211service.com
Skywatcher
Spencer Lowell
Da astrofysiker Andrea Ghez '87 var en ung pige, der voksede op i Chicago, gav hendes far hende en biografi om Marie Curie, og den lektie, hun drog af den, var, at en kvinde kunne være en stor videnskabsmand, få børn og vinde en Nobelpris . Nu har Ghez gjort alle tre, og hun viser ingen tegn på at sætte farten ned.
Ghez delte Nobelprisen i fysik i 2020 for 25 års forskning, der bekræfter eksistensen af et supermassivt sort hul i centrum af Mælkevejsgalaksen. Hun er kun den fjerde kvinde, der modtager prisen for fysik.
Arbejdet tog årtier, hvor teknologi og instrumenter ændrede sig, studerende kom og gik, og enorme mængder data blev omhyggeligt knust og knust igen. En af Ghez' tidligere ph.d.-studerende og nu en kollega ved University of California, Los Angeles, Tuan Do, taler om omfanget af indsatsen: Med dette arbejde kræver det ikke bare tålmodighed, men virkelig omhyggelig tænkning om præcis, hvad der foregår. Disse målinger er svære at lave ... Vi bruger mange år på at prøve at oversætte mellem instrumenter.
I modsætning til sorte huller med stjernemasse, som er omkring 10 gange vores sols masse og blev forudsagt af teori, før de blev opdaget observationsmæssigt, blev supermassive sorte huller - som kan nå en million til en milliard gange solens masse - anbragt som en resultat af direkte observation. Astronomer havde bemærket enorme mængder kraft, der kom fra centrene i nogle galakser - mængder, som kun et objekt med enorm tæthed kunne stå for. De spekulerede på, om enhver galakse faktisk kunne indeholde et supermassivt sort hul i centrum. At bevise, at en eksisterer i centrum af vores egen galakse, som er en helt normal, almindelig galakse med havevarianter, siger Ghez, viser, at dette faktisk kan være tilfældet.
Da sorte huller absorberer jævnt lys, kræver det indirekte midler at bevise deres eksistens. Ghez' forskning opnåede dette ved at bruge nye teknikker til at måle bevægelsen af stjerner omkring Mælkevejens centrale masse, hvilket viste, at de må kredse om et objekt så massivt, at det ikke kunne være andet end et sort hul.
Total glæde
Da hun var barn, siger Ghez, plejede rum og tid at holde mig vågen om natten. Hun blev tiltrukket af matematik som sproget til at finde ud af alle disse esoteriske spørgsmål om rum og tid, og hun slugte Isaac Asimovs samling af essays om uendelighed. Hun elskede også en god mysterieroman. Det gør jeg stadig, siger hun. Som 17-årig søgte hun tidligt til MIT, allerede sikker på, at hun var interesseret i at studere matematik og naturvidenskab.
Selvom Ghez først havde til hensigt at tage hovedfag i matematik, graviterede hun hurtigt mod fysik og dykkede ind i astrofysisk forskning gennem en UROP, der arbejdede med professor Hale Bradt, PhD '61, som grundlagde MIT's sondering-raketprogram inden for røntgen-astronomi. Han gav hende muligheder for at arbejde med satellitdatasystemer og også med store professionelle optiske teleskoper. Jeg blev forelsket i teleskoper – hvad du ser og gør, siger hun. Og hun opdagede sin passion for sorte huller.
Den nøjagtige position af det galaktiske center, som rummer det (usynlige) sorte hul kendt som Skytten A*, er markeret med det orange kors.
ESO/MPE/S. GILLESSEN ET ALMIT gjorde et fantastisk stykke arbejde med virkelig at opmuntre deres studerende til [forskning]-muligheder, siger hun.
Ghez fører denne filosofi videre i sin undervisning på UCLA, hvor hun har været siden 1994, og giver studerende tidlige muligheder for at lære om forskningskulturen og de færdigheder, der er nødvendige for at udføre professionel videnskab. Det er så forskelligt fra klasseværelset, siger hun. Bare den måde, videnskab udføres på, er ikke den måde, vi underviser i videnskab.
Hun værdsætter også MIT som et sted, hvor folk virkelig havde det sjovt - hun husker en masse latter og siger, at det er det samme i hendes Galactic Center Group ved UCLA. Selvom det er seriøst [arbejde], havde det også dette element af total glæde, siger hun. Jeg tror ikke, det er sådan, de fleste mennesker tænker på MIT eller videnskab.
Galaktisk spejder
Ligesom detektiver, der spænder nettet omkring en mistænkt, har Ghez og hendes team – sammen med tyske forskere ledet af Reinhard Genzel, en af de videnskabsmænd, som Ghez delte Nobelprisen 2020 med – i etaper nærmet sig Mælkevejens supermassive sorte hul. Fordi de ikke kan se det, må de i stedet udlede dens tilstedeværelse ved at tage flere og mere nøjagtige målinger af regionen og derefter bruge grundlæggende fysik til at beregne størrelsen af dens centrale masse. Det ultimative bevis på, at det usynlige objekt ved galaksens kerne er et sort hul, forklarer Ghez, er at vise, at den masse, den indeholder, er begrænset til et område, der er mindre end dens Schwarzschild-radius - ofte omtalt som begivenhedshorisonten, den grænse, inden for hvilken tyngdekraftens tiltrækning mellem fysiske partikler er så intens, at stof kollapser i sig selv, og intet, ikke engang lys, kan undslippe.
Selvom de ikke helt har begrænset objektet - kendt som Sagittarius A* - til den radius, har Ghez' stadig mere nøjagtige observationer af dens kredsende stjerner lukket afstanden med en faktor på 10 millioner siden arbejdet startede for 25 år siden. Det er tættere på, end nogen nogensinde har kommet, siger Ghez.
Ghez brugte Keck-teleskopet i midten af forgrundsryggen på Mauna Kea til at få billeder af det galaktiske centrum.
GEMINI OBSERVATORIUM OG DR. RICHARD WAINSCOAT.Tyngdekraften tvinger objekter i rummet til at bevæge sig i kredsløb omkring en central masse – ligesom planeterne, der kredser om vores sol – og jo mere masse der er placeret inden for en given radius, jo hurtigere vil objekter i den radius bevæge sig rundt om midtpunktet. Så for at bestemme størrelsen af objektet i det galaktiske centrum, var den første ting at gøre at prøve at observere bevægelsen af objekter, der kredsede omkring det.
Som et ungt fakultetsmedlem ved UCLA i 1990'erne foreslog Ghez at bruge teleskopet fra Keck Observatory på Mauna Kea, Hawaii, til at tage billeder af det galaktiske center, mens han korrigerede for Jordens atmosfæriske forstyrrelse med en teknik kaldet speckle imaging - en måde at tage billeder på. flere øjebliksbilleder på tiendedel af et sekund og stable dem sammen bagefter for at skabe et klart billede. Disse billeder ville så give hendes hold mulighed for at måle stjernernes hastigheder mere præcist end nogensinde før.
Fordi de ikke kan se det, må de udlede dets tilstedeværelse ved at tage nøjagtige målinger af regionen og bruge grundlæggende fysik til at beregne dens masse.
Hendes forslag blev afvist. Keck-udvælgelseskomiteen mente ikke, at Ghez ville være i stand til at fjerne Jordens atmosfæriske effekter godt nok til at se stjerner, og endnu mindre se dem bevæge sig.
Uforskrækket lånte Ghez teleskoptid af en af sine kolleger - en imponerende bedrift i betragtning af, at den gennemsnitlige astronom i University of California-systemet kun får to dyrebare nætter med observationstid hver sjette måned - for at vise, at konceptet ville fungere. Det gjorde det, hendes treårige forslag blev accepteret i den næste runde af teleskoptidstildelinger, og hendes team offentliggjorde sit første papir om hastighederne af galaksens centrale stjerner i 1998.
Deres målinger gjorde det muligt for dem at beregne et mere nøjagtigt volumen af den centrale masse end nogensinde før ved hjælp af Keplers bevægelseslove. Det var enormt, siger Ghez, fordi det var en faktor tusind i at koncentrere massen til et mindre volumen.
De påstod på det tidspunkt, at et sort hul var den eneste rimelige forklaring på et så tæt objekt, men usikkerheder i deres mål betød, at de skulle fortsætte for at være sikre.
Det næste skridt var at kunne måle accelerationen af kredsløb for stjerner i regionen, hvilket Ghez og hendes kolleger gjorde med succes, da de offentliggjorde deres resultater i 2000. Det gjorde det muligt for dem at lukke radiussen endnu længere.
På det tidspunkt havde de også lært af deres målinger, at stjernerne tættest på Skytten A* kunne have omløbsperioder så korte som et årti, og efter fem års forskning betød det, at de på blot fem år mere kunne beregne dens volumen endnu mere afgørende. Det var en no-brainer, siger Ghez. De modtog stigende interesse fra andre videnskabsmænd og mere finansiering. De blev ved med at se på.
På det tidspunkt var teknologien fremme, og de udviklede sig fra plettet billeddannelse til adaptiv optik - en mere præcis teknik til at fjerne Jordens atmosfæriske forstyrrelse for skarpere, mere stabile billeder. Kobling af adaptiv optik med spektroskopi gjorde det muligt for dem at måle den fulde bane af en stjerne, de havde fulgt, kaldet S0-2. Dette betød betydelige fremskridt i forhold til at måle de kredsende stjerners hastighed i to dimensioner ved at give den kritiske tredje dimension af deres radiale eller 3D-bevægelse.
Det er det, jeg elsker ved det her, siger Ghez. Det er ligesom førsteårsfysik. Du ser to punkter, en linje, [og så] kan du måle en kurve.
Selv i de tidlige målinger af hastigheder, siger hendes UCLA-kollega Do, så det ret overbevisende ud, at der var et sort hul, fordi de observerede stjerner, der bevægede sig meget hurtigt i området. Men rumfanget, som de vidste, at bevægelsen foregik i, var stadig bredt, så du kan forestille dig en klynge af små sorte huller eller en klynge neutronstjerner eller nogle andre massive ting, du ikke kan se godt, forklarer han.
Men nu hvor de har været i stand til at måle kredsløb – og fordi de har vist, at stjernens S0-2 kredsløb passerer, når den er tættest på, omkring 100 astronomiske enheder fra det centrale objekt (som er meget tæt på, Do siger) - de er tilfredse med, at de har elimineret alle mulighederne undtagen et supermassivt sort hul. Det er virkelig svært at skjule 4 millioner neutronstjerner i dette lille område af rummet, siger Do - faktisk er det umuligt, fordi de ville hoppe af hinanden og flyve rundt, og disse effekter ville være mærkbare.
Siden de havde målt de kredsende stjerners spektre, var de også i stand til at gøre en anden opdagelse: For første gang gav det os mulighed for astrofysisk at finde ud af, hvilken slags stjerner der var, siger Ghez. De lærte for eksempel, at de stjerner, der kredsede tættest på den centrale masse, var unge stjerner, hvilket er det modsatte af, hvad teorier havde foreslået.
Ghez er lige så begejstret for de serendipitale ting, de har lært undervejs, som hun er over beviserne for et supermassivt sort hul. Der var så mange overraskelser, siger hun. Så meget havde vi ikke forventet. Så meget af det var blot opdagelse ved at udvinde dette datasæt.
Et eksperiment, de undersøger nu, er, hvordan objektet i det galaktiske centrum bevæger sig gennem rum-tid. Einstein forudsagde, at et sort huls kredsløb skulle precessere eller rotere, og at det skulle gøre det i den retning, det kredser i. Ghezs team har dog observeret en foreløbig retrograd bane, det stik modsatte af Einsteins forudsigelser.
Det betyder, at det er tid til at tjekke deres arbejde. Ghez sammenligner det med at gå rundt om bilen og sparke i dækkene for at sikre, at alt er solidt.
Når man skal forsøge at sætte 25 års data sammen, skal man have det hele på plads, siger hun. De skal spørge, om de har taget nogle genveje med deres antagelser og computerkode, der kan skabe udseendet af noget uventet.
Det har os alle dybt engagerede og kløer os i hovedet, siger Ghez.
Balancen mellem kortsigtet og langsigtet videnskab har været en vigtig del af det, der har holdt gruppen op i så lang tid, tilføjer hun: Man skal faktisk overbevise en masse mennesker om, at de vil blive ved med at gøre dette som et team. Og så skal der være nok i det for dem, som flere generationer af kandidatstuderende, der er kommet og gået. Og deres tidsskala er ikke 25 år. Det er normalt tre års solidt arbejde.
En blandt mange
Ghez var den ældste af tre døtre af en økonomiprofessor og en direktør for moderne kunstgalleri, der støttede deres børn til at blive veluddannede og fagligt succesrige, og hun vidste altid, at hun ville få en ph.d., men ikke alle omkring hende var overbeviste.
Da hendes gymnasievejleder fortalte hende, at hun ikke skulle søge ind på MIT, idet hun hævdede, at det ikke accepterede piger, søgte hun alligevel - opmuntret af sin kvindelige kemilærer, som sagde: Hvad er det værste, de kan sige, 'Nej?'
Ghez hørte så ofte folk sige, at hun ikke ville lykkes, at hun vænnede sig til at ignorere dem. I de tidlige dage har man de hårde beviser for at sige 'Det er bare ikke fornuftigt', siger hun. Hun udviklede tillid til sig selv, så hun kunne modstå javningen.
Hun lærte, at fællesskabet også gør en forskel. På MIT, som var omkring 25 % kvinder på det tidspunkt, hun deltog, fandt hun ud af, at for at håndtere at være en blandt mange, var hun nødt til at sikre sig, at der var dele af hendes liv, hvor hun ikke var blandt de få isolerede. Det motiverede hende til at bo i et fælles broderskab, nummer seks, og til at deltage i langrendsholdet, begge miljøer med et afbalanceret kønsforhold, hvor hun fandt et stærkt fællesskab.
Hun var også opmærksom på at sikre, at hun arbejdede sammen med nogen, der støttede hende, både på MIT, og da hun begyndte på kandidatskolen på Caltech.
Det bliver vigtigt at være i et miljø, hvor folk tænker højt om dig, og hvor deres mening ikke kompliceres af deres følelser for kvinder.
En af de sværeste ting og vigtigste beslutninger, vi træffer på gymnasiet, er, hvem vi arbejder med, siger hun. Det bliver vigtigt at være i et miljø, hvor folk tænker højt om dig, og hvor deres mening ikke kompliceres af deres følelser for kvinder. At vælge en god rådgiver, der er villig til at støtte dig i noget, du er interesseret i, er virkelig vigtigt.
Som rådgiver nu selv understreger hun vigtigheden af at finde den rigtige pasform, hvor eleverne føler sig godt tilpas og værdsat. Ligesom i dating, siger hun, hvis det af en eller anden grund ikke virker, er det vigtigt at forstå, at du har magten til at ændre dig.
Hvem får lov til at lave videnskab
Første gang Ghez holdt en frokosttale på efterskolen, rystede hun over det hele. Hendes rådgiver trak hende til side bagefter og sagde: Du skal undervise. Man skal kunne stå op på scenen.
Brændt af sin kernetro på, at enhver udfordring er en mulighed, besluttede Ghez at tackle sin frygt for at tale direkte ved at lobbye for at undervise i fysik for førsteårsstuderende, hvilket kun fuldgyldige professorer kunne gøre på Caltech på det tidspunkt.
Fakultetet sagde ja, men deres ræsonnement generede hende: De sagde, at de unge kvinder ikke havde det så godt som de unge mænd, så hendes engagement som den eneste kvinde på lærerholdet kunne være nyttigt.
Nysgerrig undersøgte Ghez dataene om kvindelige kontra mandlige studerendes præstationer og fandt ud af, at det ikke understøttede deres påstand. Hun kan huske, at hun tænkte: Du er en fysiker! Denne [forskel] er statistisk insignifikant!
Hun siger, at erfaring var det, der fik hende til at blive dybere engageret i spørgsmålet om kvinder i videnskaben. Det var sådan et latterligt argument dengang, siger hun. På trods af alt det nej i hendes egen uddannelse og karriere, havde hun aldrig hørt så højtstående fakulteter komme med nedsættende, uunderbyggede påstande om kvinders præstationer direkte til mit ansigt.
Nu en produktiv og dynamisk foredragsholder, Ghez mener, at det er vigtigt ikke kun at åbne døre for kvinder, men også at erkende, at det er lige så vigtigt for mænd at lære at være komfortable med at arbejde med og for kvinder. Hun erkender endvidere, at nu handler ligestillingssamtalen mere om race og inklusion.
Vores idé om, hvem der kan lave naturvidenskab, ændrer sig, siger hun. Nu tænker seniorfakultetet på vejspærringer og hvordan man kan hjælpe alle studerende til at føle sig velkomne tidligere i deres universitetskarriere. På ph.d.-niveau, siger Ghez, er der ikke meget, du kan gøre.
På topmødet
Den måde astronomer arbejder med teleskoper på har ændret sig dramatisk over 25 år.
I begyndelsen, siger Ghez, gik du op til toppen; der var ingen anden mulighed. Hun husker begejstringen for hendes dusin eller deromkring ture til Mauna Keas 14.000 fod høje topmøde, hvor hun ikke kun var lige der med de atmosfæriske forhold, men hun også kom til at gnide skuldre med astronomer fra hele verden, der var kommet til tage data fra de dusin teleskoper der.
Ulempen var selvfølgelig at blive udfordret i højden og mangel på søvn, da astronomerne skulle holde sig oppe fra solnedgang til solopgang for at tage deres data. Du har kun et par nætter, du forsøger at gøre dit bedste arbejde, og du er suboptimal, siger Ghez med et grin. Det var spændende, siger hun, men man sluttede sine nætter med bare at ville kravle under bordet.
Hun og hendes hold foretog deres sidste observationstur i 1998, hvorefter de begyndte at observere på afstand fra hovedkvarteret ved bunden af bjerget. På en måde var de begrænset af ikke at have direkte adgang til vejrforholdene eller andre forskere uden for deres gruppe. På den anden side, siger hun, fungerer din hjerne bedre ved havoverfladen.
De kom også til at arbejde tættere sammen i hovedkvarteret med personalet, der udviklede det adaptive optiksystem, fra optikhardwaren til spejlene til teknologien forbundet med selve teleskopet, som Ghez fandt virkelig nyttig.
For omkring 15 år siden begyndte de at kunne observere fra UCLA, som lagde endnu mere afstand mellem observatøren og observatoriet, men flere mennesker fik adgang til teleskopet. De studerende elsker det, siger Ghez. Nu kan eleverne, lige som de starter, lidt blive hooked. Og hun kan involvere meget mere af sit team.
Covid-19 bragte universet endnu tættere på hjemmet. Siger Do, jeg ruller ligesom ud af sengen og forbinder til dette 10 meter teleskop - og så kan han observere det galaktiske centrum fra en bærbar computer. Det er lidt vildt, når man tænker over det, siger han.
Göran K. Hansson, generalsekretær for Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi, taler under en digital nyhedskonference med nobelprismodtagerne Ghez (øverst til venstre, fysik), Emmanuelle Charpentier (øverst til højre, kemi) og Paul Milgrom (økonomi) den 9. december , 2020.
JANERIK HENRIKSSON / TT VIA APGhez siger, at indtil covid besøgte de stadig teleskopstedet hvert år, for det meste for at opretholde forholdet til operatørerne og for at opsøge lokalsamfund, som har været mere og mere højlydte om oprindelige landrettigheder - hvilket blokerer begyndelsen af byggeriet af den nye Thirty Meter Telescope (TMT), det største jordbaserede teleskop for synligt lys, der nogensinde er forsøgt, og i nogle tilfælde førte til nedlukning af Keck Observatory.
Ghez, der er taknemmelig for den tid, hun har tilbragt på Hawaii, håber, at hendes nobelstatus vil hjælpe med at give hende en stemme i disse samtaler. Jeg synes, at man har et ansvar for at påtage sig nogle ting, der bare er komplicerede og svære, fordi man har det [videnskabelige] samfunds tillid, siger hun.
Efter Nobel
Mens hun har modtaget en masse tilbud om at blive medlem af andre institutioner eller påtage sig administrative roller, siden hun vandt Nobelprisen, er Ghez mere interesseret i at forblive på sin nuværende kurs.
Jeg elsker min videnskab, siger hun. Hun elsker også at arbejde med ny teknologi, som den næste generation af teleskoper - hun ser frem til at se den nye videnskab, der vil blive muliggjort af springet fra Kecks 10 meter diameter til 30 meter diameteren af TMT. Ligesom at studere det galaktiske center, tager disse projekter lang tid om at blive realiseret. Ghez husker, da hun startede på Thirty Meter Telescope-projektet, fordi hun på det tidspunkt var gravid med sin første søn, og han fyldte 20 i år.
SPENCER LOWELLNu vil hun blive ved med at rette sin energi mod videnskaben om det galaktiske center og alle dets interessante spørgsmål, til de videnskabelige og ledelsesmæssige udfordringer forbundet med de store teleskoper og de sociale og kulturelle problemstillinger, der følger med dem, og til undervisning med bevidsthed om social retfærdighed. Jeg ville elske at kunne bruge den anerkendelse, der følger med [Nobel] til at fremme disse mål, siger hun.
For Ghez er der stadig masser af mystik, men også masser af rutine. At vinde prisen ændrer ikke på, hvad der vækker mig om morgenen, hvad der flyder min båd om livet, siger hun. Jeg elsker stadig den videnskab, jeg laver. Jeg elsker stadig mine børn. Det er stadig meget af det samme.
Hvis du holder øje med den ultimative pris, siger hun, som får videnskaben rigtigt, hjælper det dig med de beslutningssæt, du skal træffe, når du støder på alle mulige kompleksiteter. Hvilket er videnskabens natur - livets natur, men også videnskabens natur.
Rettelse: En billedtekst viste forkert det involverede teleskop. Det er Keck-teleskopet, ikke Gemini-teleskopet.