211service.com
Skywatcher
Spencer Lowell
Da astrofysiker Andrea Ghez '87 var en ung jente som vokste opp i Chicago, ga faren henne en biografi om Marie Curie, og lærdommen hun tok av den var at en kvinne kunne være en stor vitenskapsmann, få barn og vinne en Nobelpris . Nå har Ghez gjort alle tre, og hun viser ingen tegn til å bremse.
Ghez delte Nobelprisen i fysikk i 2020 for 25 års forskning som bekrefter eksistensen av et supermassivt sort hull i sentrum av Melkeveien. Hun er bare den fjerde kvinnen som mottar prisen for fysikk.
Arbeidet tok flere tiår, der teknologi og instrumenter endret seg, studenter kom og gikk, og enorme mengder data ble forsiktig knust og knust igjen. En av Ghezs tidligere doktorgradsstudenter og nå en kollega ved University of California, Los Angeles, Tuan Do, snakker om omfanget av innsatsen: Med dette arbeidet krever det ikke bare tålmodighet, men virkelig grundig tenkning om nøyaktig hva som skjer. Disse målingene er vanskelige å gjøre ... Vi bruker mange år på å bare prøve å oversette mellom instrumenter.
I motsetning til sorte hull med stjernemasse, som er omtrent 10 ganger massen av solen vår og ble forutsagt av teori før de ble oppdaget observasjonsmessig, ble supermassive sorte hull – som kan nå en million til en milliard ganger solens masse – angitt som et resultat av direkte observasjon. Astronomer hadde lagt merke til enorme mengder kraft som kom fra sentrene til noen galakser – mengder som bare et objekt med enorm tetthet kunne stå for. De lurte på om hver galakse faktisk kan inneholde et supermassivt sort hull i sentrum. Å bevise at en eksisterer i sentrum av vår egen galakse, som er en helt normal, ordinær galakse med hagevarianter, sier Ghez, viser at dette faktisk kan være tilfelle.
Siden sorte hull absorberer jevnt lys, krever det indirekte midler å bevise deres eksistens. Ghez sin forskning oppnådde dette ved å bruke nye teknikker for å måle bevegelsen til stjerner rundt den sentrale massen av Melkeveien, og demonstrerte at de må kretse rundt et objekt så massivt at det ikke kan være annet enn et svart hull.
Total glede
Da hun var barn, sier Ghez, pleide rom og tid å holde meg våken om natten. Hun ble tiltrukket av matematikk som språket for å finne ut av alle disse esoteriske spørsmålene om rom og tid, og hun slukte Isaac Asimovs samling av essays om uendelighet. Hun elsket også en god mysterieroman. Det gjør jeg fortsatt, sier hun. Som 17-åring søkte hun tidlig til MIT, allerede sikker på at hun var interessert i å studere matematikk og naturfag.
Selv om Ghez først hadde til hensikt å ta hovedfag i matematikk, graviterte hun raskt mot fysikk og gikk inn i astrofysikkforskning gjennom en UROP som jobbet med professor Hale Bradt, PhD '61, som grunnla MITs rakettprogram innen røntgenastronomi. Han ga henne muligheter til å jobbe med satellittdatasystemer og også med store profesjonelle optiske teleskoper. Jeg ble forelsket i teleskoper – det du ser og gjør, sier hun. Og hun oppdaget sin lidenskap for sorte hull.
Den nøyaktige posisjonen til det galaktiske senteret, som huser det (usynlige) sorte hullet kjent som Skytten A*, er markert med det oransje korset.
ESO/MPE/S. GILLESSEN ET ALMIT gjorde en fantastisk jobb med å virkelig oppmuntre sine studenter til [forskning] muligheter, sier hun.
Ghez bærer denne filosofien videre i undervisningen ved UCLA, hvor hun har vært siden 1994, og gir studenter tidlige muligheter til å lære om forskningskulturen og ferdighetene som trengs for å utføre profesjonell vitenskap. Det er så forskjellig fra klasseromslæring, sier hun. Akkurat måten vitenskap gjøres på er ikke måten vi underviser i vitenskap.
Hun setter også pris på MIT som et sted hvor folk virkelig hadde det gøy – hun husker mye latter og sier at det er det samme i hennes Galactic Center Group ved UCLA. Selv om det er alvorlig [arbeid], hadde det også dette elementet av total glede, sier hun. Jeg tror ikke det er slik folk flest tenker på MIT eller vitenskap.
Galaktisk speider
Som detektiver som strammer nettet rundt en mistenkt, har Ghez og teamet hennes – sammen med tyske forskere ledet av Reinhard Genzel, en av forskerne som Ghez delte Nobelprisen 2020 med – i etapper nærmet seg Melkeveiens supermassive sorte hull. Fordi de ikke kan se det, må de i stedet utlede dens tilstedeværelse ved å ta flere og mer nøyaktige målinger av regionen og deretter bruke grunnleggende fysikk for å beregne størrelsen på dens sentrale masse. Det ultimate beviset på at det usynlige objektet ved galaksens kjerne er et svart hull, forklarer Ghez, er å vise at massen den inneholder er begrenset til et område som er mindre enn dens Schwarzschild-radius – ofte referert til som hendelseshorisonten, grensen innenfor hvilken gravitasjonstiltrekningen mellom fysiske partikler er så intens at materie kollapser i seg selv og ingenting, ikke engang lys, kan unnslippe.
Selv om de ikke helt har begrenset objektet – kjent som Sagittarius A* – til den radiusen, har Ghez sine stadig mer nøyaktige observasjoner av dens banestjerner stengt avstanden med en faktor på 10 millioner siden arbeidet startet for 25 år siden. Det er nærmere enn noen noen gang har kommet, sier Ghez.
Ghez brukte Keck-teleskopet i midten av forgrunnsryggen til Mauna Kea for å få bilder av det galaktiske senteret.
GEMINI OBSERVATORIUM OG DR. RICHARD WAINSCOAT.Tyngdekraften tvinger objekter i rommet til å bevege seg i baner rundt en sentral masse – akkurat som planetene som går i bane rundt solen vår – og jo mer masse som befinner seg innenfor en gitt radius, jo raskere vil objekter i den radiusen bevege seg rundt midtpunktet. Så for å bestemme størrelsen på objektet i det galaktiske senteret, var den første tingen å gjøre å prøve å observere bevegelsen til objekter som kretser rundt det.
Som et ungt fakultetsmedlem ved UCLA på 1990-tallet foreslo Ghez å bruke teleskopet til Keck-observatoriet på Mauna Kea, Hawaii, for å ta bilder av det galaktiske senteret mens han korrigerte for jordas atmosfæriske forstyrrelse med en teknikk som kalles speckle imaging – en måte å ta bilder på. flere øyeblikksbilder på en tiendedel av et sekund og stable dem sammen etterpå for å skape et klart bilde. Disse bildene ville da tillate teamet hennes å måle stjernenes hastigheter mer nøyaktig enn noen gang før.
Fordi de ikke kan se det, må de utlede dens tilstedeværelse ved å ta nøyaktige målinger av regionen og bruke grunnleggende fysikk for å beregne massen.
Forslaget hennes ble avvist. Keck-utvalgskomiteen trodde ikke Ghez ville være i stand til å fjerne jordens atmosfæriske effekter godt nok til å se stjerner, langt mindre se dem bevege seg.
Uforskammet lånte Ghez teleskoptid fra en av hennes kolleger - en imponerende bragd tatt i betraktning at den gjennomsnittlige astronomen i University of California-systemet bare får to dyrebare netter med observasjonstid hver sjette måned - for å vise at konseptet ville fungere. Det gjorde det, hennes treårige forslag ble akseptert i neste runde med teleskoptidstildelinger, og teamet hennes publiserte sin første artikkel om hastighetene til galaksens sentrale stjerner i 1998.
Målingene deres tillot dem å beregne et mer nøyaktig volum av sentralmassen enn noen gang før, ved å bruke Keplers bevegelseslover. Det var enormt, sier Ghez, fordi det var en faktor på tusen for å konsentrere massen til et mindre volum.
De hevdet på den tiden at et svart hull var den eneste rimelige forklaringen på et så tett objekt, men usikkerhet i målingene betydde at de måtte fortsette for å være sikre.
Det neste trinnet var å kunne måle akselerasjonen av banene for stjerner i regionen, noe Ghez og hennes medarbeidere gjorde med suksess, og publiserte resultatene sine i 2000. Det gjorde at de kunne lukke radiusen ytterligere.
På den tiden hadde de også lært fra målingene at stjernene nærmest Skytten A* kunne ha omløpsperioder så korte som et tiår, og etter fem års forskning betydde det at de om bare fem år til kunne beregne volumet. enda mer avgjørende. Det var enkelt, sier Ghez. De fikk økende interesse fra andre forskere, og mer finansiering. De fortsatte å se på.
På det tidspunktet utviklet teknologien seg, og de gikk fra flekkavbildning til adaptiv optikk - en mer presis teknikk for å fjerne jordas atmosfæriske forstyrrelser for skarpere, jevnere bilder. Ved å koble adaptiv optikk med spektroskopi kunne de måle hele banen til en stjerne de hadde fulgt, kalt S0-2. Dette betydde betydelig fremgang i forhold til å måle hastigheten til de kretsende stjernene i to dimensjoner ved å gi den kritiske tredje dimensjonen til deres radielle, eller 3D, bevegelse.
Det er dette jeg elsker med dette, sier Ghez. Det er som førsteårsfysikk. Du ser to punkter, en linje, [og så] kan du måle en kurve.
Selv i de tidlige målingene av hastigheter, sier hennes UCLA-kollega Do, så det ganske overbevisende ut at det var et svart hull, fordi de observerte stjerner som beveget seg veldig raskt i området. Men volumet av rommet der de visste at bevegelsen skjedde var fortsatt bredt, så du kan forestille deg en klynge av små sorte hull, eller en klynge av nøytronstjerner, eller noen andre massive ting du ikke kan se godt, forklarer han.
Men nå som de har vært i stand til å måle baner – og fordi de har vist at banen til stjernen S0-2 passerer, ved sin nærmeste tilnærming, omtrent 100 astronomiske enheter fra det sentrale objektet (som er veldig nært, Do sier)—de er fornøyd med at de har eliminert alle mulighetene bortsett fra et supermassivt sort hull. Det er veldig vanskelig å skjule 4 millioner nøytronstjerner i denne lille delen av verdensrommet, sier Do - faktisk er det umulig, fordi de ville sprette av hverandre og fly rundt, og disse effektene ville være merkbare.
Siden de hadde målt de kretsende stjernenes spektre, var de også i stand til å gjøre en annen oppdagelse: For første gang tillot det oss å finne ut astrofysisk hva slags stjerner som var der, sier Ghez. De lærte for eksempel at stjernene som kretser nærmest den sentrale massen var unge stjerner, noe som er det motsatte av hva teorier hadde antydet.
Ghez er like begeistret over de serendipite tingene de har lært underveis som hun er over bevisene for et supermassivt sort hull. Det var så mange overraskelser, sier hun. Så mye vi ikke forventet. Så mye av det var bare oppdagelse ved å utvinne dette datasettet.
Et eksperiment de undersøker nå er hvordan objektet i det galaktiske senteret beveger seg gjennom rom-tid. Einstein spådde at banen til et sort hull skulle precessere, eller rotere, og at det skulle gjøre det i den retningen det kretser i. Ghezs team har imidlertid observert en foreløpig retrograd bane, det stikk motsatte av Einsteins spådommer.
Det betyr at det er på tide å sjekke arbeidet deres. Ghez sammenligner det med å gå rundt bilen og sparke i dekkene for å sikre at alt er solid.
Når man prøver å sette sammen 25 år med data, må man ha alt på linje, sier hun. De må spørre om de har tatt noen snarveier med sine antakelser og datakode som kan skape utseendet til noe uventet.
Det har oss alle dypt engasjert og klør oss i hodet, sier Ghez.
Balansen mellom kortsiktig og langsiktig vitenskap har vært en viktig del av det som har holdt oppe gruppen over så lang tid, legger hun til: Du må faktisk overbevise mange mennesker om at de vil fortsette å gjøre dette som et team. Og så det må være nok i det for dem, som flere generasjoner av studenter som har kommet og gått. Og tidsskalaen deres er ikke 25 år. Det er vanligvis tre år med solid arbeid.
En blant mange
Ghez var den eldste av tre døtre til en økonomiprofessor og en direktør for samtidskunstgalleri som støttet barna deres til å bli godt utdannede og profesjonelt vellykkede. Ghez visste alltid at hun ville få en doktorgrad, men ikke alle rundt henne var overbevist.
Da veilederen hennes på videregående fortalte henne at hun ikke skulle søke på MIT, og hevdet at den ikke tok imot jenter, søkte hun uansett – oppmuntret av sin kvinnelige kjemilærer, som sa: Hva er det verste de kan si, 'Nei?'
Ghez hørte så ofte folk si at hun ikke ville lykkes at hun ble vant til å ignorere dem. I de første dagene har du harde bevis for å si 'Det er bare ikke fornuftig,' sier hun. Hun utviklet tillit til seg selv for å tåle å si.
Hun lærte at fellesskapet også utgjør en forskjell. Ved MIT, som var rundt 25 % kvinner på det tidspunktet hun deltok, fant hun ut at for å takle å være en blant mange, måtte hun sørge for at det var deler av livet hennes hvor hun ikke var blant de få isolerte. Det motiverte henne til å leve i et sammensatt brorskap, nummer seks, og til å bli med i langrennslaget, begge miljøer med et balansert kjønnsforhold der hun fant et sterkt fellesskap.
Hun la også merke til at hun jobbet med noen som støttet henne, både ved MIT og da hun begynte på forskerskolen ved Caltech.
Det blir viktig å være i et miljø der folk tenker høyt om deg og hvor deres mening ikke er komplisert av deres følelser for kvinner.
En av de vanskeligste tingene og de viktigste avgjørelsene vi tar på grunnskolen er hvem vi jobber med, sier hun. Det blir viktig å være i et miljø der folk tenker høyt om deg og hvor deres mening ikke er komplisert av deres følelser for kvinner. Det er veldig viktig å velge en god rådgiver som er villig til å støtte deg i noe du er interessert i.
Som rådgiver nå selv, understreker hun viktigheten av å finne den rette passformen, der studentene føler seg komfortable og verdsatt. Som i dating, sier hun, hvis det av en eller annen grunn ikke fungerer, er det viktig å forstå at du har makt til å endre.
Hvem får drive med vitenskap
Første gang Ghez holdt en lunsjforedrag på forskerskolen, ristet hun over alt. Rådgiveren hennes trakk henne til side etterpå og sa: Du må undervise. Du må kunne stå opp på scenen.
Ghez ble drevet av sin grunntro på at hver utfordring er en mulighet, og bestemte seg for å takle frykten for å snakke direkte ved å drive lobbyvirksomhet for å undervise førsteårsfysikk, noe bare fullverdige professorer kunne gjøre ved Caltech på den tiden.
Fakultetet sa ja, men resonnementet deres plaget henne: de sa at de unge kvinnene ikke hadde det like bra som de unge mennene, så hennes engasjement som eneste kvinne i lærerteamet kan være nyttig.
Nysgjerrig undersøkte Ghez dataene om kvinnelige kontra mannlige studentprestasjoner og fant ut at de ikke støttet påstanden deres. Hun husker at hun tenkte: Du er en fysiker! Denne [forskjellen] er statistisk ubetydelig!
Hun sier at erfaring er det som ga henne til å bli dypere engasjert i spørsmålet om kvinner i vitenskapen. Det var et så latterlig argument på den tiden, sier hun. Til tross for all naken i hennes egen utdannelse og karriere, hadde hun aldri hørt et så høyt fakultet komme med nedsettende, ustøttede påstander om kvinners prestasjoner direkte i ansiktet mitt.
Ghez er nå en produktiv og dynamisk foredragsholder, og mener det er viktig ikke bare å åpne dører for kvinner, men også å erkjenne at det er like viktig for menn å lære å være komfortable med å jobbe med og for kvinner. Hun erkjenner videre at nå handler rettighetssamtalen mer om rase og inkludering.
Vår idé om hvem som kan gjøre vitenskap endrer seg, sier hun. Nå tenker seniorfakultet på veisperringer og hvordan de kan hjelpe alle studenter til å føle seg velkommen tidligere i universitetskarrieren. På doktorgradsnivå, sier Ghez, er det ikke mye du kan gjøre.
På toppen
Måten astronomer jobber med teleskoper på har endret seg dramatisk over 25 år.
I begynnelsen, sier Ghez, gikk du opp til toppen; det var ikke noe annet alternativ. Hun husker spenningen ved hennes dusin eller så turer til den 14 000 fot lange toppen av Mauna Kea, hvor hun ikke bare var der med de atmosfæriske forholdene, men hun fikk også gni skuldre med astronomer fra hele verden som hadde kommet til ta data fra dusin teleskoper der.
Ulempen var selvfølgelig å bli utfordret i høyden og søvnmangel, siden astronomene måtte holde seg oppe fra solnedgang til soloppgang for å ta dataene sine. Du har bare noen få netter, du prøver å gjøre ditt beste, og du er suboptimal, sier Ghez med en latter. Det var spennende, sier hun, men du ville avslutte nettene med bare å krype under bordet.
Hun og teamet hennes foretok sin siste observasjonstur i 1998, hvoretter de begynte å observere eksternt fra hovedkvarteret ved foten av fjellet. På en måte var de begrenset av ikke å ha direkte tilgang til værforholdene eller andre forskere utenfor gruppen deres. På den annen side, sier hun, fungerer hjernen din bedre ved havnivå.
De fikk også jobbe tettere i hovedkvarteret med de ansatte som utviklet det adaptive optikksystemet, fra optikkmaskinvaren til speilene til teknologien knyttet til selve teleskopet, som Ghez fant veldig nyttig.
For rundt 15 år siden begynte de å kunne observere fra UCLA, som la enda større avstand mellom observatøren og observatoriet, men flere fikk tilgang til teleskopet. Studenter elsker det, sier Ghez. Nå kan studenter, akkurat når de begynner, bli hekta. Og hun kan involvere mye mer av teamet sitt.
Covid-19 brakte universet enda nærmere hjemmet. Sier Do, jeg ruller liksom ut av sengen og kobler til dette 10 meter lange teleskopet – og så kan han observere det galaktiske senteret fra en bærbar datamaskin. Det er litt vilt når man tenker på det, sier han.
Göran K. Hansson, generalsekretær for det kongelige svenske vitenskapsakademi, taler under en digital nyhetskonferanse med nobelprisvinnerne Ghez (øverst til venstre, fysikk), Emmanuelle Charpentier (øverst til høyre, kjemi) og Paul Milgrom (økonomi) 9. desember , 2020.
JANERIK HENRIKSSON / TT VIA APGhez sier at frem til covid besøkte de fortsatt teleskopstedet hvert år, mest for å opprettholde relasjoner med operatørene og for å gjøre oppsøk med lokalsamfunn, som har vært stadig mer høylytte om urfolks landrettigheter – og blokkerer begynnelsen av byggingen av den nye trettimeteren. Telescope (TMT), det største bakkebaserte synlige-lys-teleskopet som noen gang er forsøkt, og førte til nedleggelse av Keck-observatoriet i noen tilfeller.
Ghez, som er takknemlig for tiden hun har tilbrakt på Hawaii, håper hennes nobelstatus vil bidra til å gi henne en stemme i disse samtalene. Jeg tror at man har et ansvar for å ta på seg noen ting som bare er kompliserte og vanskelige, fordi man har tillit fra det [vitenskapelige] miljøet, sier hun.
Etter Nobel
Mens hun har mottatt mange tilbud om å bli med i andre institusjoner eller ta på seg administrative roller siden hun vant Nobelprisen, er Ghez mer interessert i å holde seg i kurs.
Jeg elsker vitenskapen min, sier hun. Hun elsker også å jobbe med ny teknologi, som neste generasjon teleskoper – hun ser frem til å se den nye vitenskapen som vil bli muliggjort av hoppet fra Kecks 10 meter diameter til 30 meter diameteren til TMT. Som å studere det galaktiske senteret, tar disse prosjektene lang tid før de blir realisert. Ghez husker da hun begynte på Thirty Meter Telescope-prosjektet fordi hun var gravid med sin første sønn på den tiden, og han fylte 20 år i år.
SPENCER LOWELLNå ønsker hun å fortsette å rette energien mot vitenskapen om det galaktiske senteret og alle dets interessante spørsmål, til de vitenskapelige og ledermessige utfordringene knyttet til de store teleskopene og de sosiale og kulturelle spørsmålene som følger med dem, og til undervisning med bevissthet om sosial rettferdighet. Jeg vil gjerne kunne bruke anerkjennelsen som følger med [Nobel] for å fremme disse målene, sier hun.
For Ghez er det fortsatt mye mystikk, men også mye rutine. Å vinne prisen endrer ikke det som vekker meg om morgenen, hva som flyter båten min om livet, sier hun. Jeg elsker fortsatt vitenskapen jeg driver med. Jeg elsker fortsatt barna mine. Det er fortsatt mye av det samme.
Hvis du holder øye med den ultimate premien, sier hun, som får vitenskapen riktig, hjelper den deg med beslutningssettene du må ta når du møter alle slags kompleksiteter. Som er vitenskapens natur - livets natur, men også vitenskapens natur.
Rettelse: En bildetekst viste feil det involverte teleskopet. Det er Keck-teleskopet, ikke Gemini-teleskopet.