За что дали Нобелевскую премию 2020 по физике: открытие темнейших тайн Вселенной

В 2020 году Нобелевскую премию по физике вручили британскому физику и математику Роджеру Пенроузу (Roger Penrose) за «открытие, согласно которому образование чёрных дыр является надёжным подтверждением общей теории относительности», а также немецкому астрофизику Райнхарду Генцелю (Reinhard Genzel) и американскому астроному Андреа Гез (Andrea Ghez) за «открытие сверхмассивного компактного объекта в центре галактики Млечный Путь». Имена лауреатов были объявлены ещё 6 октября. Традиционно премия вручается в Стокгольме (где родился Альфред Нобель) 10 декабря (день его смерти). Однако в 2020 году церемонии вручения не будет из-за пандемии. Лауреатам выплатят сумму в 10 миллионов крон (около 87,7 миллиона рублей), а медали и дипломы вручат удалённо. В Нобелевском комитете отметили, что открытия лауреатов этого года показали новые пути в изучении компактных и сверхмассивных объектов. Интересно, что уже второй год подряд Нобелевскую премию по физике вручают за достижения в области астрофизики. Видимо, сейчас человечество с особой силой стремиться к покорению космоса.

• В тему: За что дали Нобелевскую премию 2019 — как была открыта первая планета за пределами Солнечной системы

%%TRASH_CHAPTERS%% 

Первые предположения о существовании «тёмных звёзд»

Чёрная дыра в представлении художника

Британский философ и математик Джон Мичелл (John Michell) ещё в 1783 году предполагал, что в космосе могут существовать «тёмные звёзды», сила притяжения которых настолько велика, что скорость, необходимая для преодоления этого притяжения, равна или превышает скорость света. Таким образом, свет не сможет покинуть это тело, а само оно будет невидимым для наблюдений. В 1796 году французский учёный Пьер-Симон де Лапласа (Pierre-Simon de Laplace) высказал похожую мысль. В книге «Изложение системы мира» он писал, что если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в двести пятьдесят раз превосходил диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми.

Альберт Эйнштейн — автор общей теории относительности

Существование «тёмных звёзд» (чёрных дыр) теоретически подтвердила общая теория относительности (ОТО). Альберт Эйнштейн предположил, что гравитация, которую люди ощущают как силу притяжения, — это не что иное, как результат кривизны пространства-времени. Учёный ещё в 1915 году описал, как все объекты во Вселенной находятся во власти гравитации. Она удерживает людей на поверхности Земли, управляет орбитами планет, вращающихся вокруг Солнца, а также орбитой Солнца, вращающегося вокруг центра Млечного Пути. Гравитация приводит к рождению звёзд из межзвёздных облаков и, в конечном итоге, к их гибели в результате гравитационного коллапса. Также она может искривлять и деформировать пространство, влиять на течение времени. Из ОТО следует, что сверхмассивные объекты могут «формировать» в пространстве воронки, в которые «скатываются» объекты с меньшей массой, образуя чёрную дыру. Однако сам Эйнштейн сомневался в том, что подобные объекты могут существовать на самом деле.

Квазар в представлении художника

В 1963 году были открыты квазары, самые яркие объекты во Вселенной. В течение почти десяти лет астрономы были озадачены радиолучами от таинственных источников, таких как 3C 273 в созвездии Девы. Излучение в видимом свете наконец показало его истинное местонахождение. 3C 273 находится так далеко, что лучи его света летят к Земле более миллиарда лет. Учитывая, что источник света находится так далеко, но всё равно виден с Земли, он должен иметь светимость, равную свету нескольких сотен галактик. Чтобы поддерживать это невероятное излучение, нужно получать огромное количество энергии. Также в 1963 году профессор Мэрилендского университета Чарльз Мизнер (Charles W. Misner) опубликовал статью, где описал теорию, что сингулярностью следует считать ситуацию, в которой материальные частицы или фотоны могут двигаться по пространственно-временным траекториям, приводящим к конечным точкам, за которые эти траектории в принципе невозможно продолжить. То есть там уже нет ни времени, ни пространства. Эти открытия заинтересовали молодого учёного Роджера Пенроуза.

Вклад в науку Роджера Пенроуза

Роджер Пенроуз

В 1965 году, спустя десять лет после смерти Эйнштейна, Пенроуз пишет статью «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности» (Gravitational collapse and space-time singularities). Написанная простым языком (без длинных лестниц формул), небольшая по размеру (всего две с половиной журнальные страницы) работа стала революционной в научном мире. Пенроуз показал, что некоторые ключевые свойства пространства-времени можно выяснить, не находя полного решения головоломных уравнений ОТО, которые чрезвычайно трудно решать. Он разработал новые математические методы и доказал, что после смерти самых массивных звёзд происходит гравитационный коллапс — процесс, в результате которого их вещество спрессовывается до очень малого объема. В результате должны образовываться объекты, внутри которых скрывается та самая сингулярность по Мизнеру. По сути, речь идёт о чёрных дырах, но тогда этот термин еще никем не употреблялся, его лишь два года спустя придумал американский физик Джон Арчибальд Уилер. Статья Пенроуза до сих пор считается самым важным вкладом в общую теорию относительности со времён самого Эйнштейна.

Формирование чёрной дыры. Источник: nobelprize.org

Кстати, великий популяризатор науки астрофизик Стивен Хокинг (Stephen Hawking) начинал свои исследования чёрных дыр именно с развития идей Пенроуза. Он показал, что если решать уравнения ОТО, применяя их ко всей Вселенной, получается та же сингулярность с невероятной плотностью материи. Благодаря этим исследованиям физикам краем глаза удалось заглянуть в начало времён. Однако сами чёрные дыры всё равно очень долго оставались лишь теоретическими моделями. Заглянуть в чёрную дыру невозможно по законам физики. Они скрывают все свои секреты за горизонтом событий — воображаемой границей в пространстве-времени, преодолев которую ни один объект (включая частицы света) уже не сможет вернуться назад. Но несмотря на то, что люди не могут видеть чёрную дыру, можно установить её свойства, наблюдая, как её колоссальная гравитация управляет движением окружающих звезд.

Исследования Рейнхарда Гензеля и Андреа Гез

Рейнхард Гензель и Андреа Гез

Именно такими наблюдениями с начала 90-х годов начали заниматься две команды астрономов. Немецкий астроном Рейнхард Гензель и его группа первоначально использовали телескоп New Technology Telescope («Телескоп новой технологии») в обсерватории Ла-Силья в Чили, а затем переместились на Very Large Telescope («Очень большой телескоп») в Паранальской обсерватории (также в Чили) с самой большой общей площадью зеркал на Земле среди оптических телескопов. Андреа Гез и её исследовательская группа используют обсерваторию Кека, расположенную на гавайской горе Мауна-Кеа. Зеркала её телескопов состоят из 36 шестиугольных сегментов, которыми можно управлять отдельно, чтобы лучше фокусировать звёздный свет, и имеют эквивалентный диаметр 10 метров. Обе группы обратили свои взоры на центр нашей Галактики, где находится объект под названием Стрелец A* (Sagittarius A*)

Центр галактики Млечный Путь. Стрелец A* располагается в выделенной области. Фотография с космического телескопа «Хаббл».

Ещё в 60-х годах, после обнаружения квазаров, учёные предположили, что в центре каждой крупной галактики может находиться чёрная дыра. Американский астроном Харлоу Шепли (Harlow Shapley) определил, что центр галактики Млечный Путь находится в созвездии Стрельца. Позже был обнаружен практически точечный источник радиоволн, известный как Стрелец A*. В пределах одной угловой секунды от источника астрономы обнаружили большую группу звёзд, известную как S-кластер. С начала 90-х годов Гензель и Гез собирали информацию в ближнем инфракрасном диапазоне на длине волны 2,2 микрометра (видимый свет от тех звёзд не доходит до Земли). Используя системы адаптивной оптики, они смогли получить фотографии звёзд и спектрограммы их излучения. Анализ кинематики этих звёзд позволил вычислить массу источника, которую оценивают в 4,31 миллиона масс Солнца (что, кстати, не так уж и много, ведь чёрные дыры галактик сопоставимых размеров могут иметь массу до миллиардов масс Солнца). Так как две независимые команды пришли к одинаковым выводам, сейчас все специалисты уверены, что Стрелец A* не может быть ничем иным, кроме как сверхмассивной чёрной дырой.

Изображение силуэта сверхмассивной чёрной дыры в ядре галактики M 87, полученное в радиодиапазоне с помощью телескопа Event Horizon Telescope

Несмотря на то, что сами чёрные дыры увидеть невозможно, у них есть аккреционные диски. Эти структуры возникают вокруг звёзд в тесных двойных системах, во вращающихся галактиках и в протопланетных образованиях, а также во время коллапса ядер сверхновых и гиперновых звёзд. Аккреционные диски, образовавшиеся вокруг нейтронных звёзд и чёрных дыр, можно наблюдать в рентгеновском диапазоне. В 2019 году было получено первое изображение подобного объекта. Астрономическая сеть телескопов Event Horizon Telescope («Телескоп горизонта событий») сделала снимок сверхмассивной чёрной дыры, находящейся в центре галактики М 87. Возможно, что именно это открытие склонило Нобелевский комитет к решению отметить вклад Пенроуза, Гензеля и Гез в изучение сверхмассивных компактных объектов.

Официальная иллюстрация Нобелевского комитета

«Открытия лауреатов этого года показали новый путь в изучении компактных и сверхмассивных объектов. Но эти экзотические объекты по-прежнему вызывают много вопросов, требующих ответов и мотивирующих дальнейшие исследования. Не только вопросы об их внутренней структуре, но и вопросы о том, как проверить нашу теорию гравитации в экстремальных условиях в непосредственной близости от чёрной дыры», — сказал Дэвид Хэвиленд, председатель Нобелевского комитета по физике.

Чёрные дыры — поистине самые тёмные тайны Вселенной, с разгадкой которой человечеству может открыться понимание природы Вселенной. А в будущем исследование чёрных дыр может иметь не только теоретическое, но и практическое значение. Сам Пенроуз ещё 50 лет назад предположил, что технологически развитая цивилизация могла бы использовать эти объекты в качестве неисчерпаемого источника энергии.