25.4: Kituo cha Galaxy

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza uchunguzi wa redio na X-ray unaoonyesha matukio ya juhudi yanatokea kituo cha galactic
• Eleza kile kilichofunuliwa na picha ya juu-azimio karibu-infrared ya kituo cha galactic
• Jadili jinsi picha hizi za karibu-infrared, ikiwa ni pamoja na sheria ya tatu ya mwendo wa Kepler, zinaweza kutumiwa kupata umati wa kitu cha kati cha gravitating

Mwanzoni mwa sura hii, tuligusia kwamba msingi wa Galaxy yetu ina mkusanyiko mkubwa wa wingi. Kwa kweli, sasa tuna ushahidi kwamba kituo hicho kina shimo nyeusi lenye wingi sawa na Suns milioni 4.6 na kwamba molekuli hii yote inafaa ndani ya nyanja ambayo ina chini ya kipenyo cha obiti ya Mercury. Vile vile mashimo meusi ya monster huitwa mashimo meusi supermassive na wanaastronomia, ili kuonyesha kwamba masi wanayo nayo ni kubwa zaidi kuliko ile ya shimo nyeusi la kawaida linaloundwa na kifo cha nyota moja. Ni ajabu kwamba tuna ushahidi kushawishi sana kwamba shimo hili nyeusi kweli haipo. Baada ya yote, kukumbuka kutoka sura ya Black Holes na Curved Spacetime kwamba hatuwezi kuona shimo nyeusi moja kwa moja kwa sababu kwa ufafanuzi ni kung'ara hakuna nishati. Na hatuwezi hata kuona katikati ya Galaxy katika mwanga unaoonekana kwa sababu ya kunyonya na vumbi vya interstellar ambalo liko kati yetu na kituo cha galactic. Mwanga kutoka eneo la kati la Galaxy hupungua kwa sababu ya trilioni (\(10^{12}\)) na vumbi hivi vyote.

Kwa bahati nzuri, sisi si hivyo kipofu katika wavelengths nyingine. Infrared na radio mionzi, ambayo wavelengths kwa muda mrefu ikilinganishwa na ukubwa wa nafaka interstellar vumbi, mtiririko unimpeded zamani chembe vumbi na hivyo kufikia darubini yetu na vigumu dimming yoyote. Kwa kweli, mkali sana radio chanzo katika kiini cha Galaxy, sasa inajulikana kama Sagittarius A* (hutamkwa “Sagittarius A-nyota” na kifupi Sgr A*), ilikuwa ya kwanza cosmic radio chanzo astronomia aligundua.

Safari kuelekea Kituo

Hebu tuchukue safari kwenye moyo wa ajabu wa Galaxy yetu na tuone ni nini kilichopo. Kielelezo\(\PageIndex{1}\) ni picha ya redio ya kanda kuhusu miaka 1500 ya mwanga kote, iliyozingatia Sagittarius A, chanzo cha redio kilicho na chanzo kidogo cha Sagittarius A*. Sehemu kubwa ya redio inatokana na gesi ya moto inayowaka moto ama kwa makundi ya nyota zenye moto (nyota wenyewe hazizalishi chafu za redio na haziwezi kuonekana katika picha) au kwa mawimbi ya mlipuko wa supanova. Wengi wa miduara mashimo inayoonekana kwenye picha ya redio ni mabaki ya supanova. Chanzo kingine kikuu cha chafu cha redio ni kutoka kwa elektroni zinazohamia kwa kasi kubwa katika mikoa yenye mashamba magnetic yenye nguvu. Arcs nyembamba nyembamba na “nyuzi” kwenye takwimu zinatuonyesha ambapo aina hii ya chafu huzalishwa.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Radio Image ya Galactic Center Mkoa. Ramani hii ya redio ya kituo cha Galaxy (kwa urefu wa sentimita 90) ilijengwa kutokana na data zilizopatikana kwa Array Kubwa sana (VLA) ya darubini za redio huko Socorro, New Mexico. Mikoa nyepesi ni makali zaidi katika mawimbi ya redio. Kituo cha galactic ni ndani ya kanda iliyoitwa Sagittarius A. Sagittarius B1 na B2 ni mikoa ya malezi ya nyota ya kazi Vipande vingi au vipengele vya threadlike vinaonekana, pamoja na shells kadhaa (kinachoitwa SNR), ambazo ni mabaki ya supanova. Bar ya wadogo chini ya kushoto ni karibu miaka 240 ya mwanga. Ona kwamba wanaastronomia wa redio pia hutoa majina ya wanyama wa fanciful kwa baadhi ya miundo, kama vile nebulae inayoonekana-mwanga wakati mwingine hupewa majina ya wanyama wanayofanana.

Sasa hebu tuangalie katika eneo la kati kwa kutumia aina ya juhudi zaidi ya mionzi ya umeme. Kielelezo\(\PageIndex{2}\) kinaonyesha chafu ya X-ray kutoka eneo ndogo 400 miaka ya mwanga pana na miaka 900 ya mwanga katika katikati ya Sagittarius A*. Inaonekana katika picha hii kuna mamia ya vijiti vyeupe vya moto, nyota za neutroni, na mashimo meusi yenye stellar yenye diski za kukubalika zinang'aa kwa eksirei. Haze iliyoenea kwenye picha ni chafu kutoka gesi ambayo iko kati ya nyota na iko kwenye joto la milioni 10 K.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Galactic Center katika X-Rays. Hii bandia rangi mosaic ya 30 picha zilizochukuliwa na Chandra X-ray satellite inaonyesha eneo 400 × 900 mwanga miaka katika kiwango na katikati ya Mshale A*, mkali chanzo nyeupe katikati ya picha. Vyanzo vya kiwango cha X-ray ni vijiti vyeupe, nyota za neutroni, na mashimo nyeusi ya stellar. “Haze” iliyoenea ni chafu kutoka gesi kwenye joto la milioni 10 K. gesi hii ya moto inapita mbali na katikati hadi kwenye Galaxy yote. Rangi zinaonyesha bendi za nishati ya X-ray: nyekundu (nishati ya chini), kijani (nishati ya kati), na bluu (nishati ya juu).

Tunapokaribia katikati ya Galaxy, tunapata shimo la supermassive nyeusi Sagittarius A*. Pia kuna maelfu ya nyota ndani ya miaka michache ya nuru ya Sagittarius A*. Wengi wa haya ni nyota za zamani, nyekundu kuu za mlolongo. Lakini pia kuna nyota mia moto OB kwamba lazima kuwa sumu ndani ya miaka milioni chache iliyopita. Bado hakuna maelezo mazuri ya jinsi nyota zilivyoweza kuunda hivi karibuni karibu na shimo nyeusi kubwa. Pengine waliunda katika kundinyota nene ya nyota iliyokuwa awali kwa umbali mkubwa kutoka shimo jeusi na hatimaye wakahamia karibu.

Kwa sasa hakuna uundaji wa nyota kwenye kituo cha galaksi, lakini kuna vumbi vingi na gesi ya molekuli inayozunguka shimo jeusi, pamoja na baadhi ya viboko vya gesi ionized ambavyo vinapokanzwa na nyota za moto. Kielelezo\(\PageIndex{3}\) ni ramani ya redio inayoonyesha streamers hizi gesi.

Mchoro\(\PageIndex{3}\) Sagittarius A. picha hii, kuchukuliwa na Array kubwa sana ya telescopes redio, inaonyesha redio chafu kutoka moto, gesi ionized katikati ya Milky Way. Mstari unaozunguka juu ya picha ni streamers za gesi. Sagittarius A* ni doa mkali katika haki ya chini.

Kutafuta Moyo wa Galaxy

Ni nini tu Sagittarius A*, ambayo iko katikati ya Galaxy yetu? Kuanzisha kwamba kuna shimo nyeusi huko, lazima tuonyeshe kwamba kuna kiasi kikubwa sana cha molekuli kilichopigwa kwa kiasi kidogo sana. Kama tulivyoona katika Black Holes na Curved Spacetime, kuthibitisha kwamba shimo nyeusi lipo ni changamoto kwa sababu shimo nyeusi yenyewe hutoa hakuna mionzi. Kile wanaastronomia lazima wafanye ni kuthibitisha kwamba shimo jeusi ndilo ufafanuzi pekee unaowezekana kwa uchunguzi wetu—kwamba eneo dogo lina masi kubwa zaidi kuliko ilivyoweza kuhesabiwa na kundinyota kubwa sana ya nyota au kitu kingine kilichotengenezwa kwa jambo la kawaida.

Ili kuweka idadi fulani na mjadala huu, eneo la upeo wa tukio la shimo nyeusi la galactic lenye masi ya\(M_{\text{Sun}}\) takriban milioni 4 itakuwa takriban mara 17 tu ukubwa wa Jua - sawa na nyota moja nyekundu kubwa. Uzito sambamba ndani ya eneo hili la angani ungekuwa mkubwa zaidi kuliko ule wa kundinyota yoyote au kitu kingine chochote cha kawaida cha angani. Kwa hiyo, tunapaswa kupima kipenyo cha Sagittarius A* na wingi wake. Uchunguzi wote wa redio na infrared wanatakiwa kutupa ushahidi muhimu.

Kwanza, hebu tuangalie jinsi wingi unaweza kupimwa. Ikiwa tunaingia ndani ya siku chache za mwanga za Galaxy na darubini ya infrared iliyo na optics inayofaa, tunaona eneo linalojaa nyota binafsi (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Nyota hizi zimeonekana kwa karibu miongo miwili, na wanaastronomia wamegundua mwendo wao wa haraka wa orbital karibu na kituo cha Galaxy.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) karibu-Infrared View ya Kituo Galactic. Picha hii inaonyesha ndani 1 arcsecond, au 0.13 mwanga wa mwaka, katika kituo cha Galaxy, kama inavyoonekana na darubini kubwa Keck. Nyimbo za nyota zinazozunguka zilizopimwa kuanzia mwaka 1995 hadi 2014 zimeongezwa kwenye “snapshot” hii. Nyota zinazunguka katikati haraka sana, na nyimbo zao zote zinalingana na “gravitator” moja kubwa ambayo inakaa katikati ya picha hii.

Angalia toleo animated ya Kielelezo\(\PageIndex{4}\), kuonyesha mwendo wa nyota zaidi ya miaka.

Ikiwa tunachanganya uchunguzi wa vipindi vyao na ukubwa wa njia zao na sheria ya tatu ya Kepler, tunaweza kukadiria wingi wa kitu kinachowaweka katika njia zao. Nyota moja imeonekana kwa obiti yake kamili ya miaka 15.6. Mbinu yake ya karibu inachukua hadi umbali wa 124 AU tu au kuhusu masaa 17 ya mwanga kutoka shimo nyeusi. Obiti hii, ikiwa ni pamoja na uchunguzi wa nyota nyingine karibu na kituo cha galaksi, inaonyesha kwamba masi ya milioni 4.6 M Sun lazima kujilimbikizia ndani ya orbit-yaani, ndani ya masaa 17 ya mwanga katikati ya Galaxy.

Hata mipaka stramare juu ya ukubwa wa mkusanyiko wa wingi katika kituo cha Galaxy kuja kutoka radio astronomia, ambayo ilitoa kidokezo kwanza kwamba shimo nyeusi inaweza uongo katikati ya Galaxy. Kama suala spirals ndani kuelekea tukio upeo wa macho ya shimo nyeusi, ni joto katika whirling accretion disk na hutoa mionzi radio. (Disks vile accretion walikuwa alielezea katika Black Holes na Curved Spacetime.) Vipimo vya ukubwa wa disk ya accretion na safu ya muda mrefu sana ya msingi, ambayo hutoa azimio la juu sana la anga, inaonyesha kuwa kipenyo cha chanzo cha redio Sagittarius A* sio kubwa kuliko karibu 0.3 AU, au kuhusu ukubwa wa obiti ya Mercury. (Katika vitengo vya mwanga, hiyo ni dakika 2.5 tu ya mwanga!)

Kwa hivyo uchunguzi unaonyesha kwamba raia milioni 4.6 za jua zimegongwa katika kiasi ambacho kina kipenyo ambacho si kikubwa kuliko obiti ya Mercury. Ikiwa hii ingekuwa kitu kingine isipokuwa shimo jeusi kubwa- nyota za chini ambazo hutoa mwanga mdogo sana au nyota za neutroni au idadi kubwa sana ya mashimo madogo meusi— mahesabu yanaonyesha kwamba vitu hivi vingekuwa vimejaa kiasi kikubwa kiasi kwamba vingeanguka kwenye shimo moja nyeusi ndani ya miaka mia elfu moja. Hiyo ni muda mfupi sana ikilinganishwa na umri wa Galaxy, ambayo labda ilianza kutengeneza zaidi ya miaka bilioni 13 iliyopita. Kwa kuwa inaonekana uwezekano mkubwa kwamba tungepata nguzo ngumu ya vitu kabla ya kuanguka, ushahidi wa shimo nyeusi kubwa katikati ya Galaxy inashawishi kweli.

Kutafuta Chanzo

Shimo letu nyeusi la galactic limetoka wapi? Asili ya mashimo nyeusi makubwa katika galaxi kama yetu kwa sasa ni uwanja wa utafiti. Uwezekano mmoja ni kwamba wingu kubwa la gesi karibu na kituo cha Milky Way lilianguka moja kwa moja kuunda shimo jeusi. Kwa kuwa tunapata mashimo makubwa meusi kwenye vituo vya galaxi nyingine kubwa (angalia Galaxy za Active, Quasars, na Supermassive Black Holes) -hata zile ambazo ni ndogo sana—kuanguka hii pengine ingekuwa imetokea wakati Milky Way ilianza kuibuka. Masi ya awali ya shimo hili nyeusi inaweza kuwa makumi machache tu ya raia wa jua. Njia nyingine ingeweza kuanza ni kwamba nyota kubwa huenda ikawa imelipuka ili kuacha nyuma ya shimo nyeusi la mbegu, au kundinyota kubwa ya nyota huenda ikaanguka ndani ya shimo jeusi.

Mara baada ya shimo jeusi lipo katikati ya galaxi, linaweza kukua zaidi ya miaka bilioni kadhaa ijayo kwa kula nyota zilizo karibu na mawingu ya gesi katika maeneo ya kati yaliyojaa msongamano. Inaweza pia kukua kwa kuunganisha na mashimo mengine meusi.

Inaonekana kwamba shimo nyeusi la monster katikati ya Galaxy yetu haijamalizika “kula.” Kwa wakati huu, tunaona mawingu ya gesi na vumbi vinavyoanguka katikati ya galactic kwa kiwango cha karibu 1\(M_{\text{Sun}}\) kwa miaka elfu. Stars pia kwenye orodha ya shimo nyeusi ya. Uzito wa nyota karibu na kituo cha galaksi ni juu ya kutosha kwamba tungetarajia nyota ipite karibu na shimo jeusi na kumezwa nayo kila baada ya miaka elfu kumi au hivyo. Kama hii inatokea, baadhi ya nishati ya kuingia hutolewa kama mionzi. Matokeo yake, katikati ya Galaxy inaweza kuwaka na hata kwa ufupi kuangaza nyota zote katika Milky Way. Vitu vingine inaweza pia mradi karibu sana na shimo nyeusi na kuwa vunjwa katika. Jinsi kubwa flare sisi kuchunguza itategemea wingi wa kitu kuanguka katika.

Mwaka 2013, satellite ya X-ray ya Chandra iligundua flare kutoka katikati ya Galaxy yetu ambayo ilikuwa mara 400 zaidi kuliko pato la kawaida kutoka kwa Sagittarius A*. Mwaka mmoja baadaye, flare ya pili, nusu tu kama mkali, pia iligunduliwa. Hii ni nishati ndogo sana kuliko kumeza nyota nzima ingeweza kuzalisha. Kuna nadharia mbili za kuhesabu kwa flares. Kwanza, asteroid inaweza kuwa ventured karibu sana na shimo nyeusi na kuwa moto kwa joto ya juu sana kabla ya kumeza up. Vinginevyo, flares inaweza kuwa kushiriki mwingiliano wa mashamba magnetic karibu na kituo galactic katika mchakato sawa na ile ilivyoelezwa kwa flares jua (tazama Sun: Garden-Variety Star). Wanaastronomia wanaendelea kufuatilia eneo la kituo cha galactic kwa flares au shughuli nyingine. Ingawa monster katikati ya Galaxy si karibu na sisi kuwakilisha hatari yoyote, bado tunataka kuweka macho yetu juu yake.

ANDREA GHEZ

Akiwa mpenzi wa puzzles, Andrea Ghez amekuwa akifuatilia mojawapo ya siri kubwa zaidi katika astronomia: ni chombo gani cha ajabu kinachojitokeza ndani ya kituo cha Galaxy yetu ya Milky Way? Kama mtoto anayeishi Chicago wakati wa miaka ya 1960, Andrea Ghez (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)) alivutiwa na kutua kwa mwezi wa Apollo. Lakini pia alivutiwa na ballet na kutatua kila aina ya puzzles. Kwa shule ya sekondari, alikuwa amepoteza mdudu wa ballet kwa ajili ya kushindana katika Hockey ya shamba, kucheza filimbi, na kuchimba zaidi katika wasomi. Miaka yake ya shahada ya kwanza katika MIT ilikuwa na idadi ya mabadiliko katika kuu yake-kutoka hisabati hadi kemia, uhandisi wa mitambo, uhandisi wa anga, na hatimaye fizikia-ambapo alihisi chaguzi zake zilikuwa wazi zaidi. Kama mkuu wa fizikia, alihusika katika utafiti wa astronomical chini ya uongozi wa mmoja wa waalimu wake. Mara alipopata kufanya uchunguzi halisi katika Kitt Peak National Observatory huko Arizona, na baadaye katika Cerro Tololo Amiska Observatory huko Chile, Ghez alikuwa amemkuta wito wake.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\) Andrea Ghez. Utafiti wa Ghez na timu yake imesaidia kuunda uelewa wetu wa mashimo nyeusi supermassive. (mikopo: muundo wa kazi na John D. na Catherine T. MacArthur Foundation)

Kutafuta masomo yake ya kuhitimu katika Caltech, yeye kukwama na fizikia lakini oriented juhudi zake kuelekea uchunguzi astrofizikia, eneo ambapo Caltech alikuwa na upatikanaji wa vifaa vya kukata makali. Ingawa awali kuvutia na kusoma mashimo nyeusi kwamba walikuwa watuhumiwa wa kukaa ndani ya galaxies kubwa zaidi, Ghez kuishia kutumia zaidi ya utafiti wake kuhitimu na baadaye postdoctoral utafiti katika Chuo Kikuu cha Arizona kusoma nyota katika malezi. Kwa kuchukua picha za juu sana (kina) za mikoa ambako nyota mpya zinazaliwa, aligundua kwamba nyota nyingi huunda kama wanachama wa mifumo ya binary. Kama teknolojia ya juu, alikuwa na uwezo wa kufuatilia orbits wanacheza na jozi hizi stellar na hivyo inaweza kuhakikisha raia zao.

Sasa ni profesa wa astronomia katika UCLA, Ghez tangu hapo alitumia mbinu zinazofanana za upigaji picha za azimio za juu ili kujifunza njia za nyota katika kiini cha ndani kabisa cha Milky Way. Njia hizi zinachukua miaka kuelezea, hivyo Ghez na timu yake ya sayansi wameingia zaidi ya miaka 20 ya kuchukua picha za infrared za azimio na darubini kubwa za Keck huko Hawaii. Kulingana na njia za stellar zinazosababisha, kikundi cha UCLA Galactic Center kimeweka (kama tulivyoona) juu ya suluhisho la mvuto ambalo linahitaji kuwepo kwa shimo kubwa la nyeusi yenye wingi sawa na Suns milioni 4.6 - zote zimefungwa ndani ya nafasi ndogo kuliko ile inayotumiwa na mfumo wetu wa jua. Mafanikio ya Ghez yametambuliwa kwa tuzo moja ya “genius” iliyotolewa na Foundation ya MacArthur. Hivi karibuni, timu yake iligundua mawingu yanayowaka ya gesi yenye joto ionized ambayo inashirikiana na nyota lakini inaweza kuwa hatari zaidi kwa madhara ya kuvuruga ya shimo kuu nyeusi. Kwa kufuatilia mawingu haya, timu inatarajia kuelewa vizuri mageuzi ya mashimo nyeusi na mazingira yao ya haraka. Pia wana matumaini ya kupima nadharia ya Einstein ya relativity ya jumla kwa kuchunguza kwa makini njia za nyota ambazo zinashughulikia karibu zaidi na shimo nyeusi linalovutia sana.

Mbali na kazi yake ya uanzilishi kama mwanaastronomia, Ghez anashindana kama mwogeleaji bwana, anafurahia maisha ya familia kama mama wa watoto wawili, na huwahimiza kikamilifu wanawake wengine kutekeleza kazi za kisayansi.

Muhtasari

Shimo nyeusi supermassive iko katikati ya Galaxy. Vipimo vya kasi za nyota zilizopo ndani ya siku chache za nuru za kituo huonyesha kuwa masi ndani ya njia zao kuzunguka katikati ni takriban milioni 4.6\(M_{\text{Sun}}\). Uchunguzi wa redio unaonyesha kwamba masi hii imejilimbikizia kwa kiasi na kipenyo sawa na ule wa obiti ya Mercury. Uzito wa mkusanyiko wa jambo hili unazidi ule wa makundi ya nyota yenye densest inayojulikana kwa sababu ya karibu milioni. Kitu pekee kinachojulikana na wiani wa juu na wingi wa jumla ni shimo nyeusi.

faharasa

supermassive nyeusi shimo

kitu kilicho katikati ya galaxi kubwa sana ambazo ni kubwa sana na kompakt kwamba mwanga hauwezi kutoroka humo; shimo nyeusi la Milky Way lina mamilioni 4.6 ya thamani ya Suns