Теоретичен физик се гмурка в черни дупки

В центъра на почти всяка галактика се крие гладна черна дупка.

Някои могат да станат милиони до милиарди пъти по-големи от масата на нашето слънце. Тяхното силно гравитационно поле им позволява поглъщам близките планети, газ и звезди. Дори скоростта на светлината не може да избегне интензивното издърпване на мембранатана черна дупка или хоризонт на събитията - това, което изследователите често наричат точката от която няма връщане .

Въпреки тяхното изобилие и надвисналото присъствие във Вселената, тези масивни, величествени обекти остават бездънна мистерия за астрофизиците.

„Те са най-енигматичните обекти във Вселената,“ Приямвада Натараджан , теоретичен астрофизик в Йейлския университет, каза Science Friday в предишно интервю . „Те са луди готини предметикато се има предвид какво правят със светлината, какво правят с материята около тях и така нататък... Те са най-странните обекти.“

[ Учените от LIGO откриват друг космически сблъсък. ]

Тези неуловими качества са това, което примамваНатараджан в дълбокия край на изследването на черните дупки и тъмната материя. Science Friday се свърза с Натараджан, за да я попита защо си пада по черните дупки, как те оформят галактиките, любимите й изображения на тях по телевизията и филмите, прилагането на философията към астрономически въпроси и как могат да танцуват танго.

Как се заинтересувахте от изучаването на черни дупки?
Винаги съм изпитвал страхопочитание към тайнственото и енигматичното. Усещането за мистерия, съчетано с липсата на пълно разбиране, ме привлече да изучавам неуловими явления във Вселената. Това, което изглежда малко недостижимо от гледна точка на това, че е абстрактно и трудно за разбиране, привлича. Всъщност това е напълно човешки инстинкт; всички сме любопитни за черните дупки, защото те са толкова необикновени.

„Винаги съм изпитвал страхопочитание към мистериозното и енигматичното.“

Черните дупки имат този странен регион, наречен хоризонт на събитията, който изглежда маркира границата между познатото и непознаваемото, което лично аз намирам за много интригуващо. Черните дупки и тъмната материя – двете ключови изследователски области, върху които работя – са измъчващи по много сходни начини за мен: имаме много линии от независими доказателства, разкриващи косвено съществуването им (тъй като не могат да бъдат картографирани директно), но истинската им природа остава неуловимо в момента. Просто това предизвикателство ме привлича.

Защо черните дупки предизвикват толкова голям интерес сред изследователите и обществеността?
През последните 50 години черните дупки се превърнаха от екзотично математическо любопитство, решение на сложно уравнение, до класове реални астрономически обекти, за чието присъствие може да се предположи индиректно. Според нашето бързо развиващо се настоящо разбиране, черните дупки всъщност са се преместили от маргинални към играещи ключова роля в модулирането на сглобяването на звезди в галактиките, които населяват Вселената.

Черните дупки претърпяха голямо възраждане по отношение на изследванията поради голямото сближаване на нашето теоретично разбиране, богатството от данни от наблюдения и усъвършенстването на наличните изчислителни методи за моделирането им. Това подравняване на различните подходи за научно разбиране на черните дупки е в движение през последните две десетилетия. Разбира се, неотдавнашното грандиозно откритие на гравитационни вълни от сблъскващи се черни дупки, докладвано от сътрудничеството LIGO, е емблематично за тази конвергенция. Има много нови вълнуващи данни за черните дупки, които в момента събираме за близките спящи свръхмасивни черни дупки, които се крият в центровете на галактиките, за далечните, активно захранващи черни дупки, светещи като квазари, и, разбира се, за черната дупка, хоствана в центъра на собствената ни галактика.

[ Роджър Пенроуз разсъждава върху момента, в който черните дупки станаха мейнстрийм. ]

Що се отнася до интереса сред любопитната публика, черните дупки винаги са имали власт над популярното въображение предвид техните странни свойства, основното сред които е, че те са екстремни обекти, които означават точка без връщане дори за светлината!

В по-ранно интервю в Science Friday за откриването на третата гравитационна вълна вие сравнявам сливането на черни дупки в един вид 'танго'. Защо явлението е като танц?
Процесът на сливане на две черни дупки първоначално е бавен танц, който придобива интензивност като танго. Те започват да бъдат уловени в хватката на взаимното си гравитационно привличане като обвързана двойка и започват да кръжат един около друг. След което те постепенно се приближават все по-близо и по-близо един към друг до критично разстояние, в който момент изкривяванията в пространство-времето, генерирани от свиването на разстоянието, са толкова екстремни, че първите тремори в пространство-времето - гравитационни вълни - започват да бъдат произведени.

Когато се излъчва първата каскада от вълни, това означава, че ъгловият импулс или въртенето в тяхната орбита започва ефективно да се отхвърля, привеждайки ги в по-близка прегръдка и в крайна сметка им позволява да се сблъскат челно.

В много филми черните дупки са представяни като нещо чудовищно и страшно. Защо са спечелили тази репутация? Смятате ли, че този образ се променя?
Още преди да бъде открита научната идея за черна дупка, терминът „черна дупка“ се използва в общественото пространство. Има зловеща история. Произходът на термина може да бъде проследен назад до тъмница в Калкута, Индия, където на 20 юни 1756 г. пленени войници са затворени и умират за една нощ. Този ужасяващ затвор, точка от която няма връщане, беше определен като черна дупка. Странно, разбира се, това се оказва подходящо и точно определение за астрофизичните черни дупки. Не е изненадващо, че терминът черна дупка означава ужас. (Ако сте любопитни за произхода на термина и различните му употреби в художествената литература и поп културата, вижте най-новата ми книга Картографиране на небесата: радикалните научни идеи, които разкриват космоса ).

„Черните дупки всъщност се преместиха от маргинални към играещи ключова роля в модулирането на сглобяването на звезди в галактиките, които населяват Вселената.“

Тяхната невидимост, съчетана с техните особени свойства, разпалиха въображението на режисьори и писатели. Скорошният филм на Кристофър Нолан, Междузвезден , всъщност надхвърля простото представяне на черните дупки като чудовищни ​​и страшни. В този филм космическите изследователи използват огромната гравитация на свръхмасивната черна дупка Гаргантюа, за да ги задвижат към нови, по-далечни светове. Това определено е пример за това как странните свойства на черните дупки са разгърнати по конструктивен и гениален начин.

Но най-често черните дупки са били използвани за всяване на страх и за изобразяване на невъобразим ужас, бих добавил доста успешно. Например, друг пример, в който черните дупки са били използвани въображаемо, е в моя любим аниме сериал, мангата на Румико Такахаши, Инуяша . Тук ръката на главния герой, Мироку, е прокълната от неговите предци и се трансформира в черна дупка – аеродинамичен тунел – който унищожава всичко и всичко, което срещне. Това разбира се носи риск от поглъщане на самия Miroku!

[ Изследователите проследяват светлината, за да картографират космическата тъмнина. ]

Вие използвате огъването на светлината, за да изучавате черни дупки. Защо са толкова трудни за визуализиране?
Поради огромната гравитация на черните дупки, те въздействат на пътеките на светлинните лъчи, които се отклоняват близо. Ако светлинните лъчи се приближат опасно до или проникнат през хоризонта на събитията, те ще бъдат напълно спрени от черната дупка. Въпреки това, ако те просто се приближат на разстояние, наричано радиус на фотона (разположено извън хоризонта на събитията), те ще бъдат огънати от гравитацията на черната дупка. Огъването е толкова екстремно, че би съответствало на възможността да видим задната страна на черната дупка. Трудно е както да се изчисли това силно огъване, което би се получило в сноп от светлинни лъчи, така и да се изобрази визуално. Това беше изобразено точно и визуализирано красиво в Междузвезден .

Това е вариант на акреционния диск на черната дупка, в която се вижда Гаргантюа Interstellar, проектиран от Double Negative Visual Effects, който работи по филма. кредит: Двойни отрицателни визуални ефекти/© Warner Bros. Entertainment Inc./CC BY-NC-ND 3.0

Какво може да ни каже природата и динамиката на черните дупки за нашата вселена?
Естеството и динамиката на черните дупки ни казват много за ролята, която играят в модулацията на образуването на галактики. Активните черни дупки, квазарите, които се правят видими поради светещия в падащия газ, вероятно ще играят главна роля в контролирането на образуването на звезди в галактика.

Квазарите, фаровете на Вселената, могат да бъдат открити до най-отдалечените краища на Вселената и могат да разкрият кога са светнали първите структури във Вселената. Докато черните дупки не допринасят значително за общата маса на Вселената, енергията, произведена от умиращите газове и звезди, които попадат в черни дупки, е значителна. Откриването на гравитационни вълни от сливащи се черни дупки доказа, че нашето концептуално разбиране и рамката, която разработихме за изучаване на Вселената и нейното съдържание – теорията на Айнщайн за общата теория на относителността – са утвърдени.

[ Честване на 100 години обща теория на относителността. ]

Сега, разбира се, като учени, нашият стремеж е да увеличим прецизността на настоящите си измервания и да видим дали тази теория все още работи, когато имаме все по-добри и по-качествени данни. Би било вълнуващо, ако се появят нови пукнатини в теорията и се появят някои наблюдателни аномалии. Често това е начинът, по който се отваря вратата за чисто нова теория, която предлага по-изчерпателно обяснение. От друга страна, може да се окаже, че теорията на Айнщайн за общата теория на относителността продължава да предоставя точно описание на данните и нашата вселена.

Кои са някои от най-големите недоразумения относно черните дупки?
Не съм съвсем сигурен какво е недоразумението, но определено има неудобни въпроси - неудобни, тъй като все още нямаме научни отговори за тях. Някои популярни: Какво наистина се случва с материята и светлината, когато пресекат хоризонта на събитията? Какво се случва с тяхната енергия и информация? И ако сингулярността наистина е разкъсване на пространство-времето, докъде води? Червеева дупка към друга вселена?

Това са въпроси, които са на върха на научното изследване и са активни области на изследване. Надяваме се, че това ще станат въпроси, на които наистина можем да отговорим, а не просто да спекулираме през следващите години.

[ Астрономите играят на криеница със свръхмасивни черни дупки. ]

Вие също сте прекарали част от академичната си кариера в изучаване на философия. Как се отразява на вашето разбиране и подход към вашите астрофизични изследвания?

Започнах да правя докторска степен по история и философия на науката в програмата по наука, технологии и общество (STS) в Масачузетския технологичен институт, където бях студент. Исках да бъда нов вид интелектуално ангажиран учен, някой, който ще работи на границата на астрофизиката и същевременно ще мисли по-задълбочено и по-широко за идеите, които информираха моята научна работа. Винаги съм се интересувал от процеса на науката, както и от съдържанието на науката. Така че в младостта си мислех, че имам нужда от две докторски степени, една по STS и една по астрофизика. След като завърших курсовата си работа по STS и се научих да чета и пиша (за разлика от пресмятането... това е загатване за класическа шега от MIT-Harvard на студент с пълна количка с хранителни стоки на гишето само за пет артикула на касата на местния Stop & Shop ), квалифицирайки се за докторска степен, моят план беше след това да започна докторантурата по астрофизика, да я завърша и след това да се върна и да завърша STS. Е, животът е странен и вълшебен, в крайна сметка завърших докторската си степен. в Института по астрономия в Кеймбридж (Обединеното кралство) и изследванията и кариерата ми по астрофизика тръгнаха нагоре, така че никога не погледнах назад. Все още съм ABD (всичко освен дисертация) в MIT STS!

„Разграничаването на тези два различни светогледа ми позволи да практикувам оценка и оценка на идеи едновременно като вътрешен и външен човек.“

Това, което обаче ми даде следдипломното обучение по хуманитарни науки, е по-нюансирано разбиране за това как работи науката. Също така, това неизбежно е оформило начина, по който подхождам към проблемите в моите научни изследвания. По-дълбокият ефект обаче беше въздействието му върху личното ми интелектуално търсене - търся както широко, така и задълбочено разбиране на всичко, върху което работя, и това интердисциплинарно излагане ми помогна да изградя моята сила и опит в определен вид работа, която е белязана от синтез на идеи, които първоначално изглеждат различни и несвързани.

Разграничаването на тези два различни светогледа ми позволи да практикувам оценка и оценка на идеи едновременно като вътрешен и външен човек. Престоят в MIT STS също ми помогна да стана много по-добър писател. Винаги съм искал да пиша както за любознателната публика, така и за моите колеги в науката.

Какви други мистерии все още бихте искали да разрешите за черните дупки?
За мен лично най-вълнуващият въпрос в момента е относно произхода на първите черни дупки. Това са така наречените „семенни черни дупки“, които в крайна сметка се превърнаха в свръхмасивни черни дупки, които сега изглежда се намират в центъра на почти всяка галактика, включително нашата.

Преди около десетилетие в поредица от статии предложихме, че може да има алтернативен път за създаване на тези първоначални черни дупки. Ние твърдяхме, че освен смъртта на първите звезди, наличните условия в ранната вселена биха позволили формирането на изцяло нов клас от по-масивни семена на черни дупки. Този нов канал ще направи директен колапс на семена на черни дупки, които ще бъдат по-редки, но изключително масивни (около 10 000 – 100 000 пъти масата на нашето слънце) от самото начало.

[ Физиците разкриват мистериите на черните дупки. ]

Масивните ранни семена са изключително полезни, за да обяснят ултрамасивните черни дупки (с маси над няколко милиарда слънчеви маси), които изглежда захранват най-отдалечените и най-ярки квазари, открити в много ранната вселена, доста неудобно скоро след Големия взрив. Бързото създаване на семена на масивни черни дупки в много ранната вселена ни позволява да обясним историята на сглобяването на най-масивните черни дупки, открити днес, тъй като това е ключова част от пъзела за растеж на черните дупки. Тази идея за масивни семена на черна дупка предстои да бъде тествана от предстоящата сателитна мисия, космическия телескоп James Webb, който е планиран да бъде изстрелян през следващата година. Има много конкретни прогнози за това какво трябва да видят инструментите на борда на Джеймс Уеб.

Би било страхотно, ако бъдат открити сигнатури на тези семена. Разбира се, би било вълнуващо, ако бъдат открити черни дупки с директен колапс, което би потвърдило идеята, но все пак би било вълнуващо, ако тя бъде окончателно опровергана. Никога преди в историята нови идеи не са могли да бъдат тествани толкова бързо. Толкова е забавно да се занимаваш с наука в тази забързана епоха, когато в рамките на един живот нови идеи могат да бъдат оценени и приети или отхвърлени.

Какво ви вълнува относно бъдещето на изследванията в областта на космологията и астрофизиката?
Изследването на фундаменталните въпроси в космологията, които са важни за нашето разбиране за тази вселена и как сме стигнали до тук, е това, което намирам за вълнуващо. Както споменах, това е доста специално време в космологията, тъй като изтънчеността на нашите идеи и инструменти най-накрая се изравни и това дава възможност за ускорено темпо на откритията. Изобилието от данни, с които разполагаме в момента и които се очакват скоро от множество нови обсерватории и инструменти на земята и в космоса, предлагат нови тестове на нашите теории. Тръпката се крие в това да не знаем какво можем да разкрием.

Кой знае какво чака. Постоянно си напомням, че само преди 100 години не сме знаели за съществуването на други галактики. Нашият космически поглед беше ограничен само до Млечния път. Може би ще открием достоверни доказателства за съществуването на други вселени през следващите 100 години! Преди това мисля, че вероятно ще открием, че не сме сами във Вселената, може би не друга интелигентна цивилизация, доста подобна на нашата, но определено някаква форма на живот другаде. Просто се чувствам толкова благодарен и късметлия, че сега съм жив и имам привилегията да се занимавам с наука.

Корекция,  21 август 2017 г.: По-ранна версия на тази статия посочва, че датата на затваряне на войниците в черната дупка в Калкута е 20 юни 1956 г. Правилната дата е 20 юни 1756 г.