ブラックホールへのホーミング| 科学| スミソニアン - 記事、科学、技術、宇宙

2008年9月23日の編集者注：スミソニアン誌は、2008年4月に天体物理学者のアンドレア・ゲーズを紹介しました。今日、ゲーズは、名誉あるマッカーサーの天才助成金の28人の受賞者の一人であり、銀河の進化におけるブラックホールの研究への貢献を認めています。

この物語から

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UCLAの天体物理学者であるAndrea Ghez率いる研究者は、1995年から2006年までに撮影された望遠鏡の画像を使用して、天の川の中心にある選択された星の動きを示すこのアニメーションを作成しました。これらの星の軌道、および惑星運動のケプラーの法則を使用して行われた計算は、天の川の中心にブラックホールが存在することの最高の証拠を提供します。特に注目すべきは、15.56年に1回ブラックホールを周回する星S0-2と、ブラックホールの90天文単位（地球から太陽までの距離）以内に来る星S0-16です。

ビデオ：天の川の動き

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今から約40億年後、天の川銀河とアンドロメダ銀河は一緒にクラッシュします可視化：NASA、ESA、およびF.サマーズ、STScIシミュレーションクレジット：NASA、ESA、G。ベスラ、コロンビア大学、およびR.ファンデルマレル、STScI

ビデオ：銀河が衝突するとどうなりますか？

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内部ブラックホール

太平洋から約14, 000フィート上空にあるマウナケア山頂から、天の川が夜空を横切って明るく傾斜し、銀河の真正面を眺めることができます。偉大な円盤の一部はほこりで隠されており、これらのほこりのしみの1つを超えて、射手座のティーポットの近くに、天の川の中心があります。隠されているのは、2000億個以上の星が回転する、深く神秘的な構造です。

ハワイ島にあるこの休火山のゴツゴツした岩の上の私の後ろには、WMケック天文台のツインドームがあります。各ドームには、幅約33フィートの巨大な鏡を備えた望遠鏡が収容されており、ハエの目のように、連動するセグメントで作られています。鏡は、星の光を集める世界最大の鏡の1つであり、望遠鏡の1つには、その力を大幅に高める見事な新しいツールが装備されています。技術者がスイッチを入れるのを待つ間、私は天の川の優美ならせん状の腕の最も近くを見つめます。

その後、突然、シャッターがわずかにカチッと音を立てて開くと、黄金色のレーザービームが開いたドームから空に向かって発射されます。 18インチ幅の光線は、天の川で最も黒いスポットの1つの内側で終わるように見えます。それは実際に地球の表面の55マイル上で終わります。そこからの信号により、望遠鏡は地球の大気のぼやけを補正できます。絶え間なく移動する空気の川が頭上を汚すのではなく、望遠鏡は、宇宙の衛星が取得するのと同じくらい鮮明な画像を生成します。ケックはレーザーガイドを装備した最初の天文台の1つでした。現在、他の半ダースがそれらを使用し始めています。この技術により、天文学者は銀河の中心部を鮮明に見ることができます。星は夏のブナの群れのようにぎっしり詰め込まれ、最も暗い場所である巨大なブラックホールを旋回します。

天の川のブラックホールは、間違いなく私たちの銀河で最も奇妙なものです。宇宙の3次元の空洞は、太陽の物理的サイズの10倍で、質量は400万倍です。現在では、すべての主要な銀河にはコアにブラックホールがあります。そして、科学者は初めて、これらの気が遠くなるような実体の破壊を破壊することを研究できるようになります。この10年間を通して、ケックの天文学者は、天の川のブラックホールの重力に巻き込まれた何千もの星を追跡します。彼らは、星がその近くでどのように生まれ、それが空間自体の構造をどのように歪めるかを理解しようとします。「銀河のブラックホールの周りに星が舞うのを見るのは驚くべきことです」と、ケック天文台のディレクター、タフトアルマンドロフは言います。「もしあなたが大学院生として、私のキャリアの間にそれを見るだろうと言っていたら、それは空想科学小説だと言っていたでしょう。」

確かに、ブラックホールの証拠は完全に間接的です。天文学者は実際に見たことがない。アルバートアインシュタインの一般相対性理論では、非常に密度の高い物体の重力が光線をひどく曲げて逃げられないと予測していました。たとえば、太陽の質量を持つものが直径1マイル半のボールに収縮すると、光を閉じ込めるのに十分な密度になります。（地球がブラックホールになるには、その質量をエンドウ豆のサイズに圧縮する必要があります。）

1939年、原子爆弾を開発したとされるJ.ロバートオッペンハイマーは、水素や他の燃料がなくなった後、このような急激な圧縮が最大の星に起こりうると計算しました。星が飛び散ると、オッペンハイマーと同僚が推測すると、残りのガスはそれ自体の重力のために無限に密な点に崩壊します。 1960年代と1970年代の望遠鏡の観測は、この理論を裏付けました。数人の研究者は、クエーサーのような非常に明るいもの（数十億光年離れた非常に明るいビーコン）の唯一の可能な電源は、科学者が後に超巨大ブラックホールと呼んだものによって集められた何百万もの太陽の集中であろうと示唆しました。天文学者はその後、天の川の見えない存在の周りを回るように見える星を発見し、太陽の数倍の質量と星質量ホールとして知られる小さなブラックホールからの重力だけが星を維持できると結論付けました。このような狭い軌道で。

ハッブル宇宙望遠鏡は、1990年代のブラックホールの証拠に、他の銀河の最も内側の部分がどれだけ速く回転するかを測定しました（大きな銀河では時速110万マイルまで）。驚くべき速度は、太陽の最大10億倍の質量を含むコアを指していました。超大質量ブラックホールがすべてではないにしても、ほとんどの銀河の中心にあるという発見は、ハッブルの最大の成果の1つでした。「ハッブル調査の最初に、ブラックホールはまれであり、10または100に1つの銀河であり、その銀河の歴史で何かがおかしかったと言いました」と、ミシガン大学のダグラスリッチストン科学者は言います。「今では標準装備であることを示しました。それは最も注目すべきことです。」

しかし、ハッブルからでも、天の川の中核はとらえどころのないままでした。私たちの銀河が超大質量ブラックホールを持っている場合、それは静かで、他から見られるエネルギーの塊を欠いていました。ハッブルは、2009年に最後にサービスとアップグレードが行われ、遠方の銀河の中心近くにある星のグループを追跡できますが、視野が狭いため、銀河の厚い塵雲のため、同じ種類の銀河を撮影することはできません私たちの銀河の写真。もう1つのアプローチは、ほこりの中を移動する赤外線を使用してブラックホールの近くにある個々の星を追跡することですが、ほとんどの地上の望遠鏡では解決できないほど星がかすかで混みすぎています。それでも、1990年代の天文学者の中には、天の川の中核の観測が可能になる可能性があると思い込んでいた。その後、多くの食欲をそそる質問に対処することができます。星はその野生の環境でどのように生き、死にますか？ブラックホールは何を消費しますか？そして、私たちは、天の川の中心で、1世紀近く前にアインシュタインによって予測されたゆがんだ空間と時間を目撃することができますか？

ケック管制室は、望遠鏡から20マイル離れた牧場の町ワイメアにあります。そこの研究者にとって、壮観なレーザーはコンピューターモニター上でワンビームとしてのみ見えます。天文学者はノートブックをチェックし、望遠鏡からのデータ、天気の読み、ターゲットとする星の最新の写真でいっぱいの画面を見ます。彼らはビデオリンクを使用して、望遠鏡のオペレーターと話をします。物事は順調に進んでいるので、やることはあまりありません。望遠鏡は、空の同じ場所に4時間ロックされたままになります。レーザーは正常に動作し、望遠鏡に取り付けられたカメラは、自動化されたシーケンスで次々に15分の露光を行います。「これは、最も控えめな観察に過ぎません」と、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の天文学者、マーク・モリスは謝罪します。

それでも、部屋には緊張があります。 UCLAのAndrea Ghez率いるこの天文学者チームは、ドイツのGarchingにあるMax Planck地球外物理学研究所で天文学者との継続的な競争に参加しています。 1990年代初頭以来、ガーチング天体物理学者ラインハルトゲンツェルと彼の同僚は、チリの新技術望遠鏡と超大型望遠鏡アレイを使用して、天の川の中心にあるブラックホールを研究してきました。 45歳のGhezは、ケックでの各観察セッションを最大限に活用するように生徒を促しています。 6年前、彼女は全米科学アカデミーに選出されました。まだ30代の人には名誉なことです。「世界最高の望遠鏡にアクセスできれば、天文学の最前線にいるのは簡単です」と彼女は言います。

ほぼ10年前、アメリカとドイツのチームは独立して、巨大なブラックホールだけが天の川の中核にある星の振る舞いを説明できると推測しました。ブラックホールでも大きな星でも、重い塊を回る星は、小さな塊を回る星よりもはるかに速く空間を移動します。視覚的には、質量が大きくなると、星が回転する空間の構造に、より深い漏斗ができます。渦を巻く葉のように、渦が深いほど、葉は速く回転します。他の天文学者は、天の川の中心近くで高速で移動する星とガスの雲を見たため、GhezとGenzelの両方は、物質の密集したクラスターが視界から隠されていると疑っていました。

月と年を隔てて撮影した赤外線写真を丹念に編集することにより、2つのチームは銀河の中心から1か月以内にある最も内側の星を追跡しました。組み合わせて、画像は星の動きのタイムラプス映画のようなものです。「初期の段階では、ほんの数個の星がちょうど運搬していることが明らかでした」と、Ghezは回想します。「明らかに、彼らは中心に非常に近かった。」何かが深い渦に閉じ込められていた。ブラックホールが最も理にかなっています。

クリンチャーは2002年に、両チームが大気のぼやけを補正する技術である補償光学を使用して画像を鮮明にしたときに生まれました。科学者たちは、銀河の中心付近で危険なほど近くを周回する星を追跡し、最速の星の最高速度は光速の3％であり、時速約2000万マイルであることを発見しました。それは私たちの太陽よりもはるかに大きいガスの地球にとって驚くべき速度であり、懐疑論者でさえ、超巨大ブラックホールがそれを担っていると確信していました。

地球の大気のぼやけは、400年前に木星と土星に関するガリレオの最初の研究以来、望遠鏡のユーザーを悩ませてきました。空気を通して星を見ることは、プールの底にあるペニーを見るようなものです。気流は星明かりを前後に揺らします。

私たちの銀河のブラックホールは、物質が渦巻くにつれてX線（チャンドラ衛星望遠鏡の画像で見えるようになります）を放出します。

銀河のブラックホールは、物質が渦巻くにつれてX線（チャンドラ衛星望遠鏡の画像で見えるようになります）を放出します。（マーシャル宇宙飛行センター/ NASA）

1990年代、エンジニアは補償光学と呼ばれる技術で歪みを消去することを学びました。コンピューターはミリ秒単位で入射星明かりのジッターパターンを分析し、それらの計算を使用して、薄く柔軟なミラーの背面にあるピストンのセットを駆動します。ピストンはミラーを毎秒数百回曲げ、表面を調整して歪みを打ち消し、鋭い中心点を形成します。

この技術には1つの大きな制限がありました。コンピューターには、一種の基準点として明確な誘導灯が必要でした。このシステムは、望遠鏡が明るい星または惑星の近くに向けられ、天文学者が空のわずか1％に制限されている場合にのみ機能しました。

必要に応じて人工ガイド星を作成することにより、ケック天文台のレーザーはその制限を取り除きます。レーザービームは、ナトリウム原子を点灯させる周波数に調整されます。ナトリウム原子は、大気の層でmet石を分解することによって残されます。ケックのコンピューターは、望遠鏡の鏡とレーザーで作られた星の間の気柱の歪みを分析します。

望遠鏡の高さ101フィートのドーム内では、レーザーシステムはバスサイズのエンクロージャー内にあります。レーザーは、揺れ動く50, 000ワットの出力から始まり、190耐エタノールから作られた色素溶液内の光線を増幅します。しかし、ライトが正しい色に調整され、そのエネルギーが単一の経路に沿って導かれるまでに、その電力は約15ワットまで減少します-まだ十分な明るさで、連邦航空局は、飛行機がその経路の近くを飛行することが期待されます。数百フィート離れたところから、レーザーは薄暗いa色の鉛筆のビームのように見えます。少し離れると、まったく見えなくなります。島の残りの部分に関する限り、マウナケアでのレーザーショーはありません。

ブラックホールを特定することは一つのことです。それを記述することは別です。「数学的な複雑さを使わずに、私たちが理解しているように世界に関連する絵を描くことは難しいです」と、Ghezはある午後、Keckコントロールセンターで言います。翌日、彼女は6歳の息子にブラックホールとは何かを知っているかどうかを尋ねます。彼の素早い対応：「わからない、ママ。あなたはすべきではない？」

マーク・モリスは、「陥没穴」がブラックホールの適切な比phorになると考えています。ブラックホールの近くの空間にいた場合、「あらゆる方向から物が消えていくのが見えるでしょう」と彼は言います。

GhezとMorrisは、ブラックホールから外を眺めることを想像するのが好きです。「これは、私たちがいる郊外と比較して、銀河の繁栄している都市の中心です」と、Ghezは言います。「星はものすごい速度で動いています。数十分の時間スケールで物事が変化するのを見るでしょう。」モリスはこのテーマを取り上げます。「美しい山頂から夜空を見ると、星がいくつあるかが息をのむようなものです」と彼は言います。「今、それに100万を掛けてください。それが銀河中心の空のようです。それは木星でいっぱいの空と満月のように明るいいくつかの星のようになります。」

このような素晴らしい環境では、物理学の法則が見事にねじれています。ゲーズとモリスは、アインシュタインの相対性理論によって予測された奇妙な軌道を星が実際に移動するという最初の証拠を集めたいと考えています。その場合、各星は、スピログラフの描画玩具のパターンのようなものを追跡します。ブラックホールに対して位置が徐々にシフトする一連のループです。 Ghezは、彼女と同僚がその変化を発見するのに数年かかると考えています。

新たな発見のたびに、天の川の核はより複雑で魅力的になります。 GhezのチームとGenzelのチームの両方は、ブラックホールの近所で多くの巨大な若い星を発見したことに驚いた。それらのスコアは数えきれないほどあり、そのすべては宇宙の言葉で言うと、わずか500〜1000万歳であり、太陽の約10倍の大きさです。ブラックホールにどのように近づいたのか、どのようになったのか、誰も完全にはわかりません。銀河の他の場所では、妊娠星は塵とガスの大きな雲の中で冷たくて穏やかな子宮を必要とします。銀河の核は穏やかなものではありません：強い放射線がその領域にあふれ、ブラックホールの重力は、そこで何かがin化する前に気体の苗床を細断します。ラインハルト・ゲンツェルが数年前の会議でそれを述べたように、それらの若い星は「そこにいることを気にする権利はない」。それらのいくつかはより遠くに生まれ、内向きに移動した可能性がありますが、ほとんどの理論家はそのシナリオには若すぎると考えています。モリスは、強い重力がらせん状のガスをブラックホールの周りのディスクに圧縮し、他の銀河環境では見られないタイプの星の誕生で新しい太陽を作り出すと考えています。

これらの若い星は、今から数百万年後に自滅します。そして、彼らがそうするとき、最も大きなものは小さなブラックホールを残すでしょう。モリスは、過去の世代の星から蓄積されたこれらの数十万個の恒星質量ブラックホールは、中央の超大質量ブラックホールの周りを群れていると理論付けています。恒星質量のブラックホールは幅が約20マイルしかないため、それらの衝突はまれです。代わりに、モリスは次のように述べています。「夜にはブラックホールが揺れ動き、星がこの破壊ダービーを通過します。ブラックホールの1つと星の間のニアミスは、星を超巨大ブラックホールに散乱させるか、銀河の中心から完全に抜け出します。」理論家は、超大質量ブラックホールが数万年に1回、星をむさぼり食う可能性があると考えています。これは、銀河の中心に放射線があふれる現象です。「それは壮観な出来事でしょう」とモリスは言います。

天文学者は、過去の爆発の衝撃波を検出するX線および電波望遠鏡で天の川の内部を調べるときに、そのようなゴブリングの兆候を見る。マサチューセッツ州ケンブリッジにあるハーバード・スミソニアン天体物理学センターの理論計算研究所の所長であるアビ・ローブは、他の銀河の巨大なブラックホールは、天文学者がそのような深さで研究するには遠すぎると言います。だからこそ、彼はGhezとGenzelチームからのすべての発表に固執しています。「このように短い時間で観察者が行った進歩は本当に驚くべきものでした」と彼は言います。「私たちの理論家はすべて彼らにとってチアリーダーです。」

ローブと他の人々は、137億年前のビッグバン以降、宇宙とその1000億個の銀河がどのように進化したかについての新しい絵を描いています。彼らは、銀河が衝突したときの激しい摂食サイクルの間に指数関数的に成長した、まだ説明されていない「種」のブラックホールから始まったと考えています。そして銀河はより接近していた。衝突では、いくつかの星が深宇宙に飛び出し、他の星とガスが銀河の中心に新しく結合されたブラックホールに急落します。ブラックホールが大きくなると、数十億度に加熱されたガスで激怒するクエーサーに変わる、とローブは言います。その後、クエーサーは残りのガスを銀河から完全に吹き飛ばします。ガスが枯渇した後、ローブは「超大質量ブラックホールは銀河の中心にあり、休眠状態で飢えている」と言います。

適度な大きさのブラックホールを持つ天の川は、少数の小さな銀河しか吸収しておらず、クエーサーに燃料を供給したことがないようです。しかし、恐ろしい衝突が迫っています。アンドロメダと呼ばれる最も近い大きな銀河は、天の川との衝突コースにあります。この2つは約20億年後に融合し始め、徐々にローブと彼の元ハーバード・スミソニアンの同僚TJコックスが「ミルコメダ」と呼ぶ巨大な銀河を形成します。宇宙のこの落ち着いた部分で、銀河の超巨大な中央ブラックホールが衝突し、ガスの急流を短時間で飲み込んで、新しいクエーサーに点火します。「その点で私たちは遅咲きです」とローブは指摘します。「それは他のほとんどの銀河に早くから起こりました。」（衝突によって地球が太陽の軌道から投げ出されることはありません。また、合併中に地球に衝突することはありません。しかし、空にはもっと多くの星があります。）

私たちの銀河の不穏な未来は別として、ローブは、「ミリ波」望遠鏡の新しいグローバルネットワークのおかげで、すぐに（おそらく10年以内に）天の川の超大質量ブラックホールの最初のイメージが得られることを期待しています。彼らが検出する電波の波長にちなんで名付けられた、楽器は実際にはブラックホール自体を見ることはありません。むしろ、コンサートでは、背後にある高温のガスのカーテンに投影する影をマップします。すべてがうまくいけば、影は独特の形になります。一部の理論家は、ブラックホールが回転することを期待しています。そうだとすれば、アインシュタインが予測した直感に反した空間のドラッグによれば、私たちの影の見方は、片寄った押しつぶされた涙のようなものに歪められます。「これは、私たちが持っていた中で最も注目に値する絵になるでしょう」とローブは言います。

Ghezの計画された観測の4番目と最後の夜、マウナケア山頂での風と霧は望遠鏡のドームを閉じたままにします。そのため、天文学者は前夜のデータを確認します。 Ghezによると、最初の2泊の画像は良いものから素晴らしいものまで多岐にわたりました。三晩目は「立派な」ものでした。彼女は満足していると言います：彼女の学生は彼らを忙しくしておくのに十分であり、カリフォルニア大学アーバイン校のTuan Doはチームの分析に追加するためにいくつかの大きな若い星を特定しました。「これほど楽しいもので働くことは、信じられないほどの特権だと感じています」とGhez氏は言います。「ブラックホールは本当にエキゾチックな宇宙の状態だから、本当に存在すると信じることは難しい。私たちはそれを実証することができた、そしてそれは本当に深いと思う。」

彼女はほとんどの時間をワイメアの司令部の監督に費やしていますが、彼女はレーザーが動作しているのを見るためにマウナケアの頂上に行ってきました。魅惑的な光景について話すとき、Ghezが皮肉を高く評価していることは明らかです。天文学者は暗闇を愛し、しばしば観測を妨げる可能性のある光源について不満を漏らします。しかし、彼らはここにいて、人類が今までに見てもらえなかった最も黒いものを照らすのを助けるために、天に光のビーコンを投げかけています。

ロバート・イリオンによるこのストーリーは、アメリカ天文学会の2010年科学ジャーナリズムのデイビッド・N・シュラム賞を受賞しました。