211service.com
Skywatcher
Spencer Lowell
När astrofysikern Andrea Ghez '87 var en ung flicka som växte upp i Chicago, gav hennes far henne en biografi om Marie Curie, och lärdomen hon drog av den var att en kvinna kunde vara en stor vetenskapsman, få barn och vinna ett Nobelpris . Vid det här laget har Ghez gjort alla tre, och hon visar inga tecken på att sakta ner.
Ghez delade Nobelpriset i fysik 2020 för 25 års forskning som bekräftar existensen av ett supermassivt svart hål i mitten av Vintergatans galax. Hon är bara den fjärde kvinnan som får priset för fysik.
Arbetet tog decennier, under vilket teknik och instrument förändrades, studenter kom och gick och enorma mängder data noggrant knackades och knackades igen. En av Ghez tidigare doktorander och nu en kollega vid University of California, Los Angeles, Tuan Do, talar om omfattningen av ansträngningen: Med det här arbetet kräver det inte bara tålamod utan verkligen noggrant tänkande om exakt vad som händer. Dessa mätningar är svåra att göra ... Vi spenderar många år på att bara försöka översätta mellan instrument.
Till skillnad från svarta hål med stjärnmassa, som är cirka 10 gånger vår sols massa och förutspåddes av teori innan de upptäcktes observationsmässigt, var supermassiva svarta hål – som kan nå en miljon till en miljard gånger solens massa – placerade som en resultat av direkt observation. Astronomer hade lagt märke till enorma mängder kraft som kom från centra i vissa galaxer - mängder som bara ett objekt med enorm densitet kunde stå för. De undrade om varje galax faktiskt kan innehålla ett supermassivt svart hål i dess centrum. Att bevisa att en finns i mitten av vår egen galax, vilket är en helt normal, vanlig galax med trädgårdsvariationer, säger Ghez, visar att detta verkligen kan vara fallet.
Eftersom svarta hål absorberar jämnt ljus krävs indirekta medel för att bevisa deras existens. Ghez forskning åstadkom detta genom att använda nya tekniker för att mäta stjärnors rörelse runt Vintergatans centrala massa, vilket visade att de måste kretsa kring ett objekt så massivt att det inte kunde vara något annat än ett svart hål.
Total glädje
När hon var barn, säger Ghez, brukade utrymme och tid hålla mig vaken på natten. Hon drogs till matematik som språket för att ta reda på alla dessa esoteriska frågor om rum och tid, och hon slukade Isaac Asimovs samling av essäer om oändligheten. Hon älskade också en bra mysterieroman. Det gör jag fortfarande, säger hon. Vid 17 ansökte hon till MIT tidigt, redan säker på att hon var intresserad av att studera matematik och naturvetenskap.
Även om Ghez först hade för avsikt att ta huvudämne i matte, drog hon snabbt in i fysik och gick in i astrofysikforskning genom en UROP som arbetade med professor Hale Bradt, PhD '61, som grundade MIT:s sondraketprogram inom röntgenastronomi. Han gav henne möjligheter att arbeta med satellitdatasystem och även med stora professionella optiska teleskop. Jag blev kär i teleskop — vad du ser och gör, säger hon. Och hon upptäckte sin passion för svarta hål.
Den exakta positionen för det galaktiska centrum, som hyser det (osynliga) svarta hålet känt som Skytten A*, markeras av det orangea korset.
ESO/MPE/S. GILLESSEN ET ALMIT gjorde ett fantastiskt jobb med att verkligen uppmuntra sina studenter till [forsknings]möjligheter, säger hon.
Ghez för den filosofin vidare i sin undervisning vid UCLA, där hon har varit sedan 1994, vilket ger studenter tidiga möjligheter att lära sig om forskningskulturen och de färdigheter som behövs för att göra professionell vetenskap. Det är så annorlunda från klassrumsinlärning, säger hon. Bara det sätt som vetenskap görs på är inte det sätt vi lär ut vetenskap.
Hon uppskattar också MIT som en plats där människor verkligen hade roligt – hon minns många skratt och säger att det är samma sak i hennes Galactic Center Group vid UCLA. Även om det är allvarligt [arbete], hade det också detta element av total glädje, säger hon. Jag tror inte att det är så de flesta människor tänker om MIT eller vetenskap.
Galaktisk spanare
Liksom detektiver som spänner nätet kring en misstänkt, har Ghez och hennes team – tillsammans med tyska forskare ledda av Reinhard Genzel, en av forskarna som Ghez delade Nobelpriset 2020 med – i etapper närmat sig Vintergatans supermassiva svarta hål. Eftersom de inte kan se det måste de istället sluta sig till dess närvaro genom att ta fler och mer exakta mätningar av regionen och sedan använda grundläggande fysik för att beräkna storleken på dess centrala massa. Det ultimata beviset på att det osynliga föremålet i galaxens kärna är ett svart hål, förklarar Ghez, är att visa att massan den innehåller är begränsad till ett område som är mindre än dess Schwarzschild-radie – ofta kallad händelsehorisonten, gränsen inom vilken gravitationsattraktionen mellan fysiska partiklar är så intensiv att materia kollapsar i sig själv och ingenting, inte ens ljus, kan fly.
Även om de inte riktigt har begränsat objektet – känd som Skytten A* – till den radien, har Ghez allt mer exakta observationer av dess kretsande stjärnor stängt avståndet med en faktor på 10 miljoner sedan arbetet startade för 25 år sedan. Det är närmare än någon någonsin har kommit, säger Ghez.
Ghez använde Keck-teleskopet i mitten av förgrundsryggen på Mauna Kea för att få bilder av det galaktiska centrumet.
GEMINI OBSERVATORIET OCH DR. RICHARD WAINSCOAT.Tyngdkraften tvingar objekt i rymden att röra sig i omloppsbanor runt en central massa – precis som planeterna som kretsar runt vår sol – och ju mer massa som finns inom en given radie, desto snabbare kommer objekt vid den radien att röra sig runt mittpunkten. Så för att bestämma storleken på föremålet i det galaktiska centrumet var det första man skulle göra att försöka observera rörelsen hos föremål som kretsar runt det.
Som ung fakultetsmedlem vid UCLA på 1990-talet föreslog Ghez att använda teleskopet från Keck Observatory på Mauna Kea, Hawaii, för att ta bilder av det galaktiska centret samtidigt som han korrigerade för jordens atmosfäriska störningar med en teknik som kallas speckle imaging - ett sätt att ta flera ögonblicksbilder på tiondels sekund och stapla ihop dem efteråt för att skapa en tydlig bild. Dessa bilder skulle sedan göra det möjligt för hennes team att mäta stjärnornas hastigheter mer exakt än någonsin tidigare.
Eftersom de inte kan se det, måste de sluta sig till dess närvaro genom att ta exakta mätningar av regionen och använda grundläggande fysik för att beräkna dess massa.
Hennes förslag avslogs. Kecks urvalskommitté trodde inte att Ghez skulle kunna ta bort jordens atmosfäriska effekter tillräckligt bra för att se stjärnor, än mindre se dem röra sig.
Oförskräckt lånade Ghez teleskoptid från en av sina kollegor - en imponerande bedrift med tanke på att den genomsnittliga astronomen i University of California-systemet bara får två värdefulla nätter av observationstid var sjätte månad - för att visa att konceptet skulle fungera. Det gjorde det, hennes treåriga förslag accepterades i nästa omgång av teleskoptidstilldelningar, och hennes team publicerade sin första artikel om hastigheterna för galaxens centrala stjärnor 1998.
Deras mätningar gjorde det möjligt för dem att beräkna en mer exakt volym av den centrala massan än någonsin tidigare, med hjälp av Keplers rörelselagar. Det var enormt, säger Ghez, eftersom det var en faktor på tusen för att koncentrera massan till en mindre volym.
De ansåg då att ett svart hål var den enda rimliga förklaringen till ett så tätt föremål, men osäkerheter i deras mätningar gjorde att de behövde fortsätta för att vara säkra.
Nästa steg var att kunna mäta accelerationen av omloppsbanor för stjärnor i regionen, vilket Ghez och hennes medarbetare gjorde framgångsrikt, och publicerade sina resultat år 2000. Det gjorde att de kunde stänga radien ytterligare.
Vid den tiden hade de också lärt sig från sina mätningar att stjärnorna närmast Skytten A* kunde ha omloppsperioder så korta som ett decennium, och efter fem års forskning innebar det att de på bara fem år till kunde beräkna dess volym ännu mer avgörande. Det var en no-brainer, säger Ghez. De fick ett ökande intresse från andra forskare och mer finansiering. De fortsatte titta.
Vid den tidpunkten gick tekniken framåt, och de gick från fläckavbildning till adaptiv optik – en mer exakt teknik för att ta bort jordens atmosfäriska störningar för skarpare, stadigare bilder. Genom att koppla adaptiv optik med spektroskopi kunde de mäta hela omloppsbanan för en stjärna som de hade spårat, kallad S0-2. Detta innebar betydande framsteg över att mäta de kretsande stjärnornas hastighet i två dimensioner genom att tillhandahålla den kritiska tredje dimensionen av deras radiella, eller 3D, rörelse.
Det här är vad jag älskar med det här, säger Ghez. Det är som förstaårsfysik. Du ser två punkter, en linje, [och sedan] kan du mäta en kurva.
Även i dessa tidiga mätningar av hastigheter, säger hennes UCLA-kollega Do, såg det ganska övertygande ut att det fanns ett svart hål, eftersom de observerade stjärnor som rörde sig mycket snabbt i regionen. Men volymen av rymden där de visste att rörelsen inträffade var fortfarande bred, så du kan föreställa dig en klunga av små svarta hål, eller en klunga neutronstjärnor, eller några andra massiva saker som du inte kan se bra, förklarar han.
Men nu när de har kunnat mäta banor – och eftersom de har visat att stjärnans S0-2 omloppsbana passerar, när den närmar sig närmast, cirka 100 astronomiska enheter från det centrala objektet (vilket är mycket nära, Do säger) – de är nöjda med att de har eliminerat alla möjligheter utom ett supermassivt svart hål. Det är verkligen svårt att gömma 4 miljoner neutronstjärnor i denna lilla region i rymden, säger Do – det är faktiskt omöjligt, eftersom de skulle studsa av varandra och flyga runt, och de effekterna skulle märkas.
Eftersom de hade mätt de kretsande stjärnornas spektra kunde de också göra en annan upptäckt: För första gången tillät det oss att ta reda på astrofysiskt vilken typ av stjärnor som fanns där, säger Ghez. De lärde sig till exempel att de stjärnor som kretsade närmast den centrala massan var unga stjärnor, vilket är motsatsen till vad teorier hade föreslagit.
Ghez är lika exalterad över de otroliga saker de har lärt sig längs vägen som hon är över bevisen för ett supermassivt svart hål. Det var så många överraskningar, säger hon. Så mycket vi inte förväntade oss. Så mycket av det var bara upptäckt genom att bryta denna datamängd.
Ett experiment de undersöker nu är hur objektet i det galaktiska centrumet rör sig genom rum-tiden. Einstein förutspådde att ett svart håls omloppsbana skulle precessera, eller rotera, och att det skulle göra det i den riktning som det kretsar i. Ghez team har dock observerat en trevande retrograd bana, raka motsatsen till Einsteins förutsägelser.
Det betyder att det är dags att kontrollera deras arbete. Ghez liknar det med att gå runt bilen och sparka på däcken för att se till att allt är stabilt.
När man försöker få ihop 25 år av data måste man ha allt i ordning, säger hon. De måste fråga om de har tagit några genvägar med sina antaganden och datorkod som kan skapa sken av något oväntat.
Det har oss alla djupt engagerade och kliar oss i huvudet, säger Ghez.
Balansen mellan kortsiktig och långsiktig vetenskap har varit en viktig del av det som har upprätthållit gruppen under så lång tid, tillägger hon: Du måste faktiskt övertyga många människor om att de vill fortsätta göra detta som ett team. Och så det måste finnas tillräckligt i det för dem, som flera generationer av studenter som har kommit och gått. Och deras tidsskala är inte 25 år. Det är vanligtvis tre år av gediget arbete.
En bland många
Ghez, som var den äldsta av tre döttrar till en ekonomiprofessor och en samtida konstgallerichef som stöttade sina barn att bli välutbildade och professionellt framgångsrika, visste alltid att hon skulle få en doktorsexamen, men inte alla runt omkring henne var övertygade.
När hennes vägledare på gymnasiet sa till henne att hon inte skulle söka till MIT och hävdade att det inte accepterade flickor, ansökte hon ändå – uppmuntrad av sin kvinnliga kemilärare, som sa: Vad är det värsta de kan säga, 'Nej?'
Ghez hörde så ofta folk säga att hon inte skulle lyckas att hon vande sig vid att ignorera dem. I de första dagarna har du de hårda bevisen för att säga 'Det är bara inte klokt', säger hon. Hon utvecklade förtroende för sig själv för att stå emot tjatet.
Hon lärde sig att gemenskap gör skillnad också. På MIT, som var cirka 25 % kvinnor vid den tidpunkt då hon gick, kom hon på att för att klara av att vara en bland många, var hon tvungen att se till att det fanns delar av hennes liv där hon inte var bland de få isolerade. Det motiverade henne att leva i ett coed broderskap, nummer sex, och att gå med i längdåkningslaget, båda miljöer med en balanserad könsfördelning där hon fann en stark gemenskap.
Hon var också uppmärksam på att se till att hon arbetade med någon som stöttade henne, både på MIT och när hon började forskarskola på Caltech.
Det blir viktigt att vara i en miljö där människor tycker mycket om dig och där deras åsikter inte kompliceras av deras känslor om kvinnor.
En av de svåraste sakerna och viktigaste besluten vi tar i gymnasiet är vem vi arbetar med, säger hon. Det blir viktigt att vara i en miljö där människor tycker mycket om dig och där deras åsikter inte kompliceras av deras känslor om kvinnor. Att välja en bra rådgivare som är villig att stödja dig i något du är intresserad av är väldigt viktigt.
Som rådgivare nu själv understryker hon vikten av att hitta rätt passform, där eleverna känner sig bekväma och uppskattade. Precis som med dejting, säger hon, om det inte fungerar av någon anledning, är det viktigt att förstå att du har kraften att förändra.
Vem får göra vetenskap
Första gången Ghez höll ett lunchsamtal i forskarskolan skakade hon över hela kroppen. Hennes rådgivare drog henne åt sidan efteråt och sa: Du måste undervisa. Man måste kunna ta sig upp på scenen.
På grund av sin övertygelse om att varje utmaning är en möjlighet, bestämde sig Ghez för att ta itu med sin rädsla för att tala direkt genom att lobba för att undervisa förstaårsstudenter i fysik, vilket bara professorer kunde göra vid Caltech vid den tiden.
Fakulteten sa ja, men deras resonemang störde henne: de sa att de unga kvinnorna inte hade det lika bra som de unga männen, så hennes engagemang som den enda kvinnan i lärarteamet kan vara till hjälp.
Nyfiket undersökte Ghez uppgifterna om kvinnliga kontra manliga studentprestationer och fann att det inte stödde deras påstående. Hon minns att hon tänkte: Du är en fysiker! Denna [skillnad] är statistiskt obetydlig!
Hon säger att erfarenheten var det som fick henne att bli djupare engagerad i frågan om kvinnor i vetenskapen. Det var ett så löjligt argument på den tiden, säger hon. Trots allt tjat i sin egen utbildning och karriär, hade hon aldrig hört en sådan hög lärare framföra nedsättande, ogrundade påståenden om kvinnors prestationer direkt i mitt ansikte.
Nu en produktiv och dynamisk talare, Ghez tror att det är viktigt att inte bara öppna dörrar för kvinnor, utan också att inse att det är lika viktigt för män att lära sig att vara bekväma med att arbeta med och för kvinnor. Hon erkänner vidare att nu handlar aktiesamtalet mer om ras och inkludering.
Vår idé om vem som kan göra vetenskap förändras, säger hon. Nu funderar högre fakulteter på vägspärrar och hur man kan hjälpa alla studenter att känna sig välkomna tidigare i sin universitetskarriär. På doktorsnivå, säger Ghez, finns det inte mycket du kan göra.
På toppen
Sättet astronomer arbetar med teleskop har förändrats dramatiskt under 25 år.
I början, säger Ghez, gick du upp till toppen; det fanns inget annat alternativ. Hon minns spänningen av sina dussintals resor till Mauna Keas 14 000 fot höga topp, där hon inte bara var där med de atmosfäriska förhållandena, utan hon fick också gnugga sig med astronomer från hela världen som hade kommit till ta data från dussinteleskopen där.
Nackdelen var förstås att bli höjdutmanad och sömnlös, eftersom astronomerna var tvungna att vara uppe från solnedgång till soluppgång för att ta deras data. Du har bara några nätter, du försöker göra ditt bästa arbete och du är suboptimal, säger Ghez med ett skratt. Det var spännande, säger hon, men du skulle avsluta dina nätter med att bara vilja krypa under bordet.
Hon och hennes team gjorde sin sista observationsresa 1998, varefter de började observera på distans från högkvarteret vid foten av berget. På ett sätt var de begränsade av att inte ha direkt tillgång till väderförhållandena eller andra forskare utanför sin grupp. Å andra sidan, säger hon, fungerar din hjärna bättre vid havsnivån.
De fick också arbeta närmare på högkvarteret med personalen som utvecklade det adaptiva optiksystemet, från optikhårdvaran till speglarna till tekniken förknippad med själva teleskopet, vilket Ghez tyckte var riktigt användbart.
För cirka 15 år sedan började de kunna observera från UCLA, vilket satte ännu mer avstånd mellan observatören och observatoriet, men fler fick tillgång till teleskopet. Studenter älskar det, säger Ghez. Nu kan eleverna, precis när de börjar, liksom fastna. Och hon kan involvera mycket mer av sitt team.
Covid-19 förde universum ännu närmare hemmet. Säger Do, jag liksom rullar ut ur sängen och ansluter till det här 10 meter långa teleskopet – och sedan kan han observera det galaktiska centret från en bärbar dator. Det är lite vilt när man tänker på det, säger han.
Göran K. Hansson, generalsekreterare för Kungliga Vetenskapsakademien, talar under en digital presskonferens med Nobelpristagarna Ghez (överst till vänster, fysik), Emmanuelle Charpentier (överst till höger, kemi), och Paul Milgrom (ekonomi) den 9 december , 2020.
JANERIK HENRIKSSON/TT VIA APGhez säger att fram till covid besökte de fortfarande teleskopplatsen varje år, mestadels för att upprätthålla relationer med operatörerna och för att nå ut med lokala samhällen, som har varit allt mer högljudda om ursprungsbefolkningens markrättigheter – vilket blockerar början av byggandet av den nya Thirty Meter Telescope (TMT), det största markbaserade teleskopet för synligt ljus som någonsin har försökts, och föranledde avstängning av Keck Observatory i vissa fall.
Ghez, som är tacksam för den tid hon har tillbringat på Hawaii, hoppas att hennes Nobelstatus kommer att hjälpa henne att ge henne en röst i dessa konversationer. Jag tycker att man har ett ansvar för att ta sig an vissa saker som bara är komplicerade och svåra, eftersom man har det [vetenskapliga] samhällets förtroende, säger hon.
Efter Nobel
Medan hon har fått många erbjudanden om att gå med i andra institutioner eller ta på sig administrativa roller sedan hon vann Nobelpriset, är Ghez mer intresserad av att fortsätta sin nuvarande kurs.
Jag älskar min vetenskap, säger hon. Hon älskar också att arbeta med ny teknik, som nästa generations teleskop – hon ser fram emot att se den nya vetenskapen som kommer att bli möjlig genom att hoppa från Kecks 10-meters diameter till 30-meters diametern på TMT. Precis som att studera det galaktiska centret tar dessa projekt lång tid att förverkligas. Ghez minns när hon började på Thirty Meter Telescope-projektet eftersom hon var gravid med sin första son vid den tiden, och han fyllde 20 i år.
SPENCER LOWELLNu vill hon fortsätta rikta sin energi till vetenskapen om det galaktiska centret och alla dess intressanta frågor, till de vetenskapliga och ledarskapsutmaningar som är förknippade med de stora teleskopen och de sociala och kulturella frågor som hör samman med dem, och till undervisning med medvetenhet om social rättvisa. Jag skulle älska att kunna använda erkännandet som kommer med [Nobel] för att främja dessa mål, säger hon.
För Ghez finns det fortfarande mycket mystik, men också mycket rutin. Att vinna priset förändrar inte vad som väcker mig på morgonen, vad som flyter min båt om livet, säger hon. Jag älskar fortfarande vetenskapen jag håller på med. Jag älskar fortfarande mina barn. Det är fortfarande mycket av detsamma.
Om du håller ögonen på det ultimata priset, säger hon, som gör att vetenskapen blir rätt, hjälper det dig med de beslutsuppsättningar du måste göra när du möter alla möjliga komplexiteter. Vilket är vetenskapens natur – livets natur, men också vetenskapens natur.
Rättelse: En bildtext visade fel på det inblandade teleskopet. Det är Keck-teleskopet, inte Gemini-teleskopet.