Астрономия

Плоская Вселенная и «качающая» экзопланета

За что присудили физическую Нобелевку-2019

NASA's Goddard Space Flight Center/ESA/Flickr/Indicatr.Ru

Пересекутся ли во Вселенной параллельные прямые, можно ли «возродить» космологическую постоянную и как надо «раскачать» звезду, чтобы быть обнаруженным с Земли, — Indicator.Ru объясняет, за что в 2019 году дали Нобелевскую премию по физике.

В нынешнем году физическая премия была разделена согласно возможности, которую дает завещание Альфреда Нобеля, на две части. Половину получит Джим Пиблз, почетный профессор кафедры Альберта Эйнштейна Принстонского университета, а половину разделят между собой швейцарцы — почетный профессор Женевского университета Мишель Майор и Дидье Кело, который, помимо позиции в том же университете, работает в Астрофизической группе Кавендишевской лаборатории, где число нобелевских лауреатов уже перевалило за три десятка.

При этом если первая половина вручена, по сути, по совокупности заслуг, «за теоретические находки в физической космологии», то вторая — за конкретное открытие. Правда, не менее важное — «за открытие экзопланеты, обращающейся вокруг звезды солнечного типа». В этот раз Нобелевский комитет объединил все премии общим слоганом «за вклад в наше понимание эволюции Вселенной и места Земли в космосе». Что ж, давайте познакомимся с лауреатами и с тем, что они сделали.

Джим (Джеймс) Пиблз — самый возрастной из троицы лауреатов. Ему уже исполнилось 84 года. Мишель Майор тоже немолод, ему 77, формально он с 2007 года в отставке, но по-прежнему остается активным исследователем. Дидье Кело «всего» 53 (хотя напомним, что самому молодому нобелиату по физике было 25 лет). Рассказ о научной составляющей премии мы начнем с самого старшего лауреата.

Учитель и соавтор Пиблза, Роберт Дикке

AIP Emilio Segre Visual Archives

Пиблз был учеником выдающегося физика, астрофизика и космолога Роберта Дикке (к слову, в 1958 году тот, независимо от других исследователей, предложил концепцию лазера). Именно он вместе со своим учеником в 1964 году предсказал существование реликтового излучения (совершенно забыв, что его уже предсказал Георгий Гамов). А дальше началась то ли трагедия, то ли комедия: Дикке, Пиблз и Дэвид Уилкинсон начали делать устройство на основе созданного первым радиометра (радиометра Дикке), чтобы открыть предсказанное ими микроволновое излучение, как тут… Оказалось, что в нескольких милях от Принстона, где работали Дикке и Пиблз, Арно Пензиас и Роберт Вильсон пытались понять, где находится источник шумов на радиотелескопе, который использовал тот же радиометр Дикке. Даже птичий помет подозревали — но оказалось, что шумит вся Вселенная. Везде. Так что в 1965 году вышла и статья Дикке и Пиблза с предсказанием, и статья Пензиаса и Вильсона — с открытием. Нобелевку 1978 года (а точнее, ее половину) дали первооткрывателям. Дикке своей премии не дождался — он умер в 1997 году.

Так состоялся первый вклад Пиблза в развитие космологии и понимания первых минут существования Вселенной. Но далеко не последний, даже в области реликтового излучения.

Элементы — Большого взрыва и темной материи

Уже в конце 1960-х годов Пиблз начал рассматривать потенциальную анизотропию реликтового излучения за счет изначальных флуктуаций в горячей плазме, приводящих к распространяющимся звуковым волнам в ней (к слову, одновременно с ним эти вопросы рассматривали советские физики Андрей Сахаров, Рашид Сюняев и Яков Зельдович, о чем Пиблз рассказал по телефону журналистам на пресс-конференции по объявлению лауреатов). Напомним, что за открытие анизотропии реликтового излучения была вручена Нобелевская премия 2006 года.

Дикке и Пиблз начали обсуждать горячую Вселенную первых мгновений и пошли дальше. Исходя из полученных характеристик реликтового излучения они смогли смоделировать плотность и температуру раннего мироздания и показать, что тяжелые элементы — тяжелее лития — не могли образоваться при Большом взрыве, как это говорилось в классической работе αβγ (статье «Происхождение химических элементов», авторами которой были физики Георгий Гамов и его аспирант Ральф Альфер, а Ханса Бете включили в список авторов в шутку — статья, к слову, вышла 1 апреля 1948 года — прим. Indicator.Ru).

В принципе, и этого бы хватило на Нобелевскую премию для Пиблза, однако космолог пошел дальше. Именно ему принадлежит очень многое в концепции темной материи и темной энергии (не в смысле «черной», а в смысле «скрытой»). Измерения скоростей вращения галактик показали, что они должны удерживаться под действием гравитации невидимой материи, иначе они будут разорваны на части. Состав темной материи остается одной из величайших загадок космологии. Очень долго в качестве кандидатов рассматривались нейтрино, но вместо этого в 1982 году Пиблз предположил, что тяжелые и медленные частицы холодной темной материи могли бы справиться с этой задачей.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна геометрия пространства взаимосвязана с гравитацией: чем больше массы и энергии содержится во вселенной, тем более искривленным становится пространство. При некотором критическом значении массы и энергии пространство не искривляется. Этот тип вселенной, в котором две параллельные линии никогда не пересекутся, обычно называют плоским. Два других варианта расширяющейся Вселенной — это Вселенная со слишком малым количеством материи, она ведет к «открытой» Вселенной, в которой параллельные линии в конечном итоге расходятся, или «закрытая» Вселенная со слишком большим количеством материи, в которой параллельные линии в конечном итоге пересекаются.

Измерения космического фонового излучения, а также теоретические соображения дали четкий ответ — Вселенная плоская.

Но того вещества, которое мы наблюдаем непосредственно или гравитационно, достаточно лишь для 31% критического значения, из которых 5% — обычное вещество, а 26% – темная материя. 69% куда-то делось. Джеймс Пиблз снова нашел радикальное решение проблемы. В 1984 году он внес вклад в возрождение космологической постоянной Эйнштейна, которую большинство физиков считали ненужной уже более полувека и которая является энергией пустого пространства. Ее назвали темной энергией, заполняющей 69% космоса. Вместе с холодной темной материей и обычной материей этого оказалось достаточно, чтобы поддержать идею «плоской Вселенной». Сейчас идея темной энергии несколько переосмыслена и считается, что, помимо всего, она вносит главный вклад в ускоренное расширение Вселенной (за открытие которого была вручена Нобелевская премия 2011 года).

Идет Пегас, качается

Второе открытие тоже не менее важно — оно показывает, что наша планетная система не уникальна во Вселенной.

Важно отметить, что вторая часть формулировки прописана очень аккуратно: «за открытие экзопланеты, обращающейся вокруг звезды солнечного типа» (хотя можно прочесть и иное, «вокруг звезды главной последовательности», — тут имеется в виду диаграмма Герцшпрунга — Рассела — прим. Indicator.Ru). Дело в том, что вопрос «когда открыли первую планету вне Солнечной системы» имеет несколько ответов.

Телескоп, располагающийся в Обсерватории Верхнего Прованса, использованный для открытия экзопланеты

Gdgourou/Wikimedia Commons

Первое подозрение на наблюдение экзопланеты появилось еще в 1988 году, у звезды Гамма Цефея. Однако подтвердить существование Гамма Цефея B удалось лишь в 2002 году. В 1991 году было подтверждено существование «экзопланеты» у звезды HD 114762, но до сих пор не понятно — это все же очень большой юпитер (11 масс) или маленький коричневый карлик. В 1992 году удалось открыть первые «суперземли» — но вокруг пульсаров, очень быстро вращающихся нейтронных звезд. И только в 1995 году аспирант Мишеля Майора Дидье Кело, используя спектрограф ELODIE, установленный на 1,93-метровом рефлекторе Обсерватории Верхнего Прованса во французских Альпах, открыл планету у звезды 51 Пегаса.

Схематическая иллюстрация метода, при помощи которого были обнаружены планеты

ESO

Для этого он использовал метод радиальных скоростей. Если говорить просто, то вращение экзопланеты вокруг звезды вызывает небольшое «качание» звезды по отношению к Земле. Это периодическое движение «от Земли — к Земле» вызывает периодическое «посинение» и «покраснение» света звезды в связи с эффектом Доплера, которое можно заметить на точных спектрографах. Так и была открыта первая экзопланета у «звезды, похожей на Солнце».

Сложно переоценить важность этого открытия — сейчас нам известно более четырех тысяч подтвержденных экзопланет.

И еще один замечательный факт: в 1974 году половину Нобелевской премии по физике получил Энтони Хьюиш — за его «решающую роль в открытии пульсаров». А его аспирантке Джоселин Белл, которая и открыла пульсары, премию не дали, хотя и могли — в тот год премию дали только двоим ученым. В этот раз Нобелевский комитет не совершил ошибки и присудил премию обоим авторам статьи в Nature 1995 года.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.