블랙홀 연구소 소개
적절하게, 블랙홀 이니셔티브 (BHI)는 Karl Schwarzschild가 일반 상대성에 대한 아인슈타인의 방정식을 해결 한 지 100 년 만에 설립되었습니다. 시공간의 이국적인 구조로서, 블랙홀은 신비한 본성에 대한 한 세기의 연구에 따라 천문학 자, 물리학 자, 수학자, 철학자 및 일반 대중을 계속 매료시킵니다.
BHI의 사명은 학제 간이며,이를 위해 우리는 다른 분야의 연구원들 사이의 상호 작용을 지원하기 위해 환경을 조성하는 많은 사건을 후원합니다. 철학자들은 수학자, 물리학 자, 천문학 자와 이야기하고, 이론가들은 관찰자들과 이야기하고 일련의 예정된 사건들이 사람들이 정기적으로 함께 모일 수있는 장소를 만듭니다. .
예를 들어, 우리가 관심을 갖는 문제의 경우, 아인슈타인의 중력 이론의 고장을 나타내는 블랙홀 중심의 특이점을 고려하십시오. 양자 기계적 맥락에서 특이점은 어떤 모습일까요? 아마도, 그것은 작은 부피 내에서 거대한 질량 (천체 물리적 블랙홀에 대한 태양열 질량 이상)의 극심한 농도로 보일 것입니다. 천체 물리적 블랙홀에 빠진 모든 물질을 배수하는 저수지의 크기는 알려지지 않았으며 BHI 학자들이 일하는 미해결 문제 중 하나입니다.
우리는 BHI의 첫 번째 에세이 경쟁에 대한 많은 응용 프로그램에서 선임 교수가 신중하게 선택한 에세이 모음을 발표하게되어 기쁩니다. 우승 에세이는 에 여기에 출판 될 것입니다 향후 5 주 동안 Nautilus 5 위 피니셔부터 시작하여 1 위 피니셔로 일했습니다. 우리는 당신이 우리만큼 즐기기를 바랍니다.
—Abraham (Avi) Loeb
Frank B. Baird, Jr. 하버드 대학교 교수
하버드 천문학 부의장
블랙홀 이니셔티브 창립 이사 (BHI)
1700 년대에 영국의 John Michell과 프랑스의 Pierre-Simon Laplace는 독립적으로“상자 밖으로 나가는 길”을 독립적으로 생각하고 거대한 덩어리가 엄청나게 작은 양으로 배치되면 어떻게 될지 상상했습니다. 이 사고 실험을 한계로 밀어 내면서 그들은 중력이 가벼운 곳에서도 탈출 할 수 없을 수도 있다고 추측했다. Michell과 Laplace는 우리가 지금 블랙홀이라고 부르는 것을 상상하고있었습니다.
천문학 자들은 거대한 별이 핵연료를 통해 타면 아무것도없고 블랙홀을 형성한다고 확신합니다. 블랙홀에 무너지는 별의 개념은 놀랍지 만, 수백만과 수십억 개의 별의 재료가 단일 초대형 블랙홀에 응축 될 수있는 가능성은 훨씬 더 환상적입니다. 그러나 천문학 자들은 이제 초대형 블랙홀이 존재한다고 확신하며 우주의 100 억 은하의 대부분의 중심에서 발견됩니다.
우리는 어떻게이 놀라운 결론에 도달 했습니까? 이 이야기는 1900 년대 중반 천문학 자들이 우리의 눈에 민감한 매우 좁은 파장을 넘어 지평을 확장했을 때 시작됩니다. 매우 강력한 무선 파도 공급원이 발견되었고, 정확한 위치가 결정되면 많은 사람들이 먼 은하를 중심으로하는 것으로 밝혀졌습니다. 그 후 얼마 지나지 않아 라디오 안테나가 서로 연결되어 각도 해상도를 크게 향상시켰다. 이 새로운 "간섭계"는 은하에서 무선 방출에 대한 예상치 못한 그림을 보여주었습니다. 무선 파장은 은하 자체에서 나오는 것처럼 보였지만 두 개의 거대한 "엽"에서 은하 주위에 대칭 적으로 배치되었습니다. 그림 1은 Cygnus A라는 이름의 "라디오 갤럭시"의 예를 보여줍니다. Radio Lobes는 우주에서 가장 큰 구조 중 하나 일 수 있으며, 은하 자체의 크기의 100 배 이상 상승합니다.
.엄청난 무선 엽이 어떻게 활력을 불어 넣습니까? 은하에 대한 대칭적인 배치는 밀접한 관계를 분명히 제안했다. 1960 년대에 민감한 라디오 간섭계는 희미한 트레일 또는“제트기”를 발견하여 관계의 정황 사례를 확인했으며, 엽에서 무선 방출을 은하의 정확한 중심에서 매우 컴팩트 한 소스로 추적했습니다. 이러한 발견은 라디오 천문학자가 이러한 배출량을 더 잘 해결하기 위해 간섭계의 크기를 증가 시키도록 동기를 부여했습니다. 궁극적으로 이것은 매우 긴 기준선 간섭계 (VLBI)의 기술로 이어졌으며, 지구를 가로 지르는 안테나의 무선 신호가 결합되어 망원경의 각도 해상도를 지구 크기로 얻습니다! VLBI 관찰로 만든 라디오 이미지는 곧 무선 은하의 중심의 소스가 태양과 가장 가까운 별 사이의 거리보다 작은 은하계 표준에 의해“미세한”임을 보여 주었다.
천문학 자들은 라디오 로브에 전력을 공급하는 데 필요한 에너지를 계산했을 때 눈에 띄게되었습니다. 아인슈타인의 유명한 방정식 e 를 사용하여 질량을 에너지로 전환하는 1 천만 개의 별이“기화”되어야했습니다. = mc ! 별을 파워하는 원자력은 별 질량의 1 %를 에너지로 변환 할 수 없습니다. 따라서 원자력이있는 라디오 로브의 에너지를 설명하려고 시도하려면 10 억 개가 넘는 별이 필요할 것이며,이 별들은 VLBI 관찰로 표시된“미세한”부피 내에서 살아야 할 것입니다. 이러한 결과로 인해 천문학 자들은 대체 에너지 원을 고려하기 시작했습니다. 초대형 블랙홀.
은하의 중심이 초대형 블랙홀을 보유 할 수 있다는 점을 감안할 때, 그러한 괴물을 위해 은하계의 중심을 확인하는 것이 당연했습니다. 1974 년에 ARC의 1 초 (1/3600)보다 작은 매우 작곡 된 라디오 소스가 발견되었습니다. 컴팩트 한 소스는 SAGITTARIUS A 또는 SGR A로 이름을 짧게했으며, 그림 2의 오른쪽 패널의 중앙에 표시됩니다. 초기 VLBI 관측치는 SGR A가 태양계의 크기보다 훨씬 컴팩트하다는 것을 확립했습니다. 그러나 명백한 광학, 적외선 또는 X- 선 방출 원을 자신있게 식별 할 수는 없으며 그 본질은 신비로운 상태로 남아있었습니다.
한편, 고해상도 적외선 카메라의 개발은 은하수의 중심에서 조밀 한 별 클러스터를 보여 주었다. 이 별은 광학 파장에서 볼 수 없습니다. 가시 광선은 먼지 중재에 의해 완전히 흡수되기 때문입니다. 그러나 적외선 파장에서 별빛의 10 %가 망원경으로 향하고 천문학 자들은 20 년 이상이 별의 위치를 측정 해 왔습니다. 이러한 관찰은 별들이 타원형 경로를 따라 움직이고 있다는 중요한 발견으로 정점에 이르렀으며, 이는 중력 궤도의 독특한 특성입니다. 이 별들 중 하나는 이제 그림 2의 왼쪽 패널에 표시된 것처럼 완전한 궤도에서 추적되었습니다.
많은 별들이 부분 궤도를 따라 따라 갔으며, 모두 단일 물체에 대한 궤도와 일치합니다. 두 개의 별은 태양계 크기 내에서 센터에 접근하는 것으로 관찰되었으며, 은하계 표준에 따라 매우 작습니다. 이 시점에서 중력은 너무 강해서 별은 초당 거의 10,000 킬로미터로 궤도를 바르고 있습니다. 1 초 안에 지구를 건너기에 충분합니다! 이러한 측정은 별들이 태양보다 4 백만 배의 보이지 않는 질량에 반응하고 있다는 데는 의심의 여지가 없습니다. 이 덩어리를 별 (천문학적으로) 소량과 동성 궤도로 표시하면 밀도가 매우 높습니다. 이 밀도에서 블랙홀을 형성하기 위해 어떤 유형의 물질이 무너지지 않는지 상상하기 어렵습니다.
방금 설명한 적외선 결과는 무선 파장에서의 관찰에 의해 아름답게 보완됩니다. SGR A에 대한 적외선에 대응하기 위해 라디오 소스의 위치는 적외선 이미지로 정확하게 전달되어야했다. 이 작업을 수행하는 독창적 인 방법은 라디오 및 적외선 파장 모두에서 볼 수있는 소스를 사용하여 기준 프레임을 함께 묶습니다. 이상적인 소스는 거대한 빨간 별이며, 적외선에서 밝고 주변 분자의 방사선 파장에서 강한 방출이 있습니다. 두 웨이브 밴드 에서이 별의 위치를 일치시킴으로써, SGR A의 무선 위치는 0.001 초의 ARC의 정확도로 적외선 이미지로 전송 될 수있다. 이 기술은 SGR을 궤도 별의 중력 중심의 위치에 정확하게 배치했습니다.
항성 궤도 내의 어두운 덩어리는 라디오 소스 SGR A와 직접 연관 될 수 있습니까? Sgr A A Star였으며 다른 별이 관찰되는 것처럼 강한 중력장에서 초당 10,000 킬로미터 이상으로 움직일 것입니다. sgr a가 매우 방대한 경우에만 천천히 움직일 것입니다. SGR A의 위치는 20 년 넘게 VLBI 기술로 모니터링되었으며, 이는 은하수의 역동적 인 중심에서 본질적으로 고정되어 있음을 보여줍니다. 구체적으로, 은하수의 평면에 수직 인 SGR A의 본질 운동의 구성 요소는 초당 1km 미만입니다. 이에 비해 지구가 태양을 공전하는 것보다 30 배 더 느립니다. SGR A가 본질적으로 고정되어 있고 은하 중심을 고정 시킨다는 발견은 SGR A가 태양 질량의 40 만 배 이상을 포함해야합니다.
최근의 VLBI 관찰에 따르면 SGR A의 무선 방출 크기는 수은 궤도에 포함 된 것보다 작다는 것이 밝혀졌다. SGR A에 이용 가능한이 부피를 질량의 하한과 결합하면 엄청나게 높은 밀도가 높아집니다. 이 밀도는 블랙홀의 궁극적 한계의 10 미만입니다. 이러한 극심한 밀도에서 SGR A가 초기 블랙홀이라는 증거는 압도적입니다.
이러한 발견은 직접성과 단순성으로 우아합니다. 별 궤도는 보이지 않는 대량 농도에 대한 절대적으로 명확하고 명백한 증거를 제공합니다. 소형 무선 소스 SGR A가 보이지 않는 질량의 정확한 위치에 있으며 움직이지 않는다는 것을 발견하면 초대형 블랙홀에 대한 더욱 강력한 증거를 제공합니다. 함께 그들은 함께 초대형 블랙홀의 환상적인 개념이 실제로 현실이라는 단순하고 독특한 데모를 형성합니다. 존 미첼과 피에르-시몬 라플라스
Mark J. Reid는 Astrophysics, Harvard &Smithsonian 센터의 선임 천문학 자입니다. 그는 전 세계의 무선 망원경을 동시에 사용하여 신생아와 죽어가는 별과 블랙홀의 최고 해상도 이미지를 얻습니다. .
이 에세이는 블랙홀 연구소의 에세이 콘테스트에서 2 위를 차지했습니다.
