csillagászati ​​Intézetben (Egyesült Királyság), és asztrofizikai kutatásaim és pályafutásom felgyorsult, így nem néztem vissza. Még mindig ABD (minden, kivéve disszertáció) vagyok az MIT STS-nél!

„A két különböző világnézet egymásra találása lehetővé tette számomra, hogy bennfentesként és kívülállóként egyszerre gyakoroljam az ötletek értékelését és értékelését.”

Amit azonban ez a bölcsészképzés adott, az árnyaltabb megértése a tudomány működésének. Emellett elkerülhetetlenül alakította azt, ahogyan tudományos kutatásaim során a problémákat közelítem meg. A mélyrehatóbb hatása azonban személyes intellektuális küldetésemre gyakorolt ​​hatása volt – mindannak széleskörű és mély megértését keresem, amin dolgozom, és ez az interdiszciplináris expozíció segített fejleszteni az erőmet és a szakértelmemet a munka egy bizonyos ízében, olyan ötletek szintézise jellemzi, amelyek kezdetben különbözőnek és szétválasztottnak tűnnek.

E két különböző világnézet egymásra találása lehetővé tette számomra, hogy bennfentesként és kívülállóként egyszerre gyakoroljam az ötletek értékelését és értékelését. A MIT STS-nél töltött idő is segített abban, hogy sokkal jobb író legyek. Mindig is szerettem volna írni a kíváncsi közönségnek és a tudományos munkatársaimnak.



Milyen rejtélyeket szeretnének még megoldani a fekete lyukakkal kapcsolatban?
Számomra jelenleg a legizgalmasabb kérdés az első fekete lyukak eredete. Ezek az úgynevezett „mag-fekete lyukak”, amelyek végül szupermasszív fekete lyukakká nőttek, amelyek mára szinte minden galaxis középpontjában találhatók, beleértve a miénket is.

Körülbelül egy évtizeddel ezelőtt egy sor tanulmányban azt javasoltuk, hogy létezhetne egy alternatív út a kezdeti fekete lyukak létrehozására. Azzal érveltünk, hogy az első csillagok halála mellett a korai univerzumban rendelkezésre álló feltételek lehetővé tennék a nagyobb tömegű fekete lyuk magvak egy teljesen új osztályának kialakulását. Ez az új csatorna közvetlen összeomlást okozó fekete lyuk magvakat készítene, amelyek ritkábbak, de rendkívül masszívak lennének (kb. 10 000-100 000-szer nagyobb tömegűek, mint napunk tömege).

[ A fizikusok megfejtik a fekete lyukak titkait. ]

A masszív korai magvak rendkívül hasznosak az ultramasszív fekete lyukak magyarázatában (amelyek tömege meghaladja a néhány milliárd naptömeget), amelyek a jelek szerint a legtávolabbi és legfényesebb kvazárokat működtetik, amelyeket a nagyon korai univerzumban észleltek, meglehetősen kellemetlenül nem sokkal az Ősrobbanás után. A hatalmas fekete lyuk magvak gyors előállítása a nagyon korai univerzumban lehetővé teszi számunkra, hogy megmagyarázzuk a ma észlelt legmasszívabb fekete lyukak összeállításának történetét, mivel ez a fekete lyukak növekedésének rejtvényének kulcsfontosságú eleme. A hatalmas fekete lyuk magvak ötletét a közelgő műholdküldetés, a James Webb Űrteleszkóp teszteli, amelyet a tervek szerint jövőre indítanak fel. Nagyon konkrét előrejelzések vannak arra vonatkozóan, hogy a James Webb fedélzetén lévő műszereknek mit kell látniuk.

Csodálatos lenne, ha ezeknek a magoknak a jeleit észlelnék. Természetesen izgalmas lenne, ha közvetlen összeomlású fekete lyukakat észlelnének, ami igazolná az ötletet, de még mindig izgalmas lenne, ha véglegesen cáfolnák. A történelem során még soha nem lehetett ilyen gyorsan tesztelni az új ötleteket. Nagyon szórakoztató tudományt űzni ebben a rohanó korszakban, amikor egy életen belül új ötleteket lehet értékelni és elfogadni vagy elutasítani.

Mi izgatja Önt a kozmológia és asztrofizikai kutatások jövője kapcsán?
Izgalmasnak találom a kozmológia azon alapvető kérdéseinek kutatását, amelyek kulcsfontosságúak az univerzum megértéséhez és ahhoz, hogy miként jutottunk el idáig. Mint említettem, ez egy meglehetősen különleges időszak a kozmológiában, mivel ötleteink és eszközeink kifinomultsága végre összhangba került, és ez lehetővé teszi a felfedezések felgyorsítását. Az a rengeteg adat, amely jelenleg rendelkezésünkre áll, és amely hamarosan várható a rengeteg új megfigyelőközponttól és műszertől a földön és az űrben, új teszteket kínál elméleteinkhez. Az izgalom abban rejlik, hogy nem tudjuk, mit fedezhetünk fel.

Ki tudja, mi vár. Folyamatosan emlékeztetem magam arra, hogy 100 évvel ezelőtt még nem tudtunk más galaxisok létezéséről. Kozmikus nézetünk csak a Tejútrendszerre korlátozódott. Talán a következő 100 évben hiteles bizonyítékokat fogunk feltárni más univerzumok létezésére! Azt hiszem, ezt megelőzően valószínűleg felfedezzük, hogy nem vagyunk egyedül az univerzumban, talán nem egy másik intelligens civilizáció, mint a miénk, de határozottan az élet valamilyen formája máshol. Nagyon hálásnak és szerencsésnek érzem magam, hogy most élek, és abban a kiváltságban, hogy a tudományban foglalkozhatok.

Helyesbítés, 2017. augusztus 21.: A cikk egy korábbi változata azt állította, hogy a katonák bebörtönzésének dátuma a kalkuttai fekete lyuknál 1956. június 20. A helyes dátum 1756. június 20.