Observateur du ciel

Spencer Lowell

Lorsque l'astrophysicienne Andrea Ghez '87 était une jeune fille qui grandissait à Chicago, son père lui a donné une biographie de Marie Curie, et la leçon qu'elle en a tirée était qu'une femme pouvait être une grande scientifique, avoir des enfants et gagner un prix Nobel. . A présent, Ghez a fait les trois, et elle ne montre aucun signe de ralentissement.

Ghez a partagé le prix Nobel de physique en 2020 pour 25 ans de recherche qui confirme l'existence d'un trou noir supermassif au centre de la galaxie de la Voie lactée. Elle n'est que la quatrième femme à recevoir le prix de physique.

Le travail a duré des décennies, au cours desquelles la technologie et les instruments ont changé, des étudiants diplômés sont venus et repartis, et des quantités massives de données ont été soigneusement analysées et analysées à nouveau. L'un des anciens doctorants de Ghez et maintenant collègue à l'Université de Californie à Los Angeles, Tuan Do, parle de l'ampleur de l'effort : avec ce travail, il faut non seulement de la patience, mais aussi une réflexion très méticuleuse sur ce qui se passe exactement. Ces mesures sont difficiles à faire… Nous passons de nombreuses années à essayer de traduire entre les instruments.

Contrairement aux trous noirs de masse stellaire, qui sont environ 10 fois la masse de notre soleil et ont été prédits par la théorie avant d'être découverts par observation, les trous noirs supermassifs - qui peuvent atteindre un million à un milliard de fois la masse du soleil - ont été posés comme un résultat de l'observation directe. Les astronomes avaient remarqué d'énormes quantités d'énergie provenant des centres de certaines galaxies, des quantités que seul un objet d'une énorme densité pouvait expliquer. Ils se sont demandé si en fait chaque galaxie pouvait contenir un trou noir supermassif en son centre. Prouver qu'il en existe un au centre de notre propre galaxie, qui est une galaxie tout à fait normale et ordinaire, dit Ghez, démontre que cela pourrait bien être le cas.

Étant donné que les trous noirs absorbent même la lumière, prouver leur existence nécessite des moyens indirects. Les recherches de Ghez y sont parvenues en utilisant de nouvelles techniques pour mesurer le mouvement des étoiles autour de la masse centrale de la Voie lactée, démontrant qu'elles doivent être en orbite autour d'un objet si massif qu'il ne peut s'agir que d'un trou noir.

Joie totale

Quand elle était enfant, dit Ghez, l'espace et le temps m'empêchaient de dormir la nuit. Elle a été attirée par les mathématiques en tant que langage pour comprendre toutes ces questions ésotériques sur l'espace et le temps, et elle a dévoré la collection d'essais d'Isaac Asimov sur l'infini. Elle aimait aussi un bon roman policier. Je le fais toujours, dit-elle. À 17 ans, elle a postulé à l'action précoce du MIT, déjà certaine qu'elle était intéressée par l'étude des mathématiques et des sciences.

Bien que Ghez ait d'abord eu l'intention de se spécialiser en mathématiques, elle s'est rapidement tournée vers la physique et s'est plongée dans la recherche en astrophysique grâce à un UROP travaillant avec le professeur Hale Bradt, PhD '61, qui a fondé le programme de fusées-sondes du MIT en astronomie à rayons X. Il lui a donné l'occasion de travailler avec des systèmes de données satellitaires ainsi qu'avec de grands télescopes optiques professionnels. Je suis tombée amoureuse des télescopes - ce que vous voyez et faites, dit-elle. Et elle a découvert sa passion pour les trous noirs.

La position exacte du centre galactique, qui abrite le trou noir (invisible) connu sous le nom de Sagittarius A*, est marquée par la croix orange.

ESO/MPE/S. GILLESSEN ET AL

Le MIT a fait un travail fantastique en encourageant vraiment ses étudiants de premier cycle à saisir des opportunités [de recherche], dit-elle.

Ghez poursuit cette philosophie dans son enseignement à l'UCLA, où elle est depuis 1994, donnant aux étudiants de premier cycle des opportunités précoces d'en apprendre davantage sur la culture de la recherche et les compétences nécessaires pour faire de la science professionnelle. C'est tellement différent de l'apprentissage en classe, dit-elle. La manière dont la science est pratiquée n'est pas la manière dont nous enseignons les connaissances scientifiques.

Elle apprécie également le MIT comme un endroit où les gens se sont vraiment amusés - elle se souvient de beaucoup de rires et dit que c'est la même chose dans son Galactic Center Group à UCLA. Bien que ce soit sérieux [work], il y avait aussi cet élément de joie totale, dit-elle. Je ne pense pas que ce soit ainsi que la plupart des gens pensent du MIT ou de la science.

Détective galactique

Comme des détectives resserrant le filet autour d'un suspect, Ghez et son équipe - ainsi que des chercheurs allemands dirigés par Reinhard Genzel, l'un des scientifiques avec qui Ghez a partagé le Nobel 2020 - se sont rapprochés par étapes du trou noir supermassif de la Voie lactée. Parce qu'ils ne peuvent pas le voir, ils doivent plutôt déduire sa présence en prenant des mesures de plus en plus précises de la région, puis en utilisant la physique de base pour calculer la taille de sa masse centrale. La preuve ultime que l'objet invisible au cœur de la galaxie est un trou noir, explique Ghez, est de montrer que la masse qu'il contient est confinée à une zone plus petite que son rayon de Schwarzschild - souvent appelé l'horizon des événements, la limite à l'intérieur de laquelle l'attraction gravitationnelle entre les particules physiques est si intense que la matière s'effondre sur elle-même et que rien, pas même la lumière, ne peut s'en échapper.

Bien qu'ils n'aient pas tout à fait confiné l'objet - connu sous le nom de Sagittaire A * - à ce rayon, les observations de plus en plus précises de Ghez de ses étoiles en orbite ont réduit la distance d'un facteur de 10 millions depuis le début des travaux il y a 25 ans. C'est plus proche que quiconque ne l'a jamais été, dit Ghez.

Ghez a utilisé le télescope Keck au centre de la crête de premier plan du Mauna Kea pour obtenir des images du centre galactique.

OBSERVATOIRE GEMINI ET DR. LAMBRIS RICHARD.

La gravité oblige les objets dans l'espace à se déplacer en orbite autour d'une masse centrale - tout comme les planètes en orbite autour de notre soleil - et plus la masse est située dans un rayon donné, plus les objets rapides à ce rayon se déplaceront autour du point central. Donc, pour déterminer la taille de l'objet au centre galactique, la première chose à faire était d'essayer d'observer le mouvement des objets en orbite autour de lui.

En tant que jeune membre du corps professoral de l'UCLA dans les années 1990, Ghez a proposé d'utiliser le télescope de l'observatoire Keck sur le Mauna Kea, à Hawaï, pour prendre des photos du centre galactique tout en corrigeant les perturbations atmosphériques de la Terre avec une technique appelée imagerie de chatoiement - une façon de prendre plusieurs instantanés au dixième de seconde et les empiler ensuite pour créer une image claire. Ces images permettraient alors à son équipe de mesurer les vitesses des étoiles plus précisément que jamais.

Parce qu'ils ne peuvent pas le voir, ils doivent déduire sa présence en prenant des mesures précises de la région et en utilisant la physique de base pour calculer sa masse.

Sa proposition a été rejetée. Le comité de sélection de Keck ne pensait pas que Ghez serait capable de supprimer suffisamment bien les effets atmosphériques de la Terre pour voir les étoiles, et encore moins les voir bouger.

Inébranlable, Ghez a emprunté du temps de télescope à l'un de ses collègues - un exploit impressionnant étant donné que l'astronome moyen du système de l'Université de Californie n'obtient que deux précieuses nuits d'observation tous les six mois - pour montrer que le concept fonctionnerait. C'est le cas, sa proposition de trois ans a été acceptée lors de la prochaine série d'attributions de temps au télescope, et son équipe a publié son premier article sur les vitesses des étoiles centrales de la galaxie en 1998.

Leurs mesures leur ont permis de calculer un volume plus précis de la masse centrale que jamais auparavant, en utilisant les lois du mouvement de Kepler. C'était énorme, dit Ghez, parce que c'était un facteur de mille pour concentrer la masse dans un volume plus petit.

Ils ont postulé à l'époque qu'un trou noir était la seule explication raisonnable pour un objet aussi dense, mais les incertitudes dans leurs mesures signifiaient qu'ils devaient continuer pour être sûrs.

L'étape suivante consistait à pouvoir mesurer l'accélération des orbites des étoiles de la région, ce que Ghez et ses collègues ont fait avec succès, publiant leurs résultats en 2000. Cela leur a permis de réduire encore plus le rayon.

À ce moment-là, ils avaient également appris de leurs mesures que les étoiles les plus proches du Sagittaire A * pouvaient avoir des périodes orbitales aussi courtes qu'une décennie, et après cinq ans de recherche, cela signifiait qu'en seulement cinq ans de plus, ils pouvaient calculer son volume encore plus concluant. C'était une évidence, dit Ghez. Ils recevaient un intérêt croissant de la part d'autres scientifiques et davantage de financement. Ils ont continué à regarder.

À ce moment-là, la technologie avançait et ils passaient de l'imagerie de chatoiement à l'optique adaptative - une technique plus précise pour éliminer les perturbations atmosphériques de la Terre pour des images plus nettes et plus stables. Le couplage de l'optique adaptative avec la spectroscopie leur a permis de mesurer l'orbite complète d'une étoile qu'ils suivaient, appelée S0-2. Cela signifiait des progrès significatifs par rapport à la mesure de la vitesse des étoiles en orbite en deux dimensions en fournissant la troisième dimension critique de leur mouvement radial ou 3D.

C'est ce que j'aime à ce sujet, dit Ghez. C'est comme la physique de première année. Vous voyez deux points, une ligne, [puis] vous pouvez mesurer une courbe.

Même dans ces premières mesures de vitesses, dit son collègue de l'UCLA Do, il semblait assez convaincant qu'il y avait un trou noir, car ils ont observé des étoiles se déplaçant très rapidement dans la région. Mais le volume d'espace dans lequel ils savaient que le mouvement se produisait était encore large, vous pouvez donc imaginer un amas de petits trous noirs, ou un amas d'étoiles à neutrons, ou d'autres choses massives que vous ne pouvez pas bien voir, explique-t-il.

Cependant, maintenant qu'ils ont pu mesurer les orbites et parce qu'ils ont montré que l'orbite de l'étoile S0-2 passe, à son approche la plus proche, à environ 100 unités astronomiques de l'objet central (qui est très proche, Do dit) - ils sont satisfaits d'avoir éliminé toutes les possibilités sauf un trou noir supermassif. Il est vraiment difficile de cacher 4 millions d'étoiles à neutrons dans cette petite région de l'espace, dit Do - en fait, c'est impossible, car elles rebondiraient les unes sur les autres et voleraient, et ces effets seraient perceptibles.

Puisqu'ils avaient mesuré les spectres des étoiles en orbite, ils ont également pu faire une autre découverte : pour la première fois, cela nous a permis de déterminer astrophysiquement quel type d'étoiles étaient là, dit Ghez. Ils ont appris, par exemple, que les étoiles en orbite les plus proches de la masse centrale étaient des étoiles jeunes, ce qui est à l'opposé de ce que les théories avaient suggéré.

Ghez est tout aussi enthousiasmée par les choses fortuites qu'elle a apprises en cours de route que par les preuves d'un trou noir supermassif. Il y a eu tellement de surprises, dit-elle. Tellement qu'on ne s'y attendait pas. Une grande partie n'était qu'une découverte en exploitant cet ensemble de données.

Une expérience qu'ils étudient actuellement est de savoir comment l'objet au centre galactique se déplace dans l'espace-temps. Einstein a prédit que l'orbite d'un trou noir devrait précesser, ou tourner, et qu'il devrait le faire dans la direction dans laquelle il orbite. Cependant, l'équipe de Ghez a observé une tentative d'orbite rétrograde, exactement à l'opposé des prédictions d'Einstein.

Cela signifie qu'il est temps de vérifier leur travail. Ghez compare cela à faire le tour de la voiture et à donner des coups de pied dans les pneus pour s'assurer que tout est solide.

Lorsque vous essayez de rassembler 25 ans de données, vous devez tout aligner, dit-elle. Ils doivent demander s'ils ont pris des raccourcis avec leurs hypothèses et leur code informatique qui pourraient créer l'apparence de quelque chose d'inattendu.

Cela nous engage tous profondément et nous gratte la tête, dit Ghez.

L'équilibre entre la science à court et à long terme a été une partie importante de ce qui a soutenu le groupe pendant si longtemps, ajoute-t-elle : Vous devez en fait convaincre beaucoup de gens qu'ils veulent continuer à faire cela en équipe. Et donc il doit y en avoir assez pour eux, comme plusieurs générations d'étudiants diplômés qui sont venus et repartis. Et leur échelle de temps n'est pas de 25 ans. C'est généralement trois ans de travail solide.

Un parmi tant d'autres

L'aînée des trois filles d'un professeur d'économie et d'un directeur de galerie d'art contemporain qui ont aidé leurs enfants à devenir bien éduqués et à réussir professionnellement, Ghez a toujours su qu'elle obtiendrait un doctorat, mais tout le monde autour d'elle n'était pas convaincu.

Lorsque la conseillère d'orientation de son lycée lui a dit qu'elle ne devrait pas postuler au MIT, affirmant qu'il n'acceptait pas les filles, elle a quand même postulé - encouragée par sa professeure de chimie, qui a dit: 'Qu'est-ce qu'ils peuvent dire de pire, 'Non?'

Ghez a si souvent entendu les gens dire qu'elle ne réussirait pas qu'elle s'est habituée à les ignorer. Au début, vous avez les preuves tangibles pour dire 'Ce n'est tout simplement pas sensé', dit-elle. Elle a développé la confiance en elle-même pour résister aux démentis.

Elle a appris que la communauté fait aussi une différence. Au MIT, qui comptait environ 25% de femmes à l'époque où elle fréquentait, elle s'est rendu compte que pour être une parmi tant d'autres, elle devait s'assurer qu'il y avait des parties de sa vie où elle ne faisait pas partie des rares personnes isolées. Cela l'a motivée à vivre dans une fraternité mixte, Number Six, et à rejoindre l'équipe de cross-country, deux environnements avec un ratio hommes-femmes équilibré où elle a trouvé une communauté forte.

Elle a également veillé à s'assurer qu'elle travaillait avec quelqu'un qui la soutenait, à la fois au MIT et lorsqu'elle a commencé ses études supérieures à Caltech.

Il devient important d'être dans un environnement où les gens ont une haute opinion de vous et où leur opinion n'est pas compliquée par leurs sentiments à l'égard des femmes.

L'une des choses les plus difficiles et les décisions les plus importantes que nous prenons aux études supérieures est de savoir avec qui nous travaillons, dit-elle. Il devient important d'être dans un environnement où les gens ont une haute opinion de vous et où leur opinion n'est pas compliquée par leurs sentiments à l'égard des femmes. Choisir un bon conseiller qui est prêt à vous soutenir dans quelque chose qui vous intéresse est vraiment important.

En tant que conseillère maintenant elle-même, elle souligne l'importance de trouver la bonne personne, où les étudiants se sentent à l'aise et valorisés. Comme dans les rencontres, dit-elle, si cela ne fonctionne pas pour une raison quelconque, il est important de comprendre que vous avez le pouvoir de changer.

Qui peut faire de la science

La première fois que Ghez a donné un déjeuner à l'école doctorale, elle a tremblé de partout. Son conseiller l'a ensuite prise à part et lui a dit : Tu dois enseigner. Il faut être capable de monter sur scène.

Alimentée par sa conviction fondamentale que chaque défi est une opportunité, Ghez a décidé de s'attaquer à sa peur de parler de front en faisant pression pour enseigner la physique aux étudiants de première année, ce que seuls les professeurs titulaires pouvaient faire à Caltech à l'époque.

La faculté a dit oui, mais leur raisonnement l'a dérangée : ils ont dit que les jeunes femmes n'allaient pas aussi bien que les jeunes hommes, donc son implication en tant que seule femme dans l'équipe enseignante pourrait être utile.

Curieux, Ghez a examiné les données sur les performances des étudiants féminins par rapport aux étudiants masculins et a constaté qu'elles n'étayaient pas leur affirmation. Elle se souvient d'avoir pensé, vous êtes un physicien ! Cette [différence] est statistiquement insignifiante !

Elle dit que c'est l'expérience qui l'a poussée à s'engager plus profondément dans la question des femmes en science. C'était un argument tellement ridicule à l'époque, dit-elle. Malgré tous les démentis dans sa propre éducation et sa carrière, elle n'avait jamais entendu des professeurs aussi expérimentés faire des affirmations désobligeantes et non étayées sur la performance des femmes directement devant moi.

Aujourd'hui conférencière prolifique et dynamique, Ghez pense qu'il est important non seulement d'ouvrir des portes aux femmes, mais aussi de reconnaître qu'il est tout aussi important pour les hommes d'apprendre à être à l'aise de travailler avec et pour les femmes. Elle reconnaît en outre que la conversation sur l'équité porte désormais davantage sur la race et l'inclusion.

Notre idée de qui peut faire de la science change, dit-elle. Aujourd'hui, les professeurs seniors réfléchissent aux obstacles et à la manière d'aider tous les étudiants à se sentir les bienvenus plus tôt dans leur carrière universitaire. Au niveau du doctorat, dit Ghez, vous ne pouvez pas faire grand-chose.

Au sommet

La façon dont les astronomes travaillent avec les télescopes a radicalement changé en 25 ans.

Au début, dit Ghez, vous montiez au sommet ; Il n'y avait pas d'autre option. Elle se souvient de l'excitation de sa douzaine de voyages au sommet de 14 000 pieds du Mauna Kea, où non seulement elle était là avec les conditions atmosphériques, mais elle a également pu côtoyer des astronomes du monde entier qui étaient venus pour prendre des données de la douzaine de télescopes là-bas.

L'inconvénient, bien sûr, était l'altitude et le manque de sommeil, car les astronomes devaient rester debout du coucher au lever du soleil pour prendre leurs données. Vous n'avez que quelques nuits, vous essayez de faire de votre mieux et vous n'êtes pas optimal, dit Ghez en riant. C'était excitant, dit-elle, mais vous terminiez vos nuits en voulant simplement ramper sous la table.

Elle et son équipe ont effectué leur dernier voyage d'observation en 1998, après quoi ils ont commencé à observer à distance depuis le siège au pied de la montagne. Dans un sens, ils étaient limités en n'ayant pas un accès direct aux conditions météorologiques ou à d'autres chercheurs en dehors de leur groupe. D'un autre côté, dit-elle, votre cerveau fonctionne mieux au niveau de la mer.

Ils ont également pu travailler plus étroitement au siège avec le personnel développant le système d'optique adaptative, du matériel optique aux miroirs en passant par la technologie associée au télescope lui-même, que Ghez a trouvé très utile.

Il y a environ 15 ans, ils ont commencé à pouvoir observer depuis UCLA, ce qui a mis encore plus de distance entre l'observateur et l'observatoire, mais davantage de personnes ont eu accès au télescope. Les étudiants de premier cycle adorent ça, dit Ghez. Maintenant, les étudiants, au moment où ils commencent, peuvent en quelque sorte devenir accros. Et elle peut impliquer beaucoup plus de membres de son équipe.

Covid-19 a rapproché l'univers encore plus de chez nous. Dit Do, je me lève en quelque sorte du lit et je me connecte à ce télescope de 10 mètres, puis il peut observer le centre galactique à partir d'un ordinateur portable. C'est un peu sauvage quand on y pense, dit-il.

Göran K. Hansson, secrétaire général de l'Académie royale des sciences de Suède, prend la parole lors d'une conférence de presse numérique avec les lauréats du prix Nobel Ghez (en haut à gauche, physique), Emmanuelle Charpentier (en haut à droite, chimie) et Paul Milgrom (économie) le 9 décembre , 2020.

JANERIK HENRIKSSON / TT VIA AP

Ghez dit que jusqu'à la covid, ils visitaient toujours le site du télescope chaque année, principalement pour entretenir des relations avec les opérateurs et pour faire de la sensibilisation avec les communautés locales, qui ont de plus en plus parlé des droits fonciers autochtones, bloquant le début de la construction du nouveau Thirty Meter Telescope (TMT), le plus grand télescope à lumière visible au sol jamais tenté, et provoquant la fermeture de l'observatoire de Keck dans certains cas.

Ghez, qui est reconnaissante du temps qu'elle a passé à Hawaï, espère que son statut Nobel l'aidera à se faire entendre dans ces conversations en cours. Je pense que l'on a la responsabilité d'assumer certaines choses qui sont simplement compliquées et difficiles, parce que vous avez la confiance de la communauté [scientifique], dit-elle.

Après le Nobel

Bien qu'elle ait reçu de nombreuses offres pour rejoindre d'autres institutions ou assumer des rôles administratifs depuis qu'elle a remporté le prix Nobel, Ghez est plus intéressée à maintenir son cap actuel.

J'aime ma science, dit-elle. Elle aime aussi travailler avec les nouvelles technologies, comme la prochaine génération de télescopes - elle a hâte de voir la nouvelle science qui sera rendue possible par le saut du diamètre de 10 mètres de Keck au diamètre de 30 mètres du TMT. Comme l'étude du centre galactique, ces projets mettent beaucoup de temps à se concrétiser. Ghez se souvient quand elle a commencé le projet du télescope de trente mètres parce qu'elle était enceinte de son premier fils à l'époque, et il a eu 20 ans cette année.

SPENCER LOWELL

Maintenant, elle veut continuer à diriger son énergie vers la science du centre galactique et toutes ses questions intéressantes, vers les défis scientifiques et de leadership associés aux grands télescopes et les problèmes sociaux et culturels qui les accompagnent, et vers un enseignement conscient de justice sociale. J'adorerais pouvoir utiliser la reconnaissance qui accompagne [le Nobel] pour faire avancer ces objectifs, dit-elle.

Pour Ghez, il y a encore beaucoup de mystère, mais aussi beaucoup de routine. Gagner le prix ne change pas ce qui me réveille le matin, ce qui fait flotter mon bateau dans la vie, dit-elle. J'aime toujours la science que je fais. J'aime toujours mes enfants. C'est toujours la même chose.

Si vous gardez un œil sur le prix ultime, dit-elle, qui est de bien comprendre la science, cela vous aide à prendre les décisions que vous devez prendre lorsque vous rencontrez toutes sortes de complexités. C'est la nature de la science - la nature de la vie, mais aussi la nature de la science.

Correction : Une légende de la photo déformait le télescope impliqué. C'est le télescope Keck, pas le télescope Gemini.

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