Нобелевская премия по физике вручена за исследование чёрных дыр
Нобелевскую премию по физике в 2020 году разделили между тремя учёными. Половину премии получит известный физик-теоретик Роджер Пенроуз, остальное поделят поровну между астрономами Райнхардом Генцелем и Андреей Гез. В формулировке нобелевского комитета Пенроуз награждён за «открытие того, что образование чёрных дыр является точным предсказанием общей теории относительности», а Генцель и Гез — за «открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики».
Премия второй год подряд вручена за достижения в области астрофизики — в прошлом году отметили открытие планет, обращающихся вокруг далёких звёзд. Можно вспомнить, что более того всего три года назад нобелиатами стали астрофизики, впервые зарегистрировавшие гравитационные волны от слияния чёрных дыр.
Ещё одна характерная особенность награждённых работ, это их возраст. Основополагающая статья Пенроуза о чёрных дырах датирована 1965 годом! Сам учёный буквально два месяца назад отметил 89-летие. Два других лауреата моложе, но и их наблюдения, приведшие к вручению премии, были проведены ещё в 1990-х годах.
Тем не менее, теоретическое предсказание существования чёрных дыр и непосредственное наблюдение космических объектов, обладащих всеми свойствами, характерными для этих изначально гипотетических объектов, безусловно, является одним из важнейших достижений в астрофизике и заслужило высокую награду. Какой же вклад в это достижение внёс каждый из лауреатов?
Как зародилась идея чёрных дыр
Роджер Пенроуз к середине 1960-х годов успел отметиться серией сильных математических работ и дорос до статуса профессора прикладной математики в Биркбекском колледже Лондонского университета. В 1964 году он узнаёт от известного космолога Джона Уилера о проблемах математической теории чёрных дыр, и приступает к их решению.
Вообще, идея существования объектов столь массивных, что силу их притяжения не может преодолеть даже свет, по меркам современной физики стара. Ещё в 18 веке её независимо друг от друга высказали англичанин Джон Мичелл и француз Пьер-Симон Лаплас. Их рассуждения, однако, опирались на законы Ньютона, которые, как оказалось позже, неприменимы к свету и сверхмассивным телам.
Правильную теорию притяжения для тел любой массы и справедливую также и для света создал в 1915 году Альберт Эйнштейн. Эта теория получила название общей теории относительности. Именно она сейчас считается основной теорией гравитации и широко используется как для описания отдельных космических тел, так и для описания всей Вселенной. Уже в 1916 году для уравнений этой теории Карл Шваршильд получил математическое решение, описывающее самую простую чёрную дыру.
В дальнейшие годы проблема существования чёрных дыр не привлекала большого внимания, хотя и были получены отдельные интересные результаты. Проблема заключалась в том, что все они были получены в простейших идеализированных случаях, и многие учёные сомневались, что формирование чёрной дыры в реалистичных условиях возможно.
Как Пенроуз сделал чёрные дыры реальными
Тем временем в начале 1960-х годов были открыты удивительные космические объекты, получившие название квазары. По оценкам их яркость превышает яркость тысяч галактик, а плохо видны они только потому что находятся на огромном расстоянии от нас, где-то ближе к краю видимой Вселенной. Такой яркий объект не мог быть простой звездой, поскольку известно, что чем ярче звезда, тем короче её жизнь, поскольку она быстро сжигает весь запас водорода, необходимого для термоядерного горения. Поэтому была выдвинута гипотеза, что квазары на самом деле являются чёрными дырами сверхбольшой массы, которые поглощая окружающее их вещество высвечивают часть энергии этого вещества в виде ярких потоков излучения.
Именно в связи с этой гипотезой учёные вернулись к проблеме более строгого математического обснования возможности формирования чёрных дыр. И именно Роджеру Пенроузу удалось её решить. Применив хитроумный математический аппарат, он показал, что уравнения общей теории относительности Эйнштейна имеют решения, описывающие формирование чёрных дыр даже в далёких от идеальных условиях. Это доказательство вкупе с наблюдением квазаров убедило большинство астрофизиков в реальности существования подобных экзотических объектов. Собственно, и сам термин «чёрная дыра» прочно вошёл в обиход только после этих работ.
Как найти чёрную дыру?
Вскоре после этого была выдвинута гипотеза, что сверхмассивные чёрные дыры существуют не только в далёких квазарах, но и в центре почти любой галактики. В том числе и той галактики, в которой живём мы, – Млечного Пути. Их масса не так велика, как масса квазаров, поэтому они не такие яркие, но как тогда их обнаружить?
Разрешающей силы телескопов до самого последнего времени никак не хватало, чтобы разглядеть непосредственно окрестность даже самых больших чёрных дыр. Только с запуском сети телескопов Event Horizon Telescope в прошлом году удалось, наконец, получить изображение «тени чёрной дыры». Группы, возглавлявшиеся Райнхардом Генцелем и Андреей Гез, действовали другим методом.
Они решили измерить скорость движения звёзд, вращающихся вокруг центра нашей галактики — астрономы по историческим причинам называют его объектом Стрелец A* («Стрелей А со звёздочкой») — на небольшом расстоянии от него. Если в центре имеется относительно небольшой массивный объект, то скорость вращающихся вокруг него звёзд должна быть тем ниже, чем дальше расположена звезда, — это следует из хорошо известных законов Кеплера и аналогично тому, как скорость планет в Солнечной системы тем ниже, чем дальше планета от Солнца. Если же в центре нет компактного объекта, а вся масса распределена по большому объёму, то скорость звёзд менялась бы с расстоянием как-то по-другому.
Первая проблема с подобным наблюдением заключается в том, что в центре галактики очень много звёзд и ещё больше межзвёздного газа и пыли. То есть центр галактики просто плохо виден. Решить эту проблему удалось, проводя наблюдения не в видимом свете, а в инфракрасном диапазоне — такие волны значительно слабее поглощаются.
Другая проблема заключалась в том, что звёзды двигаются по небу медленно, и чтобы измерить их скорости, наблюдать за ними надо долго. Это делает наблюдения с помощью космических телескопов, например, знаменитого телескопа имени Хаббла непрактичными — ведь другие наблюдения тоже требуют времени. По этой причине пришлось использовать наземные телескопы.
Но с наземными телескопами есть другая проблема: им мешает атмосфера земли. Когда астрономы пытаются рассмотреть мелкие детали на небе, даже небольшие колебания воздуха, вызванные ветрами или неравномерным нагревом, приводят к сильным искажениям. Именно решение этой технической проблемы и привело группы Гензеля и Гез к открытию.
Как разглядели чёрную дыру в центре нашей галактики?
использовали малое время экспозиции, то есть открывали объектив камеры на долю секунды. За это время на плёнку камеры падало незначительное количество света, поэтому был разработан специальный сверхчувствительный детектор.
Во-вторых, из-за движения воздуха изображения звёзд на разных снимках были смещены друг относительно друга, поэтому астрономы применили специально разработанный метод их выравнивания, называемый спекл-визуализацией.
Наконец, в-третьих, обе группы проводили свои измерения независимо в течение нескольких лет. Гензель — в Чили в обсерватории Ла-Силья, а Гез — на Гавайях в обсерватории Кека. Затем они сравнили друг с другом свои наблюдения и обнаружили отличное совпадение результатов. Скорости звёзд идеально совпали с законами Кеплера, что явилось доказательством наличия в центре галактики компактного объекта чрезвычайно большой массы.
Дальнейшие наблюдения с помощью более совершенных методов только подтвердили первоначальные выводы, а кроме того, позволили получить более сильные аргументы в пользу того, что этот массивный объект действительно является чёрной дырой. В частности, ещё в 1992 году была обнаружена звезда S2, которая делает полный оборот вокруг центра всего за 16 лет. То есть за время наблюдения она уже успела больше одного оборота. Оказалось, что её движение не может быть описано законами Ньютона, но прекрасно согласуется с общей теорией относительности Эйнштейна. Ну и, как уже говорилось выше, буквально в прошлом году с помощью уже целой сети телескопов удалось разглядеть непосредственные окрестности центра галактики, и показать, что их изображение совпадает с тем, что ожидалось увидеть от сверхмассивной чёрной дыры.
Чёрные дыры являются одним из самых экзотических объектов во Вселенной. Но интересны они не только тем, что их не может ни один объект, даже свет, а с их теорией связано большое количество иногда сложно разрешимых парадоксов. Чёрные дыры – это объекты, в которых, как считают учёные, существует область, где перестают работать современные физические теории, и для полноценного их описания требуется создание абсолютно новой теории – квантовой гравитации, которая объединила бы законы микромира, квантовую физику, и законы гравитационного притяжения тел, которые управляют миром звёзд.
Это авторский вариант статьи, опубликованной изначально в «Медузе»
