Нобелевскую премию по физике в 2020 году разделили между тремя учеными. Половину премии получит известный физик-теоретик Роджер Пенроуз, остальное поделят поровну между астрономами Райнхардом Генцелем и Андреей Гез. В формулировке Нобелевского комитета Пенроуз награжден за «открытие того, что образование черных дыр является точным предсказанием общей теории относительности», а Генцель и Гез — за «открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики». О том, как связаны работы теоретика и наблюдателей и как удалось разглядеть в центре Млечного пути этот «сверхмассивный объект», рассказывает физик Артем Коржиманов, сотрудник Института прикладной физики РАН и автор научно-популярного телеграм-канала @physh.
Премия второй год подряд вручена за достижения в области астрофизики — в прошлом году отметили открытие планет, обращающихся вокруг далеких звезд. Можно вспомнить, более того, что всего три года назад лауреатами стали астрофизики, впервые зарегистрировавшие гравитационные волны от слияния черных дыр.
Еще одна характерная особенность — работы, за которые присудили премию, опубликованы очень давно. Основополагающая статья Пенроуза о черных дырах датирована 1965 годом! Сам ученый два месяца назад отметил 89-летие. Два других лауреата моложе, но и их наблюдения, приведшие к вручению премии, были проведены еще в 1990-х годах.
Тем не менее, теоретическое предсказание существования черных дыр и непосредственное наблюдение космических объектов, обладающих 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 внес каждый из лауреатов?
Как зародилась идея черных 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 узнает от известного космолога Джона Уилера о черных дырах и тех проблемах, которые возникают при их математическом описании, и начинает ими заниматься.
Вообще, идея существования объектов столь массивных, что силу их притяжения не может преодолеть даже свет, по меркам современной физики довольно стара. Еще в XVII веке ее 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 (ОТО). Именно она сейчас считается базовой 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 черную дыру.
В дальнейшие годы проблема существования черных дыр не привлекала большого внимания, хотя в этом направлении и были получены отдельные интересные результаты. Но их фундаментальная слабость заключалась в том, что все они были получены в простейших идеализированных случаях, и многие ученые сомневались, что формирование черной дыры в реальности вообще возможно.
Как Пенроуз сделал черные дыры реальными
Тем временем в начале 1960-х годов были открыты удивительные космические объекты, получившие название квазаров. Их яркость, по оценкам астрономов, должна была превышать яркость тысяч галактик — и хотя мы их не видим невооруженным глазом на звездном небе, так происходит только потому, что они находятся от Земли на огромном расстоянии, где-то ближе к краю видимой Вселенной. Было сразу ясно, что такой яркий объект, как квазар, не может быть простой звездой. По одной простой причине — чем ярче звезда, тем короче ее жизнь. Большая и яркая звезда очень быстро сжигает весь свой запас водорода, необходимого для термоядерного горения. Застать «в живых» звезду с яркостью квазара было бы совершенно невозможно, поэтому для объяснения феноменальной яркости квазаров была выдвинута гипотеза, согласно которой квазары на самом деле представляют собой черные дыры сверхбольшой массы. Поглощая окружающее их вещество, они выбрасывают часть энергии этого вещества в виде ярких потоков излучения.
Именно в связи с этой гипотезой ученые вернулись к проблеме более строгого математического обоснования возможности формирования черных дыр. И именно Роджеру Пенроузу удалось ее решить. Применив хитроумный математический аппарат, он показал, что уравнения общей теории относительности Эйнштейна действительно имеют решения, описывающие формирование черных дыр даже в далеких от идеальных условиях. Это доказательство, вкупе с наблюдением квазаров, убедило большинство астрофизиков в реальности существования подобных экзотических объектов, которое недавно было еще раз подтверждено наблюдением за гравитационными волнами. Собственно, и сам термин «черная дыра» прочно вошел в обиход только после этих работ.
Как найти черную дыру?
Вскоре после открытия квазаров была выдвинута гипотеза, что сверхмассивные черные дыры существуют не только в каких-то далеких галактиках, но и в центре почти любой из них. В том числе и той галактики, в которой живем мы, — Млечного пути. Их масса не так велика, как масса квазаров, они не поглощают окружающее вещество с такой бешеной скоростью, поэтому они не видны в простом наблюдении. Но как тогда их обнаружить?
Разрешающей силы телескопов до самого последнего времени никак не хватало, чтобы попытаться напрямую разглядеть окрестности даже самых больших черных дыр. Только с запуском сети телескопов Event Horizon Telescope в прошлом году удалось наконец получить изображение «тени черной дыры».
Группы во главе с Райнхардом Генцелем и Андреей Гез обнаружили черную дыру в нашем Млечном пути, действуя другим — косвенным, но надежным — методом. Они решили измерить скорость движения звезд, вращающихся на небольшом расстоянии вокруг центра нашей галактики. Этот центр астрономы по историческим причинам называют объектом Стрелец A* («Стрелец А со звездочкой»). Если в нем имеется относительно небольшой массивный объект, то скорость вращающихся вокруг него звезд должна быть чем дальше, тем ниже. Это следует из хорошо известных законов Кеплера и интуитивно понятно из того, как скорость планет в Солнечной системы падает по мере движения от центра к периферии. Если же в центре Млечного пути нет компактного объекта, а вся масса вещества распределена по большому объему, то скорость звезд менялась бы с расстоянием совершенно иначе.
Первая проблема с подобным наблюдением заключается в том, что в центре галактики находится очень много звезд и еще больше межзвездного газа и пыли. То есть этот центр просто очень плохо виден. Решить эту проблему удалось, проводя наблюдения не в видимом свете, а в инфракрасном диапазоне — такие волны значительно слабее поглощаются межзвездным веществом (но, к сожалению, хорошо поглощаются атмосферой, что затрудняет их наблюдение).
Другая проблема заключалась в том, что звезды двигаются по небу медленно, и чтобы измерить их скорости, наблюдать за ними надо долго. Это делает наблюдения с помощью космических телескопов, например, знаменитого телескопа «Хаббл», непрактичными — ведь другие наблюдения тоже требуют времени. По этой причине пришлось использовать именно наземные телескопы.
Но с наземными телескопами есть еще одна дополнительная неприятность: им мешает атмосфера Земли. Когда астрономы пытаются рассмотреть мелкие детали на небе, то даже небольшие колебания воздуха, вызванные ветрами или неравномерным нагревом, приводят к сильным искажениям картинки. Именно решение этой технической проблемы и привело группы Гензеля и Гез к открытию, отмеченному Нобелевским комитетом.
