Sok csillagásztól eltérően Erin Kara nem nőtt fel csillagtól sújtottan. „Nem ismerem azt a történetet, hogy az a kisgyerek bámulja a csillagokat, és ezt akarja csinálni, ami némi szorongást keltett bennem” – mondta. – Ettől lettem hamisítvány?

De miután egyetemistaként felfedezte az asztrofizikát, Kara magával ragadott. Most megfigyelő asztrofizikus a Massachusetts Institute of Technology-ban felkeresi az észbontó területet. Mint egy űrhajós a filmben Csillagközi, a hatalmas fekete lyukak közelében lévő régiókat fedezi fel. Célja, hogy jobban megértse, hogyan viselkednek ezek a fekete lyukak, és hogyan alakítják át folyamatosan a galaxisokat az univerzumban.

A napok millióinak vagy milliárdjainak megfelelő tömegű szupermasszív fekete lyukak szinte minden galaxis közepén lapulnak. Energetikailag ezek a fekete lyukak olyanok, mint a galaxisok sötét, dobogó szíve.

„Nem csak díszek. Nem csak passzívan ülnek ott – mondta Kara. „Valójában ők határozzák meg, hogyan fejlődik a galaxis, és miért néz ki úgy, ahogyan.

Kara megpróbálja megérteni a fekete lyukak közelében lévő környezetet, ahol energiájuk nagy része felszabadul. A fekete lyuk közelében örvénylő gáz és plazma gondos nyomon követésével – úgynevezett akkréciós korongot képezve – meg tudja közelíteni például a fekete lyuk tömegét. A közeli gáz és plazma segíthet feltárni azt is, hogy a lakomázó fekete lyukak hogyan hoznak létre extrém kozmikus struktúrákat, például relativisztikus sugarakat – a túlhevített plazma gigantikus sugarait, amelyek csaknem fénysebességgel gyorsulnak fel.

De van egy hatalmas probléma, amelyet Karának és más kutatóknak le kell küzdeniük: ezek a célzott fekete lyukak olyan távol vannak, hogy a hagyományos képalkotó technikák nem tudják megoldani a közvetlen környezetüket. A fekete lyuk körüli közvetlen környezet rekonstruálásához Kara az akkréciós korong által kibocsátott röntgenfényhez fordul. Finom késéseket mér, amikor ez a fény eléri a Földet. Ezzel figyelemre méltó felbontással tud következtetni a gáz és a plazma szerkezetére. Kara ezen a módszeren végzett munkája – az úgynevezett visszhang-térképezés – példátlan részletességgel tárta fel a fekete lyukak táplálkozási őrületeit, és az eredmények között szerepel az első röntgen „visszhangzik” valaha is látott egy fekete lyukból csillagot aprítani. Kara megkapta az Amerikai Csillagászati ​​Társaság 2022-es kitüntetését Newton Lacy Pierce-díj, amely a megfigyelőcsillagászatban az elmúlt öt évben elért kiemelkedő eredményeket ismeri el.

Quanta Magazine a közelmúltban beszélt Karával a tudomány felé vezető útjáról, a visszhang-térképezés csavarjairól és a fekete lyukakról, amelyek miatt éjszakánként fent marad. Az interjút az egyértelműség kedvéért sűrítettük és szerkesztettük.

Sok időt töltesz azzal, hogy a fekete lyukakra gondolsz, egészen addig a pontig, ahol már meg is van ezek szimulációit alakította át hangokká. Sokan „furcsának” vagy „kísértetiesnek” vagy „kísértetiesnek” tartják a fekete lyukakat. Megveszed ezt a jellemzést?

Van az a sztereotípia, hogy a fekete lyukak csúnya dolgok, amelyektől mindannyiunknak félnünk kell, de az a csodálatos, hogy a fekete lyukak valójában életet adnak nekünk, ha az absztrakciónak erre a szintjére akarjuk vinni. Azért vagyunk itt, mert a galaxisunkban a gáz úgy oszlik el, hogy csillagok keletkezhetnek, ami végül ahhoz a bolygóhoz vezetett, amelyen élünk. Ezt bizonyos tekintetben galaxisunk központi fekete lyukai diktálta.

A fekete lyukak nem a megszűnést és mindennek a végét jelentik. Valójában bizonyos szempontból a kezdet.

A nagy kép szintjén, melyek azok a fekete lyukakkal kapcsolatos kérdések, amelyekre leginkább kíváncsi?

Ha megérti, hogyan viselkednek a gázáramlások a fekete lyuk körüli erősen ívelt téridőben, akkor ezt az információt felhasználhatja a fekete lyuk alapvető tulajdonságainak mérésére: tömege és forgása, vagyis a forgás sebességének mértéke.

Le tudná írni a fekete lyukak általános helyzetét, amelyeket néz?

Mindegyiket gáz- és porkorongok veszik körül. Ezek az akkréciós korongok önmagukban elég felforrósodhatnak ahhoz, hogy optikai és ultraibolya sugárzást bocsátanak ki, de nem elég forrók ahhoz, hogy röntgensugarakat hozzanak létre. A teleszkópjainkkal azt látjuk, hogy a felszaporodó fekete lyukak – amelyek éppen ezeket a korongokat fogyasztják – mindig röntgensugarakat bocsátanak ki. Ha egymilliárd fényév távolságból lát röntgensugarakat, az valószínűleg egy felszaporodó szupermasszív fekete lyukból származik.

Hogyan hozzák létre a fekete lyukak ezeket a röntgensugarakat?

Tudjuk, hogy valóban nagy energiájú plazmának kell lennie a fekete lyuk körül, amely ezeket a röntgenfotonokat hozza létre. Koronának hívjuk – mint a forró plazmát, ami a nap körül van. A fekete lyuk koronája olyan, mint az akkréciós korong tetején lévő korona. Nagyon felforrósodhat, és sok röntgensugárzást bocsát ki. Az akkréciós korong anyaga körülbelül egymillió kelvin, de a korona egymilliárd kelvin. Valójában keveset tudunk erről a koronáról, és az egyik nagy kérdés a következő: Hogyan keletkezik? Milyen a geometriája?

Hogyan juthat el tehát az Ön által használt technika, a visszhang-térképezés a röntgenfelvételek gyűjtésétől a korona és környezete feltárásáig?

Ez a korona egy fekete lyuk körül van, valamint egy akkréciós korong. És ahogy a korona röntgensugárzással besugározza azt a hidegebb akkréciós korongot, a korongban lévő ionok saját röntgensugarakat bocsátanak ki, főleg fluoreszcencián keresztül.

Alapvetően ezek a másodlagos röntgensugarak olyanok, mint a fény visszhangja, ezért visszhangnak nevezzük őket. Amit csinálunk, az az időkésések mérése a korona elsődleges röntgenfény-villanása és az akkréciós korong megfelelő visszhangja között. Ha meg tudjuk mérni ezeket a visszhangokat, akkor rekonstruálhatjuk, hogyan néz ki a fekete lyuk körül.

Ez hasonlít ahhoz, ahogy a denevérek visszhangzást használnak. Nem látják a sötét barlangot, amelyen átrepülnek, de tudják, hogy a visszhang némi késéssel visszatér hozzájuk, és azt a tényt, hogy a visszhang hangsebességgel halad, feltérképezhetik a sötét barlang. Mi ezt tesszük, kivéve a fénysebességgel haladó fényt.

Azt akartam mondani, hogy a denevér körüli falak nem mozognak relativisztikus sebességgel, ezért úgy gondolom, hogy a dolgok egy kicsit bonyolultabbak, amikor ezt csinálod.

[Nevet.] Ennél egy kicsit bonyolultabb, csak kicsit…

Mi kell tehát ahhoz, hogy az adataidból – röntgenfotonok egy vödörben – eljuss a fekete lyuk körüli régió térképére?

Eredetileg csak egy olyan röntgenhullámhossz-tartományt kerestünk, amelyről tudtuk, hogy a korona emissziója dominál, és egy olyan tartományt, amelyről tudtuk, hogy ez a visszhang dominál. Azt találtuk, hogy ha az e tartományok közötti időkésleltetést a fény által elhaladó távolságra konvertálja, az nagyjából megfelel a fekete lyukhoz nagyon közeli gázáramlások feltérképezésének – ez az eseményhorizont sugarának néhányszorosán belül van.

Most megpróbáljuk létrehozni a korona-akréciós lemezrendszerek sokféle szimulációját, majd azonosítani azokat, amelyek úgy néznek ki, mint az általunk látott adatok. Ezt az úgynevezett általános relativisztikus sugárkövető szimulációkkal tesszük. A sugárkövető szimulációkat mindenféle videojátékban alkalmazzák, és ez ugyanaz az elv: veszünk egy pontot, ami a korona modellje, fénysugarakat világítunk belőle mindenféle irányba, és csak követjük, hol azok a fények. sugarak mennek. Némelyikük egy távoli megfigyelőhöz kerül, néhányuk pedig beleesik a korongba, besugározza a korongot, majd visszapattan és visszaverődik a távcső síkjába.

Miben különbözik a visszhang-térképezés attól, amit az Event Horizon Telescope csinált a fekete lyukak közvetlen képeinek készítésére?

Az Event Horizon Telescope elképesztő volt a galaxisunk közepén lévő fekete lyukak és az M87 leképezésében, de valójában csak ezt a két fekete lyukat képes megcsinálni. Ezen túlmenően, ha a fekete lyukak növekedésének kérdésére szeretnénk rátérni, meg kell vizsgálnunk azokat a fekete lyukakat, amelyek jelenleg aktívan növekszenek – vagy inkább olyan fekete lyukakat, amelyek rendkívül fényesek a röntgensugárzásban.

A galaxisunk közepén lévő fekete lyuknak kellett lennie ebben a fázisban, amikor aktívan növekedett, és rengeteg anyagot evett. Jelenleg ezt nem teszi – és pontosan azért, mert nem növekszik nagyon, az Event Horizon Telescope képes közvetlenül lefényképezni. Az aktívan növekvő fekete lyukak tanulmányozásához, ahol nagy sűrűségű anyag rohan a fekete lyuk felé, egy másik technikára van szükségünk. És itt jön képbe a visszhang-leképezés.

Vannak olyan konkrét fekete lyukak, amelyeket megnézett, és amelyek különösen informatívak?

Általános kutatási taktikám az, hogy olyan fekete lyukakat találjak, amelyek úgy viselkednek, ahogyan azt várjuk. Ha megérti ezeknek a rendszereknek a részleteit, és valóban tisztán nyomon tudja követni a fekete lyuk körüli geometriát, akkor precízen mérheti a fekete lyuk tömegét és forgását.

Az egyik kedvencem jelenleg a MAXI J1820+070 nevű röntgen bináris. Ez nem egy szupermasszív fekete lyuk; csak 10-szerese a Nap tömegének. Egy csillaggal rendelkező társrendszerben van, és leszívja a gázt a csillagról, és egy akkréciós korongot és egy koronát alkot. Ez csak egy nagyon tiszta rendszer, és olyan közel van a Földhöz: körülbelül ezerszer fényesebb számunkra, mint ezek a szupermasszív fekete lyukak.

És a másik oldalon, mely fekete lyukak tűnnek számodra különösen extrémnek vagy különösképpen furcsának?

Szeretem a normális srácokat tanulmányozni, aztán szeretem felpörgetni a dolgokat, és megnézni, hol törnek el a dolgok. Szintén igazán szórakoztatóak azok az oddball-rendszerek, amelyek éjszaka csak ébren tartanak, és azon töprengenek: hogy a fenébe engedte ezt a természet? És azt a forrást, ami miatt éjszaka ébren tartottam, az ASASSN-18el-nek hívják, ami egy szupermasszív fekete lyuk.

Az ASASSN-18el-t megtalálta az ASAS-SN teljes égbolt felmérése mint az egyik ilyen fekete lyuk, amely amolyan normális kinézetű volt, és aztán hirtelen beleesett ebbe az őrült kitörésbe. Elkezdtük megfigyelni optikai, UV és sok röntgen megfigyeléssel is, és teljesen banánba ment. Voltak benne ezek a kezdeti kitörések, majd kikapcsolt – például a fényerő négy nagyságrendű csökkenése. Aztán újra bekapcsolt, és körülbelül egy évig a legfényesebb röntgenforrás lett az extragalaktikus égbolton, majd újra kikapcsolt. Most úgy tűnik, hogy újra bekapcsol.

Úgy gondoltuk, hogy az idő, amíg valami négy nagyságrenddel kikapcsol, legalább több millió év. És mégis láttuk, hogy ez egy év alatt – vagy néhány hónapon belül – megtörténik. Hogyan történik ilyesmi?

Történelmileg, amit tudtunk ezekről a felszaporodó szupermasszív fekete lyukakról – úgynevezett aktív galaktikus atommagokról –, azt olyan felmérésekből tanultuk meg, ahol időnként megnéztük őket. De most megvannak ezek a teljes égboltról szóló felméréseink, amelyek hetente néhányszor pásztázzák az eget, mi pedig csak bámuljuk ezeket a fekete lyukakat, és nézzük, mit csinálnak. És kiderült, hogy amikor nem néztük őket, mindenféle őrültséget csináltak. Most végre rájöttünk.

Mi motivált arra, hogy csillagászni kezdjen és fekete lyukakat tanulmányozzon, és mi inspirál ma is?

Az a dolog, ami igazán izgatottá tett a csillagászattal kapcsolatban, a felfedezés szempontja volt: nagyon izgalmas volt az első embernek nézni a fényt, amely egymilliárd éve egy fekete lyuk körül szabadult fel. Ez elképesztő. Hogyan lehet az, hogy mi, kicsiny emberi lények egyáltalán elgondolkodhatunk ezeken a dolgokon, vagy összefoghatunk, hogy olyan technológiákat építsünk, amelyek megválaszolják ezeket a hatalmas alapvető kérdéseket, amelyeket az emberek az emberi gondolkodás kezdete óta tesznek fel?

És szeretem azt a közösségi szempontot, hogy összehozzuk az embereket egy közös cél érdekében. Van egy elképzelésünk arról, hogy mi a „tudomány” – mintha egyedül ültél, és saját kreatív zsenialitásod inspirált, és mindezeket a felfedezéseket egyedül tetted meg. De nem ez a rendkívül inspiráló benne. Számomra ez az, hogy képesek vagyunk együtt dolgozni, és felhasználni egymás szakértelmét, hogy valami sokkal nagyobbat alkossunk, mint bármelyikünk.