Obserwator nieba

Spencer Lowell

Kiedy astrofizyk Andrea Ghez '87 była młodą dziewczyną dorastającą w Chicago, jej ojciec dał jej biografię Marie Curie, z której wyciągnęła lekcję, że kobieta może być wielkim naukowcem, mieć dzieci i zdobyć Nagrodę Nobla . Do tej pory Ghez zrobiła wszystkie trzy i nie wykazuje oznak spowolnienia.

Ghez otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2020 roku za 25 lat badań potwierdzających istnienie supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki Drogi Mlecznej. Jest dopiero czwartą kobietą, która otrzymała nagrodę za fizykę.

Prace trwały dziesiątki lat, podczas których zmieniały się technologie i instrumenty, studenci przychodzili i odchodzili, a ogromne ilości danych były starannie chrupane i chrupane ponownie. Jeden z byłych doktorantów Gheza, a teraz kolega z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles w Tuan Do, mówi o ogromie wysiłku: Ta praca wymaga nie tylko cierpliwości, ale naprawdę drobiazgowego myślenia o tym, co się dzieje. Te pomiary są trudne do wykonania… Spędzamy wiele lat na próbach tłumaczenia między instrumentami.

W przeciwieństwie do czarnych dziur o masie gwiazdowej, które są około 10 mas naszego Słońca i które przewidywano przez teorię, zanim zostały odkryte przez obserwacje, supermasywne czarne dziury – które mogą osiągnąć masę od miliona do miliarda mas Słońca – były uważane za wynik bezpośredniej obserwacji. Astronomowie zauważyli ogromne ilości energii pochodzącej z centrów niektórych galaktyk — ilości, które mógł wyjaśnić tylko obiekt o ogromnej gęstości. Zastanawiali się, czy w rzeczywistości każda galaktyka może zawierać w swoim centrum supermasywną czarną dziurę. Ghez mówi, że udowodnienie, że istnieje w centrum naszej własnej galaktyki, która jest całkowicie normalną, zwyczajną galaktyką ogrodową, pokazuje, że rzeczywiście może tak być.

Ponieważ czarne dziury pochłaniają nawet światło, udowodnienie ich istnienia wymaga środków pośrednich. Badania Gheza osiągnęły to dzięki zastosowaniu nowatorskich technik pomiaru ruchu gwiazd wokół centralnej masy Drogi Mlecznej, pokazując, że muszą one krążyć wokół obiektu tak masywnego, że nie może być niczym innym jak czarną dziurą.

Całkowita radość

Kiedy była dzieckiem, mówi Ghez, przestrzeń i czas nie pozwalały mi zasnąć w nocy. Przyciągnęła ją matematyka jako język rozwiązywania tych wszystkich ezoterycznych pytań dotyczących przestrzeni i czasu, i pochłonęła kolekcję esejów o nieskończoności Isaaca Asimova. Uwielbiała też dobrą powieść kryminalną. Nadal to robię, mówi. W wieku 17 lat zgłosiła się do MIT wczesnej akcji, już pewna, że ​​interesuje ją studiowanie matematyki i nauk ścisłych.

Chociaż Ghez początkowo zamierzała studiować matematykę, szybko skierowała się w stronę fizyki i zagłębiła się w badania astrofizyczne poprzez UROP współpracujący z profesorem Hale Bradt, dr '61, który założył program rakiet sondujących MIT w dziedzinie astronomii rentgenowskiej. Dał jej możliwość pracy z satelitarnymi systemami danych, a także z dużymi profesjonalnymi teleskopami optycznymi. Zakochałam się w teleskopach – w tym, co widzisz i robisz, mówi. I odkryła swoją pasję do czarnych dziur.

Dokładne położenie centrum galaktyki, w którym znajduje się (niewidzialna) czarna dziura znana jako Strzelec A*, jest zaznaczone pomarańczowym krzyżykiem.

ESO/MPE/S. GILLESSEN I AL

MIT wykonała fantastyczną robotę, naprawdę zachęcając swoich studentów do możliwości [badania], mówi.

Ghez kontynuuje tę filozofię w swoim nauczaniu na UCLA, gdzie jest od 1994 roku, dając studentom możliwość wczesnego zapoznania się z kulturą badań i zestawami umiejętności potrzebnych do uprawiania profesjonalnej nauki. To bardzo różni się od nauki w klasie, mówi. Tylko sposób, w jaki uprawia się naukę, nie jest sposobem, w jaki uczymy wiedzy naukowej.

Docenia również MIT jako miejsce, w którym ludzie naprawdę dobrze się bawią — wspomina dużo śmiechu i mówi, że tak samo jest w jej Galactic Center Group na UCLA. Chociaż to poważna [praca], zawierała również element całkowitej radości, mówi. Nie sądzę, że większość ludzi myśli w ten sposób o MIT lub nauce.

Galaktyczny detektyw

Podobnie jak detektywi zacieśniający sieć wokół podejrzanego, Ghez i jej zespół – wraz z niemieckimi badaczami kierowanymi przez Reinharda Genzela, jednego z naukowców, z którymi Ghez dzielił Nobla z 2020 r. – stopniowo zbliżali się do supermasywnej czarnej dziury Drogi Mlecznej. Ponieważ nie mogą go zobaczyć, muszą zamiast tego wywnioskować jego obecność, wykonując coraz dokładniejsze pomiary regionu, a następnie używając podstawowych zasad fizyki, aby obliczyć rozmiar jego masy centralnej. Ostatecznym dowodem na to, że niewidzialny obiekt w jądrze galaktyki jest czarną dziurą, wyjaśnia Ghez, jest pokazanie, że masa, którą zawiera, jest ograniczona do obszaru mniejszego niż promień Schwarzschilda – często określanego jako horyzont zdarzeń, granica, w której przyciąganie grawitacyjne między fizycznymi cząsteczkami jest tak intensywne, że materia zapada się w sobie i nic, nawet światło, nie może uciec.

Chociaż nie do końca ograniczyli obiekt – znany jako Sagittarius A* – do tego promienia, coraz dokładniejsze obserwacje jego orbitujących gwiazd przez Ghez zmniejszyły odległość 10 milionów razy od czasu rozpoczęcia prac 25 lat temu. To bliżej niż ktokolwiek kiedykolwiek się zbliżył, mówi Ghez.

Ghez użył teleskopu Kecka w centrum pierwszego planu grzbietu Mauna Kea, aby uzyskać obrazy centrum galaktyki.

OBSERWATORIUM GEMINI I DR. RICHARD PŁASZCZ.

Grawitacja zmusza obiekty w kosmosie do poruszania się po orbitach wokół masy centralnej – podobnie jak planety krążące wokół naszego Słońca – a im większa masa znajduje się w danym promieniu, tym szybsze obiekty o tym promieniu będą poruszać się wokół punktu środkowego. Tak więc, aby określić rozmiar obiektu w centrum galaktyki, pierwszą rzeczą do zrobienia była próba obserwowania ruchu obiektów krążących wokół niego.

Jako młody członek wydziału na UCLA w latach 90. Ghez zaproponował użycie teleskopu Obserwatorium Keck na Mauna Kea na Hawajach do robienia zdjęć centrum galaktyki, jednocześnie korygując zakłócenia atmosferyczne Ziemi za pomocą techniki zwanej obrazowaniem plamkowym – sposób robienia zdjęć wiele migawek wykonywanych w dziesiątej części sekundy, a następnie układanie ich razem w celu uzyskania wyraźnego obrazu. Te obrazy umożliwiłyby następnie zespołowi dokładniejsze niż kiedykolwiek wcześniej mierzenie prędkości gwiazd.

Ponieważ nie mogą go zobaczyć, muszą wywnioskować o jego obecności, dokonując dokładnych pomiarów regionu i używając podstawowych zasad fizyki do obliczenia jego masy.

Jej propozycja została odrzucona. Komisja selekcyjna Kecka nie sądziła, że ​​Ghez będzie w stanie usunąć efekty atmosferyczne Ziemi wystarczająco dobrze, aby zobaczyć gwiazdy, a tym bardziej zobaczyć ich ruch.

Niezrażona, Ghez pożyczyła czas teleskopowy od jednego ze swoich kolegów – imponujące wyczyn, biorąc pod uwagę, że przeciętny astronom z systemu Uniwersytetu Kalifornijskiego ma tylko dwie cenne noce obserwacyjne co sześć miesięcy – aby pokazać, że koncepcja zadziała. Tak się stało, jej trzyletnia propozycja została zaakceptowana w następnej rundzie przydziałów czasu teleskopu, a jej zespół opublikował swój pierwszy artykuł na temat prędkości gwiazd centralnych galaktyki w 1998 roku.

Ich pomiary pozwoliły im obliczyć dokładniejszą niż kiedykolwiek objętość masy centralnej, korzystając z praw ruchu Keplera. Był ogromny, mówi Ghez, ponieważ był to czynnik tysiąca w koncentracji masy do mniejszej objętości.

Założyli wówczas, że czarna dziura jest jedynym rozsądnym wyjaśnieniem tak gęstego obiektu, ale niepewność ich pomiarów oznaczała, że ​​musieli zachować pewność.

Kolejnym krokiem było umożliwienie pomiaru przyspieszenia orbit gwiazd w tym regionie, co Ghez i jej współpracownicy z powodzeniem wykonali, publikując swoje wyniki w 2000 roku. To pozwoliło im jeszcze bardziej zmniejszyć promień.

Do tego czasu dowiedzieli się również z pomiarów, że gwiazdy najbliższe Sagittarius A* mogą mieć okresy orbitalne tak krótkie, jak dekada, a po pięciu latach badań oznaczało to, że za jedyne pięć lat mogli obliczyć ich objętość. jeszcze bardziej jednoznacznie. To było oczywiste, mówi Ghez. Otrzymywali coraz większe zainteresowanie ze strony innych naukowców i coraz większe fundusze. Patrzyli dalej.

W tym momencie technologia rozwijała się i przeszli od obrazowania plamek do optyki adaptacyjnej – bardziej precyzyjnej techniki usuwania zakłóceń atmosferycznych Ziemi w celu uzyskania ostrzejszych, bardziej stabilnych obrazów. Połączenie optyki adaptacyjnej ze spektroskopią pozwoliło im zmierzyć pełną orbitę śledzonej przez nich gwiazdy, zwanej S0-2. Oznaczało to znaczny postęp w pomiarach prędkości orbitujących gwiazd w dwóch wymiarach poprzez dostarczenie krytycznego trzeciego wymiaru ich ruchu promieniowego, czyli trójwymiarowego.

To właśnie kocham w tym, mówi Ghez. To jak fizyka pierwszego roku. Widzisz dwa punkty, linię, [a potem] możesz zmierzyć krzywą.

Nawet w tych wczesnych pomiarach prędkości, jak mówi jej kolega z UCLA, Do, wyglądało to całkiem przekonująco, że istnieje czarna dziura, ponieważ zaobserwowali gwiazdy poruszające się bardzo szybko w tym regionie. Ale objętość przestrzeni, w której wiedzieli, że zachodzi ruch, była nadal duża, więc można sobie wyobrazić gromadę małych czarnych dziur, gromadę gwiazd neutronowych lub inne masywne rzeczy, których nie można dobrze zobaczyć, wyjaśnia.

Jednak teraz, gdy byli w stanie zmierzyć orbity – i ponieważ wykazali, że orbita gwiazdy S0-2 przechodzi, w jej najbliższym zbliżeniu, około 100 jednostek astronomicznych od obiektu centralnego (który jest bardzo blisko, mówi) — są zadowoleni, że wyeliminowali wszystkie możliwości poza supermasywną czarną dziurą. Naprawdę trudno jest ukryć 4 miliony gwiazd neutronowych w tym małym obszarze przestrzeni, mówi Do – w rzeczywistości jest to niemożliwe, ponieważ odbijałyby się one od siebie i latały, a te efekty byłyby zauważalne.

Ponieważ zmierzyli widma orbitujących gwiazd, byli również w stanie dokonać innego odkrycia: po raz pierwszy pozwoliło nam to astrofizycznie dowiedzieć się, jakie gwiazdy tam były, mówi Ghez. Dowiedzieli się na przykład, że gwiazdy krążące najbliżej masy centralnej to młode gwiazdy, co jest przeciwieństwem tego, co sugerowały teorie.

Ghez jest tak samo podekscytowana nieoczekiwanymi rzeczami, których nauczyli się po drodze, jak i dowodami na istnienie supermasywnej czarnej dziury. Było tak wiele niespodzianek, mówi. Tyle się nie spodziewaliśmy. Tak wiele z tego było po prostu odkryciem poprzez przeszukanie tego zestawu danych.

Jednym z eksperymentów, który teraz badają, jest poruszanie się obiektu w centrum galaktyki w czasoprzestrzeni. Einstein przewidział, że orbita czarnej dziury powinna precesować, czyli obracać się, i że powinna to robić w kierunku, w którym krąży. Jednak zespół Gheza zaobserwował wstępną orbitę wsteczną, dokładne przeciwieństwo przewidywań Einsteina.

To oznacza, że ​​czas sprawdzić ich pracę. Ghez porównuje to do chodzenia dookoła samochodu i kopania opon, aby upewnić się, że wszystko jest solidne.

Mówi, że próbując zebrać dane z 25 lat, trzeba mieć wszystko w porządku. Muszą zapytać, czy poszli na skróty ze swoimi założeniami i kodem komputerowym, które mogłyby stworzyć coś nieoczekiwanego.

To nas wszystkich głęboko angażuje i drapie się po głowach, mówi Ghez.

Równowaga krótko- i długoterminowej nauki była ważną częścią tego, co utrzymywało grupę przez tak długi czas, dodaje: Właściwie trzeba przekonać wielu ludzi, że chcą dalej robić to jako zespół. A więc musi ich wystarczyć, jak wiele pokoleń absolwentów, którzy przyszli i odeszli. A ich skala czasowa nie wynosi 25 lat. To zwykle trzy lata solidnej pracy.

Jeden z wielu

Najstarsza z trzech córek profesora ekonomii i dyrektora galerii sztuki współczesnej, która wspierała swoje dzieci w doskonaleniu wykształcenia i sukcesach zawodowych, Ghez zawsze wiedziała, że ​​zrobi doktorat, ale nie wszyscy wokół niej byli przekonani.

Kiedy jej doradca szkolny powiedział jej, że nie powinna składać podania na MIT, twierdząc, że nie przyjmuje on dziewcząt, zgłosiła się mimo to — zachęcona przez nauczycielkę chemii, która powiedziała: „Co najgorszego mogą powiedzieć: „Nie?”.

Ghez tak często słyszała, jak ludzie mówią, że jej się nie uda, że ​​przyzwyczaiła się do ich ignorowania. Na początku masz twarde dowody, aby powiedzieć: „To po prostu nierozsądne”, mówi. Nabrała pewności siebie, aby wytrzymać narzekania.

Dowiedziała się, że społeczność też ma znaczenie. W MIT, gdzie w czasie jej uczestnictwa było około 25% kobiet, zorientowała się, że aby poradzić sobie z byciem jedną z wielu, musi upewnić się, że są części jej życia, w których nie należy do nielicznych odosobnionych. To zmotywowało ją do życia w koedukacyjnym bractwie numer sześć i dołączenia do zespołu biegowego, w obu środowiskach o zrównoważonym stosunku płci, w których znalazła silną społeczność.

Zwróciła również uwagę na to, aby pracowała z kimś, kto ją wspierał, zarówno na MIT, jak i na początku studiów podyplomowych w Caltech.

Ważne staje się przebywanie w środowisku, w którym ludzie wysoko o tobie myślą, a ich opinii nie komplikują uczucia do kobiet.

Mówi, że jedną z najtrudniejszych rzeczy i najważniejszych decyzji, jakie podejmujemy w szkole, jest to, z kim pracujemy. Ważne staje się przebywanie w środowisku, w którym ludzie wysoko o tobie myślą, a ich opinii nie komplikują uczucia do kobiet. Wybór dobrego doradcy, który zechce wesprzeć Cię w czymś, co Cię interesuje, jest naprawdę ważny.

Jako doradca teraz sama podkreśla znaczenie znalezienia odpowiedniego dopasowania, w którym uczniowie czują się komfortowo i są cenieni. Mówi, że podobnie jak w przypadku randek, jeśli z jakiegoś powodu to nie działa, ważne jest, aby zrozumieć, że masz moc zmiany.

Kto może zajmować się nauką?

Kiedy Ghez po raz pierwszy wygłosił przemówienie podczas lunchu na studiach magisterskich, cała się trzęsła. Jej doradca odciągnął ją potem na bok i powiedział: Musisz uczyć. Musisz umieć wstać na scenę.

Kierując się przekonaniem, że każde wyzwanie jest szansą, Ghez postanowiła zwalczyć swój strach przed wypowiadaniem się, lobbując za nauczaniem fizyki na pierwszym roku, co w tym czasie mogli robić tylko profesorowie w Caltech.

Nauczyciele powiedzieli, że tak, ale ich rozumowanie niepokoiło ją: powiedzieli, że młode kobiety nie radzą sobie tak dobrze, jak młodzi mężczyźni, więc jej zaangażowanie jako jedynej kobiety w zespole nauczycielskim może być pomocne.

Zaciekawiony, Ghez przeanalizował dane dotyczące wyników kobiet w porównaniu z uczniami i stwierdził, że nie potwierdzają ich twierdzenia. Pamięta, jak myślała: Jesteś fizykiem! Ta [różnica] jest nieistotna statystycznie!

Mówi, że to doświadczenie pobudziło ją do głębszego zaangażowania się w problematykę kobiet w nauce. To był wtedy taki absurdalny argument, mówi. Mimo tych wszystkich natręctw w jej własnym wykształceniu i karierze, nigdy nie słyszała, by tak wyżsi wykładowcy wypowiadali mi w twarz lekceważące, niepoparte twierdzeniami o występach kobiet.

Teraz jako płodny i dynamiczny mówca, Ghez uważa, że ​​ważne jest nie tylko otwieranie drzwi dla kobiet, ale także uznanie, że równie ważne jest, aby mężczyźni nauczyli się komfortowo pracować z kobietami i dla nich. Przyznaje ponadto, że teraz rozmowa o równości dotyczy bardziej rasy i integracji.

Nasz pomysł na to, kto może zajmować się nauką, zmienia się, mówi. Teraz starsi wykładowcy zastanawiają się nad blokadami dróg i tym, jak pomóc wszystkim studentom poczuć się mile widzianymi na wcześniejszych etapach kariery uniwersyteckiej. Ghez mówi, że na poziomie doktoratu niewiele można zrobić.

Na szczycie

Sposób, w jaki astronomowie pracują z teleskopami, zmienił się dramatycznie w ciągu 25 lat.

Na początku, mówi Ghez, wszedłeś na szczyt; nie było innej opcji. Wspomina podekscytowanie, jakie odbyła podczas kilkunastu wypraw na 14-tysięczny szczyt Mauna Kea, gdzie nie tylko znalazła się na miejscu z warunkami atmosferycznymi, ale także spotkała się z astronomami z całego świata, którzy przybyli na weź dane z tuzina tamtejszych teleskopów.

Wadą była oczywiście kwestionowanie wysokości i brak snu, ponieważ astronomowie musieli przebywać na nogach od zachodu do wschodu słońca, aby zebrać swoje dane. Masz tylko kilka nocy, starasz się wykonywać swoją najlepszą pracę, a jesteś nieoptymalny, mówi Ghez ze śmiechem. To było ekscytujące, mówi, ale kończyłeś swoje noce po prostu chcąc wczołgać się pod stół.

Ona i jej zespół odbyli swoją ostatnią podróż obserwacyjną w 1998 roku, po której zaczęli prowadzić obserwacje zdalnie z kwatery głównej u podnóża góry. W pewnym sensie byli oni ograniczeni brakiem bezpośredniego dostępu do warunków pogodowych lub innych badaczy spoza ich grupy. Z drugiej strony, mówi, twój mózg działa lepiej na poziomie morza.

Zaczęli również ściślej współpracować w centrali z personelem opracowującym system optyki adaptacyjnej, od sprzętu optycznego przez zwierciadła po technologię związaną z samym teleskopem, który Ghez uznał za naprawdę przydatny.

Około 15 lat temu zaczęli być w stanie obserwować z UCLA, co jeszcze bardziej zwiększyło odległość między obserwatorem a obserwatorium, ale więcej osób uzyskało dostęp do teleskopu. Studenci to uwielbiają, mówi Ghez. Teraz studenci, na samym początku, mogą się uzależnić. I może zaangażować znacznie więcej swojego zespołu.

Covid-19 zbliżył wszechświat jeszcze bardziej do domu. Mówi „Do”, jakoś wyskakuję z łóżka i podłączam się do tego 10-metrowego teleskopu – a on może obserwować centrum galaktyki z laptopa. To trochę dzikie, kiedy się nad tym zastanowić, mówi.

Göran K. Hansson, sekretarz generalny Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk, przemawia podczas cyfrowej konferencji prasowej z laureatami Nagrody Nobla Ghezem (u góry po lewej, fizyka), Emmanuelle Charpentier (u góry po prawej, chemia) i Paulem Milgromem (ekonomia) 9 grudnia , 2020.

JANERIK HENRIKSSON / TT PRZEZ AP

Ghez mówi, że aż do covid, nadal odwiedzali lokalizację teleskopu co roku, głównie po to, by utrzymywać relacje z operatorami i kontaktować się z lokalnymi społecznościami, które coraz bardziej głośno opowiadają o prawach ludności rdzennej do ziemi – blokując rozpoczęcie budowy nowego trzydziestometru Telescope (TMT), największy naziemny teleskop światła widzialnego, jakiego kiedykolwiek próbowano, i w niektórych przypadkach spowodował zamknięcie Obserwatorium Kecka.

Ghez, która jest wdzięczna za czas spędzony na Hawajach, ma nadzieję, że jej status Nobla pomoże jej zabrać głos w tych toczących się rozmowach. Myślę, że człowiek ponosi odpowiedzialność za podjęcie pewnych rzeczy, które są po prostu skomplikowane i trudne, ponieważ ma się zaufanie społeczności [naukowej], mówi.

Po Noblu

Chociaż od czasu zdobycia Nagrody Nobla otrzymała wiele propozycji dołączenia do innych instytucji lub objęcia funkcji administracyjnych, Ghez jest bardziej zainteresowana kontynuowaniem obecnego kursu.

Kocham moją naukę, mówi. Uwielbia także pracować z nową technologią, taką jak następna generacja teleskopów – nie może się doczekać, kiedy zobaczy nową naukę, która będzie możliwa dzięki skokowi z 10-metrowej średnicy Kecka do 30-metrowej średnicy TMT. Podobnie jak w przypadku badania centrum galaktycznego, realizacja tych projektów zajmuje dużo czasu. Ghez pamięta, kiedy zaczęła pracować nad projektem Thirty Meter Telescope, ponieważ była wówczas w ciąży ze swoim pierwszym synem, który w tym roku skończył 20 lat.

SPENCER LOWELL

Teraz chce nadal kierować swoją energię na naukę o centrum galaktycznym i wszystkie jego interesujące pytania, na wyzwania naukowe i przywódcze związane z wielkimi teleskopami oraz na problemy społeczne i kulturowe, które się z nimi wiążą, a także na nauczanie ze świadomością sprawiedliwość społeczna. Chciałabym móc wykorzystać uznanie, które daje Nobel, aby osiągnąć te cele, mówi.

Dla Gheza wciąż jest wiele tajemnic, ale także mnóstwo rutyny. Wygranie nagrody nie zmienia tego, co budzi mnie rano, co ożywia moją łódź – mówi. Nadal kocham naukę, którą robię. Nadal kocham moje dzieci. Wciąż jest tak samo.

Mówi, że jeśli będziesz mieć oko na ostateczną nagrodę, którą jest właściwe opanowanie wiedzy naukowej, pomoże ci ona w podejmowaniu decyzji, które musisz podjąć, gdy napotykasz różnego rodzaju zawiłości. Taka jest natura nauki — natura życia, ale także natura nauki.

Poprawka: podpis pod zdjęciem błędnie przedstawiał zaangażowany teleskop. To teleskop Kecka, a nie teleskop Gemini.

ukryć