Астрономия

Выпало черное: «Нобель» — снова астрофизический

Кому и за что присудили Нобелевскую премию по физике 2020 год

Cirone-Musi/Wikimedia Commons/Jan Norden/The Royal Swedish Academy of Science/The Nobel Foundation/Indicator.Ru

Какой вклад внесла религия в изучение черных дыр, как пространство-время связало их и общую теорию относительности Эйнштейна и где в Млечном Пути притаился «тихий остаток некогда бурной фазы» — Indicator.Ru разбирается в хитросплетениях Нобелевки по физике этого года.

Нобелевская премия по физике за 2020 год стала неожиданной. Многие астрономы уже успели порадоваться и удивиться — никто не предсказывал такого вердикта, но тем не менее: второй год подряд премия по физике уходит за исследования, связанные с астрономией, и второй раз подряд она поделена на неравные части — половину получает теоретик, а еще половину делят наблюдатели за астрономическое открытие.

Премия 2020 года связана с одними из самых загадочных, манящих и волнующих объектов во Вселенной — черными дырами (вспомним фильм «Интерстеллар», в создании которого принимал самое деятельное участие еще один недавний лауреат по физике, Кип Торн). Лауреатами этого года стали Роджер Пенроуз, Рейнхард Генцель и Андреа Гез. Роджер Пенроуз получит половину премии с формулировкой «За открытие того, что образование черных дыр предсказывается общей теорией относительности», Генцель и Гез разделили оставшуюся часть «за открытие сверхмассивного объекта в центре нашей Галактики», сообщили представители Нобелевского комитета.

Итак, давайте разберемся, что же сделали лауреаты этого года? Однако сначала — немного истории.

Еще в 1783 году английский астроном и священник Джон Митчелл в своей статье в Philosophical Transactions of the Royal Society подсчитал, что звезда с такой же плотностью, как и Солнце, но радиусом в 500 раз большим будет иметь гравитационное притяжение настолько сильное, что свет не сможет вырваться из этой ямы. Тремя годами позже в своей книге Exposition du Système du Monde Пьер-Симон Лаплас высказал аналогичное предположение независимо от Митчелла.

Прошло более века. 13 января 1916 года, менее чем через два месяца после того, как Эйнштейн завершил свою теорию общей теории относительности, и менее чем за четыре месяца до своей смерти, немецкий астроном Карл Шварцшильд опубликовал решение уравнений поля Эйнштейна, описывающее искривленное пространство-время вокруг сферически симметричной, невращающейся массы.

Астроном и физик Карл Шварцшильд

Wikimedia Commons

Следующие работы в области теории относительности и черных дыр сделали французский математик (и крупный политик) Поль Пенлеве и шведский оптик и нобелевский лауреат по физиологии или медицине Альвар Гунстранд. Нельзя не отметить и работы бельгийского священника и астронома (снова это сочетание!) Жоржа Леметра, автора теории расширяющейся Вселенной.

Но, конечно же, ключевые работы, связавшие теорию относительности и черные дыры, принадлежат Роджеру Пенроузу, британскому математику и физику-теоретику. В середине 1960-х годов Пенроуз, тогда достаточно молодой ученый, опубликовал ряд статей, самой главной из которых стала работа 1965 года «Гравитационный коллапс и сингулярности пространства-времени», опубликованная в Physical Review Letters. В этой работе Пенроуз строго показал, что черные дыры могут образовываться в результате гравитационного коллапса массивных звезд и главный итог этого процесса — возникновение той самой сингулярности пространства-времени в черной дыре. Статья в Physical Review Letters сейчас считается одной из самых важных статей как в астрофизике, так и в развитии общей теории относительности.

Нужно отметить, что Пенроуз знаменит не только этой работой. Он вообще всегда и во всем «выбивался из ряда», начав с того, что не продолжил семейную медицинскую традицию. Многие знают его геометрические иллюзии и «невозможные фигуры» (треугольник Пенроуза с тремя прямыми углами), его работы в области линейной алгебры, его теорию твисторов. Кстати, как многие великие ученые, в последнее время Роджер Пенроуз направил свои усилия и в область нейронаук. Тем, кто занимается мозгом, хорошо знакома теория квантового сознания Пенроуза.

Треугольник Пенроуза, придуманный и популяризированный им вместе с его отцом Лионелем

Tobias R/Wikimedia Commons

Cтав нобелиатом в 2020 году, Пенроуз разделил с изобретателем электронного микроскопа Эрнстом Руской сомнительное второе место среди «долгождателей» премии — за свою работу он получил награду через 55 лет. На год больше ждал премии первооткрыватель онкогенных вирусов Френсис Пейтон Роус.

Вторая часть премии тоже посвящена черным дырам, но совсем другим. Речь идет о сверхмассивных черных дырах, огромных компактных объектах, существующих в центрах галактик. Массы этих черных дыр могут достигать миллионов и миллиардов масс Солнца, а то, как они образуются, до конца до сих пор не понятно.

Об их существовании заговорили тоже в 1960-е годы, после открытия квазаров. В 1964 году американский астрофизик Эдвин Солпитер и годом позже его советский коллега Яков Зельдович показали, что некий компактный и сверхмассивный объект в центре галактик мог бы объяснить свойства квазаров (две ключевые статьи по квазарам, показавшим их внегалактическое расположение, были опубликованы в 1963 году в Nature).

Уточненное теоретическое описание этого феномена было представлено Дональдом Линденом-Беллом в 1969 году, который также предположил, что многие, если не большинство, галактик обладают массивной черной дырой в центре — и представляют собой «тихий остаток некогда бурной квазарной фазы». Млечный Путь должен был тоже содержать такую гигантскую сверхмассивную черную дыру. Оставалось ее обнаружить.

Райнхард Генцель из Института внеземной физики Общества Макса Планка и Андреа Гез из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе занялись этой проблемой в 1990-е годы. Они использовали самые мощные на то время телескопы, чтобы следить за траекториями самых близких к центру Млечного Пути звезд. Группа Генцеля работала с инструментами Европейской южной обсерватории в Чили, группа Гез — с двумя десятиметровыми телескопами Обсерватории Кека на Гавайях.

В 2000-е годы, когда на телескопах Кека поставили адаптивную оптику, а в Чили заработали четыре «восьмиметровика» Очень большого телескопа с такой же адаптивной оптикой, исправляющей атмосферные искажения, наблюдения Генцеля и Гез продолжились с еще большей точностью, которая дала возможность сделать вывод: в центре нашей Галактики находится сверхмассивная черная дыра.

Один из снимков звезд в центре Млечного Пути

The Royal Swedish Academy of Sciences

Дальнейшее подкрепление этого вывода исходило из того факта, что вспышки в ближнем инфракрасном и рентгеновском диапазонах наблюдаются из одного и того же положения, что, естественно, можно объяснить вариациями аккреционного потока в направлении массивной черной дыры.

Arrows-left
Arrows-right
Reload
1 / 2

Суммарный график наблюдений звезд около центра Млечного Пути с 1992 по 2008 годы

Фото: The Royal Swedish Academy of Sciences

К слову, наблюдения за траекториями звезд и сверхмассивной черной дырой в центре Галактики продолжаются: несколько лет назад на VLT в Чили заработал интерферометрический прибор GRAVITY. Генцель был одним из его главных авторов.

Нынешняя Нобелевская премия по физике еще раз подчеркивает то важнейшее место, которое занимают астрономия и астрофизика в современных физических науках: за последние четыре года (2017–2020) три Нобелевки были присуждены за исследования именно в этой области.

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.