211service.com
Skywatcher
Spencer Lowell
Toen astrofysicus Andrea Ghez '87 een jong meisje was dat opgroeide in Chicago, gaf haar vader haar een biografie van Marie Curie, en de les die ze daaruit trok was dat een vrouw een geweldige wetenschapper kon zijn, kinderen kon krijgen en een Nobelprijs kon winnen . Inmiddels heeft Ghez alle drie gedaan en vertoont ze geen tekenen van vertraging.
Ghez deelde in 2020 de Nobelprijs voor natuurkunde voor 25 jaar onderzoek dat het bestaan van een superzwaar zwart gat in het centrum van het Melkwegstelsel bevestigt. Ze is pas de vierde vrouw die de prijs voor natuurkunde ontvangt.
Het werk duurde tientallen jaren, waarin technologie en instrumenten veranderden, afstudeerders kwamen en gingen, en enorme hoeveelheden gegevens werden zorgvuldig gekraakt en opnieuw gekraakt. Een van de voormalige promovendi van Ghez en nu een collega aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, Tuan Do, spreekt over de omvang van de inspanning: bij dit werk is niet alleen geduld nodig, maar ook heel nauwgezet nadenken over wat er precies aan de hand is. Deze metingen zijn moeilijk te maken ... We zijn vele jaren bezig met het proberen om tussen instrumenten te vertalen.
In tegenstelling tot zwarte gaten met stellaire massa, die ongeveer 10 keer de massa van onze zon zijn en door de theorie werden voorspeld voordat ze waarnemingen werden ontdekt, werden superzware zwarte gaten - die een miljoen tot een miljard keer de massa van de zon kunnen bereiken - geponeerd als een resultaat van directe observatie. Astronomen hadden enorme hoeveelheden energie opgemerkt die uit de centra van sommige sterrenstelsels kwamen - hoeveelheden die alleen een object met een enorme dichtheid kon verklaren. Ze vroegen zich af of in feite elk sterrenstelsel een superzwaar zwart gat in het centrum zou kunnen hebben. Bewijzen dat er een bestaat in het centrum van ons eigen melkwegstelsel, dat een volkomen normaal, gewoon, tuin-verscheiden sterrenstelsel is, zegt Ghez, toont aan dat dit inderdaad het geval zou kunnen zijn.
Omdat zwarte gaten zelfs licht absorberen, zijn indirecte middelen nodig om hun bestaan te bewijzen. Het onderzoek van Ghez heeft dit bereikt door nieuwe technieken te gebruiken om de beweging van sterren rond de centrale massa van de Melkweg te meten, wat aantoont dat ze in een baan om een object moeten cirkelen dat zo massief is dat het niets anders kan zijn dan een zwart gat.
Totale vreugde
Toen ze een kind was, zegt Ghez, hielden ruimte en tijd me 's nachts wakker. Ze voelde zich aangetrokken tot wiskunde als de taal om al deze esoterische vragen over ruimte en tijd uit te zoeken, en ze verslond Isaac Asimovs verzameling essays over oneindigheid. Ze hield ook van een goede mysterieroman. Dat doe ik nog steeds, zegt ze. Op 17-jarige leeftijd solliciteerde ze bij het MIT voor vroege actie, al was ze er al zeker van dat ze geïnteresseerd was in het studeren van wiskunde en wetenschappen.
Hoewel Ghez eerst van plan was wiskunde te gaan studeren, stortte ze zich al snel op natuurkunde en dook ze in astrofysica-onderzoek via een UROP in samenwerking met professor Hale Bradt, PhD '61, die het MIT-programma voor sondeerraket in röntgenastronomie oprichtte. Hij bood haar mogelijkheden om te werken met satellietdatasystemen en ook met grote professionele optische telescopen. Ik werd verliefd op telescopen - wat je ziet en doet, zegt ze. En ze ontdekte haar passie voor zwarte gaten.
De exacte positie van het galactische centrum, dat het (onzichtbare) zwarte gat herbergt dat bekend staat als Sagittarius A*, wordt aangegeven door het oranje kruis.
ESO/MPE/S. GILLESSEN ET ALMIT heeft fantastisch werk geleverd door hun studenten echt aan te moedigen tot [onderzoeks]mogelijkheden, zegt ze.
Ghez draagt die filosofie verder in haar lesgeven aan de UCLA, waar ze sinds 1994 werkt, en geeft studenten vroege kansen om te leren over de onderzoekscultuur en de vaardigheden die nodig zijn om professionele wetenschap te bedrijven. Het is zo anders dan klassikaal leren, zegt ze. Alleen de manier waarop wetenschap wordt gedaan, is niet de manier waarop we wetenschappelijke kennis onderwijzen.
Ze waardeert MIT ook als een plek waar mensen echt plezier hadden - ze herinnert zich veel gelach en zegt dat het hetzelfde is in haar Galactic Center Group aan de UCLA. Hoewel het serieus [werk] is, had het ook een element van totale vreugde, zegt ze. Ik denk niet dat de meeste mensen zo over MIT of wetenschap denken.
Galactische speurder
Als rechercheurs die het net rond een verdachte spannen, zijn Ghez en haar team - samen met Duitse onderzoekers onder leiding van Reinhard Genzel, een van de wetenschappers met wie Ghez de Nobelprijs voor 2020 deelde - het superzware zwarte gat van de Melkweg stapsgewijs dichterbij gekomen. Omdat ze het niet kunnen zien, moeten ze in plaats daarvan de aanwezigheid ervan afleiden door steeds nauwkeuriger metingen van het gebied te doen en vervolgens basisfysica te gebruiken om de grootte van de centrale massa te berekenen. Het ultieme bewijs dat het onzichtbare object in de kern van de melkweg een zwart gat is, legt Ghez uit, is om aan te tonen dat de massa die het bevat beperkt is tot een gebied dat kleiner is dan de Schwarzschild-straal - vaak aangeduid als de gebeurtenishorizon, de grens waarbinnen de aantrekkingskracht tussen fysieke deeltjes is zo intens dat materie op zichzelf instort en niets, zelfs licht niet, kan ontsnappen.
Hoewel ze het object - bekend als Sagittarius A* - niet helemaal tot die straal hebben beperkt, hebben Ghez' steeds nauwkeuriger waarnemingen van zijn om de aarde draaiende sterren de afstand met een factor 10 miljoen kleiner gemaakt sinds het werk 25 jaar geleden begon. Dat is dichterbij dan iemand ooit is gekomen, zegt Ghez.
Ghez gebruikte de Keck-telescoop in het midden van de voorgrond van Mauna Kea om beelden van het galactische centrum te maken.
GEMINI OBSERVATORIUM EN DR. RICHARD WAINSCOAT.Zwaartekracht dwingt objecten in de ruimte om in banen rond een centrale massa te bewegen - net als de planeten die rond onze zon draaien - en hoe meer massa zich binnen een bepaalde straal bevindt, hoe sneller objecten in die straal rond het middelpunt zullen bewegen. Dus om de grootte van het object in het galactische centrum te bepalen, was het eerste wat je moest doen om de beweging van objecten die eromheen draaien te observeren.
Als jong faculteitslid aan de UCLA in de jaren negentig stelde Ghez voor om de telescoop van het Keck Observatorium op Mauna Kea, Hawaï, te gebruiken om foto's te maken van het galactische centrum terwijl hij corrigeerde voor de atmosferische verstoring van de aarde met een techniek die spikkelbeeldvorming wordt genoemd - een manier om meerdere, tiende-van-een-seconde snapshots en daarna op elkaar stapelen om een duidelijk beeld te creëren. Met die beelden zou haar team de snelheden van de sterren nauwkeuriger dan ooit tevoren kunnen meten.
Omdat ze het niet kunnen zien, moeten ze de aanwezigheid ervan afleiden door nauwkeurige metingen van het gebied te doen en basisfysica te gebruiken om de massa te berekenen.
Haar voorstel werd afgewezen. De Keck-selectiecommissie dacht niet dat Ghez de atmosferische effecten van de aarde goed genoeg zou kunnen verwijderen om sterren te zien, laat staan ze te zien bewegen.
Onverschrokken leende Ghez telescooptijd van een van haar collega's - een indrukwekkende prestatie als je bedenkt dat de gemiddelde astronoom in het systeem van de Universiteit van Californië elke zes maanden slechts twee kostbare nachten observatietijd krijgt - om te laten zien dat het concept zou werken. Dat gebeurde, haar voorstel voor drie jaar werd aanvaard in de volgende ronde van tijdtoewijzingen voor telescopen, en haar team publiceerde in 1998 haar eerste paper over de snelheden van de centrale sterren van de melkweg.
Dankzij hun metingen konden ze een nauwkeuriger volume van de centrale massa berekenen dan ooit tevoren, met behulp van de bewegingswetten van Kepler. Het was enorm, zegt Ghez, omdat het een factor duizend was om de massa tot een kleiner volume te concentreren.
Ze stelden destijds dat een zwart gat de enige redelijke verklaring was voor zo'n dicht object, maar door onzekerheden in hun metingen moesten ze doorgaan om zeker te zijn.
De volgende stap was om de versnelling van banen voor sterren in de regio te kunnen meten, wat Ghez en haar collega's met succes hebben gedaan en hun resultaten in 2000 publiceerden. Daardoor konden ze de straal nog verder verkleinen.
Tegen die tijd hadden ze ook uit hun metingen geleerd dat de sterren die zich het dichtst bij Boogschutter A* bevinden een omlooptijd van slechts tien jaar zouden kunnen hebben, en na vijf jaar onderzoek betekende dat dat ze in slechts vijf jaar tijd het volume ervan konden berekenen nog overtuigender. Het was een no-brainer, zegt Ghez. Ze kregen steeds meer belangstelling van andere wetenschappers en meer geld. Ze bleven kijken.
Op dat moment vorderde de technologie en gingen ze van spikkelbeeldvorming over naar adaptieve optica - een nauwkeurigere techniek om de atmosferische verstoring van de aarde te verwijderen voor scherpere, stabielere beelden. Door adaptieve optica te koppelen aan spectroscopie konden ze de volledige baan meten van een ster die ze hadden gevolgd, S0-2 genaamd. Dit betekende een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van het meten van de snelheid van de draaiende sterren in twee dimensies door de kritische derde dimensie van hun radiale of 3D-beweging te verschaffen.
Dit vind ik er zo leuk aan, zegt Ghez. Het is net als eerstejaars natuurkunde. Je ziet twee punten, een lijn, [en dan] kun je een curve meten.
Zelfs in die vroege metingen van snelheden, zegt haar UCLA-collega Do, zag het er behoorlijk overtuigend uit dat er een zwart gat was, omdat ze sterren in het gebied heel snel zagen bewegen. Maar het volume van de ruimte waarin ze wisten dat de beweging plaatsvond, was nog steeds groot, dus je kunt je een cluster van kleine zwarte gaten voorstellen, of een cluster van neutronensterren, of andere massieve dingen die je niet goed kunt zien, legt hij uit.
Nu ze echter in staat zijn om banen te meten - en omdat ze hebben aangetoond dat de baan van de ster S0-2, bij zijn dichtste nadering, ongeveer 100 astronomische eenheden van het centrale object passeert (dat heel dichtbij is, Do zegt) - ze zijn tevreden dat ze alle mogelijkheden hebben geëlimineerd, behalve een superzwaar zwart gat. Het is echt moeilijk om 4 miljoen neutronensterren in dit kleine gebied van de ruimte te verbergen, zegt Do - in feite is het onmogelijk, omdat ze op elkaar zouden stuiteren en rondvliegen, en die effecten zouden merkbaar zijn.
Omdat ze de spectra van de draaiende sterren hadden gemeten, konden ze ook nog een ontdekking doen: voor het eerst konden we astrofysisch achterhalen wat voor soort sterren er waren, zegt Ghez. Ze leerden bijvoorbeeld dat de sterren die het dichtst bij de centrale massa cirkelen jonge sterren waren, wat het tegenovergestelde is van wat theorieën hadden gesuggereerd.
Ghez is net zo enthousiast over de toevallige dingen die ze onderweg hebben geleerd als over het bewijs voor een superzwaar zwart gat. Er waren zoveel verrassingen, zegt ze. Zoveel dat we niet hadden verwacht. Zoveel ervan was gewoon ontdekking door deze dataset te ontginnen.
Een experiment dat ze nu onderzoeken, is hoe het object in het galactische centrum door ruimte-tijd beweegt. Einstein voorspelde dat de baan van een zwart gat zou moeten versnellen, of roteren, en dat het dit zou moeten doen in de richting waarin het draait. Het team van Ghez heeft echter een voorlopige retrograde baan waargenomen, precies het tegenovergestelde van de voorspellingen van Einstein.
Dat betekent dat het tijd is om hun werk te controleren. Ghez vergelijkt het met rond de auto gaan en tegen de banden schoppen om er zeker van te zijn dat alles stevig is.
Als je 25 jaar aan gegevens probeert samen te brengen, moet je alles op een rij hebben, zegt ze. Ze moeten vragen of ze met hun aannames en computercode snelkoppelingen hebben genomen die de schijn van iets onverwachts zouden kunnen wekken.
Het heeft ons allemaal diep betrokken en ons hoofd krabben, zegt Ghez.
De balans tussen korte- en langetermijnwetenschap is een belangrijk onderdeel geweest van wat de groep zo lang heeft ondersteund, voegt ze eraan toe: je moet veel mensen ervan overtuigen dat ze dit als een team willen blijven doen. En dus moet er genoeg in zitten voor hen, zoals meerdere generaties afstudeerders die zijn gekomen en gegaan. En hun tijdschaal is geen 25 jaar. Het is meestal drie jaar hard werken.
Een van de vele
Ghez was de oudste van drie dochters van een professor economie en een directeur van een galerie voor hedendaagse kunst die hun kinderen ondersteunde om goed opgeleid en professioneel succesvol te worden. Ghez wist altijd dat ze zou promoveren, maar niet iedereen om haar heen was ervan overtuigd.
Toen haar studieadviseur op de middelbare school haar vertelde dat ze zich niet moest aanmelden bij MIT en beweerde dat het geen meisjes accepteerde, solliciteerde ze toch - aangemoedigd door haar vrouwelijke scheikundeleraar, die zei: Wat is het ergste dat ze kunnen zeggen: 'Nee?'
Ghez hoorde mensen zo vaak zeggen dat het haar niet zou lukken dat ze eraan gewend raakte ze te negeren. In het begin heb je het harde bewijs om te zeggen: 'Dat is gewoon niet verstandig', zegt ze. Ze ontwikkelde vertrouwen in zichzelf om het nee-zeggen te weerstaan.
Ze leerde dat de gemeenschap ook een verschil maakt. Bij het MIT, dat op het moment dat ze bijwoonde, ongeveer 25% vrouwen, kwam ze erachter dat ze, om een van de velen te zijn, ervoor moest zorgen dat er delen van haar leven waren waar ze niet tot de geïsoleerde weinigen behoorde. Dat motiveerde haar om in een studentenvereniging, Number Six, te leven en om zich bij het crosscountry-team aan te sluiten, beide omgevingen met een evenwichtige genderverhouding waar ze een sterke gemeenschap vond.
Ze zorgde er ook voor dat ze samenwerkte met iemand die haar ondersteunde, zowel aan het MIT als toen ze begon aan de graduate school bij Caltech.
Het wordt belangrijk om in een omgeving te zijn waar mensen een hoge dunk van je hebben en waar hun mening niet gecompliceerd wordt door hun gevoelens over vrouwen.
Een van de moeilijkste dingen en belangrijkste beslissingen die we op de middelbare school nemen, is met wie we werken, zegt ze. Het wordt belangrijk om in een omgeving te zijn waar mensen een hoge dunk van je hebben en waar hun mening niet gecompliceerd wordt door hun gevoelens over vrouwen. Het is erg belangrijk om een goede adviseur te kiezen die bereid is je te ondersteunen in iets waarin je geïnteresseerd bent.
Als adviseur nu zelf benadrukt ze het belang van het vinden van de juiste fit, waar studenten zich prettig en gewaardeerd voelen. Net als bij daten, zegt ze, is het belangrijk om te begrijpen dat je de macht hebt om te veranderen als het om wat voor reden dan ook niet werkt.
Wie mag wetenschap doen?
De eerste keer dat Ghez een lunchlezing hield op de graduate school, beefde ze helemaal. Haar adviseur trok haar daarna apart en zei: Je moet lesgeven. Je moet op het podium kunnen komen.
Gevoed door haar kernovertuiging dat elke uitdaging een kans is, besloot Ghez haar spreekangst aan te pakken door te lobbyen om eerstejaars natuurkunde te onderwijzen, wat op dat moment alleen hoogleraren bij Caltech konden doen.
De faculteit zei ja, maar hun redenering stoorde haar: ze zeiden dat de jonge vrouwen het niet zo goed deden als de jonge mannen, dus haar betrokkenheid als enige vrouw in het docententeam zou nuttig kunnen zijn.
Nieuwsgierig onderzocht Ghez de gegevens over de prestaties van vrouwelijke versus mannelijke studenten en ontdekte dat dit hun bewering niet ondersteunde. Ze herinnert zich dat ze dacht: je bent een natuurkundige! Dit [verschil] is statistisch niet significant!
Ze zegt dat haar ervaring haar ertoe heeft aangezet om meer betrokken te raken bij de kwestie van vrouwen in de wetenschap. Het was destijds zo'n belachelijke discussie, zegt ze. Ondanks al het nee zeggen in haar eigen opleiding en carrière, had ze nog nooit zo'n hooggeplaatste faculteit minachtende, niet-ondersteunde beweringen over de prestaties van vrouwen rechtstreeks in mijn gezicht horen doen.
Nu een productieve en dynamische spreker, gelooft Ghez dat het niet alleen belangrijk is om deuren voor vrouwen te openen, maar ook om te erkennen dat het even belangrijk is voor mannen om te leren comfortabel te werken met en voor vrouwen. Ze erkent verder dat het gesprek over gelijkheid nu meer gaat over ras en inclusie.
Ons idee over wie wetenschap kan doen, verandert, zegt ze. Nu denken hogere faculteiten na over wegversperringen en hoe ze alle studenten kunnen helpen zich eerder in hun universitaire loopbaan welkom te voelen. Op PhD-niveau, zegt Ghez, kun je niet veel doen.
op de top
De manier waarop astronomen met telescopen werken, is in de afgelopen 25 jaar drastisch veranderd.
In het begin, zegt Ghez, ging je naar de top; er was geen andere optie. Ze herinnert zich de opwinding van haar tientallen reizen naar de 14.000 voet hoge top van Mauna Kea, waar ze niet alleen precies daar was met de atmosferische omstandigheden, maar ze ook de schouders onder astronomen van over de hele wereld kreeg die naar neem gegevens van de tientallen telescopen daar.
Het nadeel was natuurlijk dat ze door hoogteproblemen werden uitgedaagd en dat ze geen slaap kregen, omdat de astronomen van zonsondergang tot zonsopgang moesten opblijven om hun gegevens op te nemen. Je hebt maar een paar nachten, je probeert je best te doen en je bent niet optimaal, zegt Ghez lachend. Het was spannend, zegt ze, maar je zou je nachten eindigen door gewoon onder de tafel te willen kruipen.
Zij en haar team maakten hun laatste observatiereis in 1998, waarna ze op afstand begonnen te observeren vanuit het hoofdkwartier aan de voet van de berg. In zekere zin werden ze beperkt doordat ze geen directe toegang hadden tot de weersomstandigheden of andere onderzoekers buiten hun groep. Aan de andere kant, zegt ze, werken je hersenen beter op zeeniveau.
Ze gingen ook nauwer samenwerken op het hoofdkantoor met het personeel dat het adaptieve optische systeem ontwikkelde, van de optische hardware tot de spiegels tot de technologie die verband houdt met de telescoop zelf, wat Ghez erg nuttig vond.
Ongeveer 15 jaar geleden begonnen ze te kunnen observeren vanaf de UCLA, waardoor de afstand tussen de waarnemer en het observatorium nog groter werd, maar meer mensen kregen toegang tot de telescoop. Studenten zijn er dol op, zegt Ghez. Nu kunnen studenten, net als ze beginnen, een beetje verslaafd raken. En ze kan nog veel meer van haar team erbij betrekken.
Covid-19 bracht het universum nog dichter bij huis. Zegt Do, ik rol als het ware uit bed en maak verbinding met deze 10 meter lange telescoop - en dan kan hij het galactische centrum observeren vanaf een laptop. Het is een beetje wild als je erover nadenkt, zegt hij.
Göran K. Hansson, secretaris-generaal van de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen, spreekt tijdens een digitale persconferentie met Nobelprijswinnaars Ghez (linksboven, natuurkunde), Emmanuelle Charpentier (rechtsboven, scheikunde) en Paul Milgrom (economie) op 9 december , 2020.
JANERIK HENRIKSSON / TT VIA APGhez zegt dat ze tot covid nog steeds de telescooplocatie elk jaar bezochten, voornamelijk om relaties met de operators te onderhouden en om contact te leggen met lokale gemeenschappen, die steeds luider spraken over inheemse landrechten - waardoor het begin van de bouw voor de nieuwe Thirty Meter werd geblokkeerd Telescope (TMT), de grootste op de grond gebaseerde telescoop voor zichtbaar licht die ooit is geprobeerd, en in sommige gevallen heeft geleid tot de sluiting van het Keck-observatorium.
Ghez, die dankbaar is voor de tijd die ze op Hawaï heeft doorgebracht, hoopt dat haar Nobel-status haar een stem zal geven in die zich ontvouwende gesprekken. Ik denk dat je de verantwoordelijkheid hebt om sommige dingen op je te nemen die gewoon ingewikkeld en moeilijk zijn, omdat je het vertrouwen hebt van de [wetenschappelijke] gemeenschap, zegt ze.
Na de Nobelprijs
Hoewel ze veel aanbiedingen heeft gekregen om zich bij andere instellingen aan te sluiten of administratieve functies op zich te nemen sinds het winnen van de Nobelprijs, is Ghez meer geïnteresseerd in haar huidige koers.
Ik hou van mijn wetenschap, zegt ze. Ze werkt ook graag met nieuwe technologie, zoals de volgende generatie telescopen - ze kijkt uit naar de nieuwe wetenschap die mogelijk zal worden gemaakt door de sprong van Keck's 10 meter diameter naar de 30 meter diameter van de TMT. Net als het bestuderen van het galactische centrum, duurt het lang voordat deze projecten tot wasdom komen. Ghez herinnert zich dat ze begon aan het Thirty Meter Telescope-project omdat ze destijds zwanger was van haar eerste zoon, en hij werd dit jaar 20.
SPENCER LOWELLNu wil ze haar energie blijven richten op de wetenschap van het galactische centrum en al zijn interessante vragen, op de wetenschappelijke en leiderschapsuitdagingen die gepaard gaan met de grote telescopen en de sociale en culturele kwesties die daarmee gepaard gaan, en op lesgeven met bewustzijn van sociale gerechtigheid. Ik zou graag de erkenning van [de Nobel] kunnen gebruiken om die doelen te bereiken, zegt ze.
Voor Ghez is er nog steeds veel mysterie, maar ook veel routine. Het winnen van de prijs verandert niets aan wat me 's ochtends wakker maakt, wat mijn boot over het leven drijft, zegt ze. Ik hou nog steeds van de wetenschap die ik doe. Ik hou nog steeds van mijn kinderen. Het is nog steeds veel van hetzelfde.
Als je de ultieme prijs in de gaten houdt, zegt ze, namelijk de wetenschap goed krijgen, helpt het je met de beslissingen die je moet nemen als je met allerlei complexiteiten te maken krijgt. Dat is de aard van de wetenschap - de aard van het leven, maar ook de aard van de wetenschap.
Correctie: een fotobijschrift gaf een verkeerde voorstelling van de betrokken telescoop. Het is de Keck-telescoop, niet de Gemini-telescoop.