Teorētiskais fiziķis ienirst melnajos caurumos

Gandrīz katras galaktikas centrā ir izsalcis melnais caurums.

Daži var izaugt miljoniem līdz miljardiem reižu lielāki par mūsu saules masu. Viņu spēcīgais gravitācijas lauks ļauj viņiem aprīt tuvumā esošās planētas, gāze un zvaigznes. Pat gaismas ātrums nevar izvairīties no intensīvas membrānas vilkšanasmelnais caurums vai notikumu horizonts — ko pētnieki bieži dēvē par neatgriešanās punkts .

Neskatoties uz to pārpilnību un draudošo klātbūtni Visumā, šie masīvie, majestātiskie objekti joprojām ir bezgalīgs noslēpums astrofiziķiem.

'Tie ir vismīļīgākie objekti Visumā,' Priyamvada Natarajan , teorētiskais astrofiziķis Jēlas universitātē, teica Science Friday iepriekšējā intervijā . 'Tie ir traki forši objektiņemot vērā to, ko viņi dara ar gaismu, ko viņi dara ar apkārtējo vielu un tā tālāk… Tie ir dīvainākie objekti.

[ LIGO zinātnieki atklāj vēl vienu kosmisku sadursmi. ]

Šīs nenotveramās īpašības ir tās, kas vilinaNatarajans iedziļinājies melnā cauruma un tumšās vielas izpētes dziļumos. Zinātnes piektdiena uzrunāja Natarajanu, lai jautātu viņai par to, kāpēc viņa iekrita melnajos caurumos, kā tās veido galaktikas, viņas iecienītākos to attēlojumus televīzijā un filmās, filozofijas pielietošanu astronomijas jautājumos un to, kā viņi var dejot tango.

Kā jūs interesējaties par melno caurumu izpēti?
Es vienmēr esmu bijis bijībā pret noslēpumaino un mīklaino. Noslēpuma sajūta kopā ar pilnīgas izpratnes trūkumu mani ir piesaistījusi pētīt netveramas parādības Visumā. Tas, kas šķiet nedaudz nepieejams, jo ir abstrakts un grūti aptverams, aicina. Patiesībā tas ir pilnīgi cilvēcisks instinkts; mēs visi esam ziņkārīgi par melnajiem caurumiem, jo ​​tie ir tik neparasti.

'Es vienmēr esmu bijis bijībā par noslēpumaino un mīklaino.'

Melnajiem caurumiem ir šis dīvainais reģions, ko sauc par notikumu horizontu, kas, šķiet, iezīmē robežu starp zināmo un neizzināmo, kas man personīgi šķiet ļoti intriģējošs. Melnie caurumi un tumšā viela — divas galvenās pētniecības jomas, pie kurām es strādāju — mani vilina ļoti līdzīgā veidā: mums ir daudz neatkarīgu pierādījumu, kas atklāj to eksistenci netieši (jo tos nevar tieši kartēt), tomēr to patiesā būtība paliek. šobrīd nenotverams. Tas ir tikai tāds izaicinājums, kas mani piesaista.

Kāpēc melnie caurumi izraisa tik lielu pētnieku un sabiedrības interesi?
Pēdējo 50 gadu laikā melnie caurumi ir pārvērtušies no eksotiskas matemātiskas zinātkāres, sarežģīta vienādojuma risinājuma uz reālu astronomisku objektu klasēm, kuru klātbūtni var secināt netieši. Saskaņā ar mūsu strauji mainīgo pašreizējo izpratni, melnie caurumi faktiski ir kļuvuši no margināliem uz galveno lomu zvaigžņu kopas modulēšanā galaktikās, kas apdzīvo Visumu.

Melnajiem caurumiem ir bijusi ievērojama atdzimšana pētniecības ziņā, pateicoties lielai mūsu teorētiskās izpratnes konverģencei, novērojumu datu bagātībai un to modelēšanai pieejamo skaitļošanas metožu sarežģītībai. Šāda dažādu pieeju saskaņošana, lai zinātniski izprastu melnos caurumus, ir bijusi kustībā pēdējo divu desmitgažu laikā. Protams, nesenais iespaidīgais gravitācijas viļņu atklājums no melno caurumu sadursmes, par ko ziņots LIGO sadarbībā, ir šīs konverģences simbols. Ir daudz jaunu aizraujošu datu par melnajiem caurumiem, ko mēs šobrīd apkopojam par blakus esošajiem neaktīvajiem supermasīvajiem melnajiem caurumiem, kas slēpjas galaktiku centros, par tālu, aktīvi barojošiem melnajiem caurumiem, kas spīd kā kvazāri, un, protams, par melno caurumu, kas atrodas plkst. mūsu pašu galaktikas centrs.

[ Rodžers Penrouzs pārdomā brīdi, kad melnie caurumi kļuva plaši izplatīti. ]

Kas attiecas uz ziņkārīgās sabiedrības interesi, melnie caurumi vienmēr ir ietekmējuši tautas iztēli, ņemot vērā to dīvainās īpašības, no kurām galvenais ir tas, ka tie ir ekstrēmi objekti, kas norāda uz punktu, no kura pat gaismai nav atgriešanās!

Iepriekšējā Zinātnes piektdienas intervijā par trešā gravitācijas viļņa noteikšanu jūs salīdzināt melno caurumu saplūšana sava veida 'tango'. Kāpēc fenomens līdzinās dejai?
Divu melno caurumu saplūšanas process sākotnēji ir lēna deja, kas iegūst intensitāti kā tango. Viņi sāk būt sagūstīti savas savstarpējās gravitācijas pievilcības tvērienā kā saistīts pāris un sāk riņķot viens ap otru. Pēc tam tie pakāpeniski tiek pievilkti tuvāk un tuvāk viens otram līdz kritiskajam attālumam, kurā sarūkošā attāluma radītie laiktelpas izkropļojumi ir tik ārkārtēji, ka sāk parādīties pirmie trīsas laiktelpā — gravitācijas viļņi. ražots.

Kad tiek izstarota pirmā viļņu kaskāde, tas nozīmē, ka leņķiskais impulss vai rotācija to orbītā sāk efektīvi atbrīvoties, liekot tiem ciešāk aptvert un galu galā sadurties.

Daudzās filmās melnie caurumi tiek attēloti kā kaut kas briesmīgs un biedējošs. Kāpēc viņi ieguva šo reputāciju? Vai jūs domājat, ka šis attēls mainās?
Pat pirms melnā cauruma zinātniskās idejas atklāšanas publiskajā telpā tika lietots termins “melnais caurums”. Tam ir šausmīga vēsture. Termina izcelsme meklējama cietumā Kalkutā, Indijā, kur 1756. gada 20. jūnijā sagūstītie karavīri tika ieslodzīti un nomira vienas nakts laikā. Šis šausminošais cietums, neatgriešanās punkts, tika apzīmēts kā melnais caurums. Dīvainā kārtā, protams, tā izrādās piemērota un precīza astrofizisko melno caurumu definīcija. Nav pārsteidzoši, ka termins melnais caurums apzīmēja šausmas. (Ja jūs interesē šī termina izcelsme un tā dažādie lietojumi daiļliteratūrā un popkultūrā, skatiet manu jaunāko grāmatu Debesu kartēšana: radikālas zinātniskas idejas, kas atklāj kosmosu ).

'Melnie caurumi faktiski ir kļuvuši no margināliem uz galveno lomu zvaigžņu kopas modulēšanā galaktikās, kas apdzīvo Visumu.'

Viņu neredzamība kopā ar īpašajām īpašībām ir rosinājusi filmu veidotāju un romānistu iztēli. Kristofera Nolana nesenā filma, Starpzvaigžņu , patiesībā ir daudz vairāk nekā tikai melno caurumu attēlošana kā briesmīgi un biedējoši. Šajā filmā kosmosa pētnieki izmanto supermasīvā melnā cauruma Gargantua milzīgo gravitāciju, lai viņus virzītu uz jaunākām, tālākām pasaulēm. Šis noteikti ir piemērs tam, kā melno caurumu dīvainās īpašības ir izmantotas konstruktīvi un ģeniāli.

Bet visbiežāk melnie caurumi ir izmantoti biedēšanai un neiedomājamu šausmu attēlošanai, es varētu piebilst, ka diezgan veiksmīgi. Piemēram, vēl viens gadījums, kad melnie caurumi ir izmantoti tēlaini, ir manā iecienītākajā anime sērijā, Rumiko Takahashi mangā, Inuyasha . Šeit galvenā varoņa Miroku roku nolādē viņa senči, un tā pārvēršas melnajā caurumā - vēja tunelī -, kas iznīcina visu un visu, ar ko tas saskaras. Tas, protams, rada risku norīt pašu Miroku!

[ Pētnieki izseko gaismu, lai kartētu kosmisko tumsu. ]

Jūs izmantojat gaismas saliekšanu, lai pētītu melnos caurumus. Kāpēc tos ir tik grūti vizualizēt?
Melno caurumu milzīgās gravitācijas dēļ tie ietekmē gaismas staru ceļus, kas pieklīst tuvu. Ja gaismas stari bīstami pietuvosies notikumu horizontam vai iekļūst tajā, tos pilnībā apturēs melnais caurums. Tomēr, ja tie vienkārši aizveras attālumā, ko dēvē par fotona rādiusu (atrodas ārpus notikumu horizonta), melnā cauruma gravitācija tos salieks apkārt. Liekums ir tik ekstrēms, ka tas atbilstu tam, ka mēs varētu redzēt melnā cauruma aizmuguri. Ir grūti gan aprēķināt šo spēcīgo izliekumu, kas radītos gaismas staru kūlī, gan attēlot to vizuāli. Tas tika atveidots precīzi un lieliski vizualizēts Starpzvaigžņu .

Šis ir redzamā melnā cauruma Gargantua akrecijas diska variants Starpzvaigžņu projektējis Double Negative Visual Effects, kas strādāja pie filmas. Kredīts: Dubultie negatīvie vizuālie efekti/© Warner Bros. Entertainment Inc./CC BY-NC-ND 3.0

Ko melno caurumu būtība un dinamika var pastāstīt par mūsu Visumu?
Melno caurumu raksturs un dinamika mums daudz stāsta par to lomu galaktikas veidošanās modulācijā. Aktīviem melnajiem caurumiem, kvazāriem, kas kļūst redzami krītošās gāzes mirdzēšanas dēļ, visticamāk, būs galvenā loma zvaigžņu veidošanās kontrolēšanā galaktikā.

Kvazārus, Visuma bākas, var atklāt visattālākajās Visuma vietās, un tie var atklāt, kad Visumā iedegās pirmās struktūras. Lai gan melnie caurumi būtiski neveicina Visuma kopējo masu krājumu, enerģija, ko rada mirstošās gāzes un zvaigžņu, kas krīt melnajos caurumos, ir ievērojama. Gravitācijas viļņu noteikšana no melno caurumu saplūšanas ir pierādījusi, ka mūsu konceptuālā izpratne un ietvars, ko esam izstrādājuši, lai pētītu Visumu un tā saturu — Einšteina vispārējās relativitātes teorija — ir apstiprināti.

[ Svinam vispārējās relativitātes teorijas 100 gadus. ]

Tagad, protams, kā zinātnieki, mūsu mērķis ir uzlabot pašreizējo mērījumu precizitāti un noskaidrot, vai šī teorija joprojām darbojas, ja mums ir arvien labāki un kvalitatīvāki dati. Būtu aizraujoši, ja teorijā parādītos jaunas plaisas un parādītos dažas novērojumu anomālijas. Tādā veidā bieži tiek atvērtas jaunas teorijas, kas piedāvā plašāku skaidrojumu. No otras puses, var izrādīties, ka Einšteina vispārējās relativitātes teorija turpina sniegt precīzu datu un mūsu Visuma aprakstu.

Kādi ir daži no lielākajiem pārpratumiem par melnajiem caurumiem?
Nav īsti skaidrs, kas ir pārpratums, taču noteikti ir neērti jautājumi — neērti, jo mums vēl nav uz tiem zinātniskas atbildes. Daži populāri: kas īsti notiek ar matēriju un gaismu, kad tās šķērso notikumu horizontu? Kas notiek ar viņu enerģiju un informāciju? Un, ja singularitāte patiešām ir telpas-laika plīsums, kur tas noved? Tārpu caurums uz citu Visumu?

Tie ir jautājumi, kas ir zinātniskās izpētes līderi, un tie ir aktīvas pētniecības jomas. Cerams, ka turpmākajos gados tie kļūs par jautājumiem, uz kuriem mēs varēsim atbildēt, nevis tikai spekulēt.

[ Astronomi spēlē paslēpes ar supermasīviem melnajiem caurumiem. ]

Daļu savas akadēmiskās karjeras esat pavadījis arī filozofijas studijās. Kā tas ietekmē jūsu izpratni un pieeju jūsu astrofizikas pētījumiem?

Es sāku iegūt doktora grādu zinātnes vēsturē un filozofijā Zinātnes, tehnoloģiju un sabiedrības (STS) programmā Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā, kur biju mācījies. Es gribēju būt jauna veida intelektuāli iesaistīts zinātnieks, kāds, kurš strādātu astrofizikas progresīvākās jomās un tomēr arī dziļāk un plašāk domātu par idejām, kas bija mana zinātniskā darba pamatā. Mani vienmēr interesējis zinātnes process, kā arī zinātnes saturs. Tāpēc manā jaunībā es domāju, ka man ir vajadzīgi divi doktora grādi, viens STS un viens astrofizikā. Pēc kursa darba veikšanas STS un mācīšanās lasīt un rakstīt (pretstatā aprēķinam… tas ir atsauce uz klasisku MIT-Hārvardas joku studentam ar grozu pārtikas preču pie piecu preču vienību kases vietējā Stop & Shop veikalā ), kvalificējoties doktora grādam, mans plāns bija pēc tam sākt astrofizikas doktora grādu, pabeigt to un pēc tam atgriezties un pabeigt STS. Nu, dzīve ir dīvaina un maģiska, es beidzot pabeidzu doktora grādu. Astronomijas institūtā Kembridžā (Apvienotā Karaliste), un mani astrofizikas pētījumi un karjera pacēlās uz priekšu, tāpēc es nekad neatskatījos atpakaļ. Es joprojām esmu ABD (viss, izņemot disertāciju) MIT STS!

'Šo divu atšķirīgo pasaules uzskatu izkliedēšana ir ļāvusi man praktizēt ideju novērtēšanu un izvērtēšanu vienlaikus kā iekšējai un nepiederošai personai.'

Tomēr tas, ko man ir devusi humanitāro zinātņu absolventu apmācība, ir niansētāka izpratne par to, kā darbojas zinātne. Turklāt tas neizbēgami ir veidojis to, kā es pieeju problēmām savos zinātniskajos pētījumos. Tomēr visdziļākā ietekme ir bijusi tās ietekmei uz maniem personīgajiem intelektuālajiem meklējumiem — es meklēju gan plašu, gan dziļu izpratni par visu, pie kā strādāju, un šī starpdisciplinārā iedarbība ir palīdzējusi veidot manu spēku un zināšanas par īpašu darba garšu, kas. ir iezīmēta ar ideju sintēzi, kas sākotnēji šķiet atšķirīgas un nesaistītas.

Šo divu atšķirīgo pasaules uzskatu šķērsošana man ir ļāvusi praktizēt ideju izvērtēšanu un izvērtēšanu vienlaikus kā iekšējam un nepiederošam. Darbs MIT STS arī palīdzēja man kļūt par daudz labāku rakstnieku. Vienmēr esmu vēlējies rakstīt zinātkārai publikai, kā arī saviem zinātnes kolēģiem.

Kādus citus noslēpumus vēl vēlētos atrisināt par melnajiem caurumiem?
Man personīgi šobrīd aizraujošākais jautājums ir par pirmo melno caurumu izcelsmi. Tie ir tā sauktie 'sēklas melnie caurumi', kas galu galā kļuva par supermasīviem melnajiem caurumiem, kas tagad, šķiet, atrodas gandrīz katras galaktikas, tostarp mūsu galaktikas, centrā.

Apmēram pirms desmit gadiem vairākos rakstos mēs ierosinājām, ka varētu būt alternatīvs veids, kā izveidot šos sākotnējos melnos caurumus. Mēs apgalvojām, ka papildus pirmo zvaigžņu nāvei pieejamie apstākļi agrīnajā Visumā ļautu izveidot pilnīgi jaunu masīvāku melno caurumu sēklu klasi. Šis jaunais kanāls radītu tiešu sabrukumu melnā cauruma sēklas, kas būtu retākas, bet ārkārtīgi masīvas (apmēram 10 000–100 000 reižu lielākas par mūsu saules masu).

[ Fiziķi atklāj melno caurumu noslēpumus. ]

Masīvas agrīnās sēklas ir ļoti noderīgas, lai izskaidrotu īpaši masīvos melnos caurumus (kuru masa pārsniedz dažus miljardus saules masu), kas, šķiet, darbina visattālākos un spožākos kvazārus, kas atklāti ļoti agrīnā Visumā, diezgan neērti drīz pēc Lielā sprādziena. Ātra masīvu melno caurumu sēklu izveidošana ļoti agrīnā Visumā ļauj mums izskaidrot mūsdienās atklāto masīvāko melno caurumu montāžas vēsturi, jo tas ir galvenais melno caurumu augšanas mīklas elements. Šo ideju par masīvām melnā cauruma sēklām pārbaudīs gaidāmā satelīta misija Džeimsa Veba kosmiskais teleskops, kuru plānots palaist nākamgad. Ir ļoti konkrētas prognozes par to, kas būtu jāredz instrumentiem uz Džeimsa Veba.

Būtu lieliski, ja tiktu atklāti šo sēklu paraksti. Protams, būtu saviļņojoši, ja tiktu atklāti tieši sabrukuši melnie caurumi, kas apstiprinātu šo ideju, taču joprojām būtu aizraujoši, ja tā tiktu galīgi atspēkota. Nekad agrāk vēsturē jaunas idejas nevarēja pārbaudīt tik ātri. Ir tik jautri nodarboties ar zinātni šajā straujajā laikmetā, kad dzīves laikā jaunas idejas var novērtēt un pieņemt vai noraidīt.

Kas jūs sajūsmina par kosmoloģijas un astrofizikas pētījumu nākotni?
Manuprāt aizraujoši ir pētījumi par kosmoloģijas pamatjautājumiem, kas ir būtiski mūsu izpratnei par šo Visumu un to, kā mēs šeit nokļuvām. Kā jau minēju, šis ir diezgan īpašs laiks kosmoloģijā, jo mūsu ideju un instrumentu sarežģītība beidzot ir saskaņojusies, un tas ļauj paātrināt atklājumu tempu. Datu bagātība, kas mums pašlaik ir un kas drīzumā ir gaidāma no daudzām jaunām observatorijām un instrumentiem uz vietas un kosmosā, piedāvā jaunus mūsu teoriju testus. Aizraušanās slēpjas tajā, ka mēs nezinām, ko mēs varētu atklāt.

Kas zina, kas sagaida. Es pastāvīgi sev atgādinu, ka tikai pirms 100 gadiem mēs nezinājām par citu galaktiku esamību. Mūsu kosmiskais skats aprobežojās tikai ar Piena ceļu. Varbūt nākamajos 100 gados mēs atklāsim ticamus pierādījumus citu Visumu pastāvēšanai! Pirms tam es domāju, ka mēs, visticamāk, atklāsim, ka mēs neesam vieni Visumā, iespējams, nav cita saprātīga civilizācija, kas ir gluži līdzīga mūsu, bet noteikti kāda veida dzīvība citur. Es vienkārši jūtos tik pateicīgs un laimīgs, ka tagad esmu dzīvs un esmu ieguvis privilēģiju nodarboties ar zinātni.

Labojums, 2017. gada 21. augusts: šī raksta iepriekšējā versijā bija norādīts, ka karavīru ieslodzījuma datums Kalkutas melnajā caurumā bija 1956. gada 20. jūnijs. Pareizais datums ir 1756. gada 20. jūnijs.