Далекая, необъемлемая, трудно представимая и будоражащая воображение наша Вселенная хранит ещё много тайн, которые с развитием исследовательской аппаратуры понемногу раскрываются.
6 октября 2020 года Нобелевская ассамблея Королевский Академии наук Швеции назвала имена новых обладателей ежегодной премии по физике.
Три лауреата получили в этом году Нобелевскую премию за открытия, связанные с одним из самых необычных явлений во Вселенной — черной дырой. Роджер Пенроуз показал, что общая теория относительности (ОТО) предсказывает образование черных дыр. Райнхард Генцель и Андреа Гез
(4 -я женщина в истории Нобелевской премии) обнаружили, что невидимый и чрезвычайно тяжелый объект управляет орбитами звезд в центре нашей галактики. Сверхмассивная черная дыра* — единственное известное объяснение.
Сверхмассивная черная дыра — это такая черная дыра, масса которой составляет от 10 в 5 степени до 10 в 11 степени масс Солнца.
Начнем с предыстории исследовательского пути Пенроуза. Одно время космологи допускали, что сингулярности (ситуации, когда коэффициенты в метрике пространства-времени теряли непрерывность и становились бесконечными) свойственны только самым упорядоченным моделям. Но что в сферической системе координат, что в анизотропной (разные направления имеют разные свойства), сингулярные решения возникали. Это позволяло предположить, что рождение космологической сингулярности может оказаться следствием самих уравнений ОТО. В 1963 году профессором Чарльз Мизнер в своей статье предложил отойти от традиционного понимания сингулярностей как точек или областей пространства-времени, где плотность материи или иные физические величины становятся бесконечными. По Мизнеру, сингулярностью следует считать ситуацию, когда движение назад во времени по траектории частицы или кванта неизбежно приводит к начальной точке, за которой уже нет ни времени, ни пространства.
Мизнеровский подход использовал и Пенроуз в своей знаменитой работе. Он заинтересовался космологией, можно сказать, случайно — когда-то его друг привлек его внимание к проблеме космологических сингулярностей, хотя ранее интересы Роджера Пенроуза фокусировались на алгебраической геометрии. Результатом стала статья «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности», законченная в самом конце 1964 года (R. Penrose, 1965. Gravitational collapse and space-time singularities). Она и привела молодого на тот момент математика к полученной через 55 лет Нобелевской премии.
Ключевые выводы автора представлены на единственной, но очень значимой диаграмме в статье.
Диаграмма иллюстрирует формирование сингулярности при сферически симметричном гравитационном коллапсе материи (аналогичная ситуация будет наблюдаться и при отсутствии симметрии). Время «течет» вдоль вертикальной оси, два других измерения (на диаграмме показана двумерная проекция трехмерного рисунка) символизируют пространственные измерения. Сингулярность расположена на прямой r=0, цилиндр r=2m-r=2m изображает область внутри горизонта событий. Световые лучи на этой диаграмме уходят за горизонт событий под углом 45° к вертикали. Также изображены изменения ориентации световых конусов при переходе под горизонт событий и приближении к сингулярности.
Пенроуз показал, что по крайней мере отдельные траектории частиц или световых квантов, которые «сваливаются» внутрь коллапсирующего объекта, обязательно дойдут до точки, за которую их нельзя будут продолжить. По Мизнеру это и означает возникновение сингулярности. При этом не требуется, чтобы коллапсирующий объект был наделен какими-то особыми симметриями. Это и означало, что рождение сингулярности диктуется фундаментальными уравнениями ОТО.
Теперь поговорим о сверхмассивной черной дыре. Первые сведения о черной дыре в центре нашей Галактики были получены еще в 1930-х годах. Именно тогда американский радиоинженер и отец-основатель радиоастрономии Карл Янский обнаружил в районе созвездия Стрельца источник космического радиоизлучения. Он получил название Стрелец A. Постепенно радиоастрономы выяснили, что Стрелец A имеет четкую пространственную структуру. В частности, в центре его западной зоны был детектирован практически точечный источник радиоволн, известный как Стрелец A* (Sgr*). В пределах одной угловой секунды от источника астрономы обнаружили большую группу звезд, известную как S-кластер. Как показали многолетние наблюдения, они движутся по эллиптическим траекториям. Оказалось, что звездные скорости с хорошей точностью обратно пропорциональны квадратному корню от их дистанции до Стрелец A*. Именно этого следует ожидать, если предположить, что Стрелец A* содержит источник гравитационного поля очень малых размеров, а звезды из S-кластера обращаются вокруг него в соответствии с законами Кеплера. Анализ кинематики этих звезд позволил вычислить и массу этого источника, приблизительно равную четырем миллионам масс Солнца. Сейчас все специалисты уверены, что он не может быть ничем иным, кроме как черной дырой.
![Композитное изображение центральной области Млечного Пути. Положение центральной черной дыры показано оранжевым крестом. Хорошо видно, насколько высока плотность звезд вокруг нее [2]](https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/3930378/pub_5f8dd298d95e5c3d0b1d785e_5f8dd32ab5e4d5370eb823bf/scale_1200)
Рейнхард Генцель и Андреа Гез возглавляли две группы астрономов, которые около трех десятилетий отслеживали светила S-кластера. Группа Генцеля работала на телескопах Европейской Южной обсерватории в Чили, а их американские коллеги использовали телескопы Обсерватории Кека. Поскольку видимый свет от этих звезд не доходит до Земли, обе группы собирали информацию в ближнем инфракрасном диапазоне на длине волны 2,2 микрометра. Используя системы адаптивной оптики они смогли получить фотографии звезд и спектрограммы их излучения. Однако технически эти наблюдения были крайне сложны из-за незначительного количества фотонов (в данном случае, инфракрасных), которые пробиваются к Земле через газопылевые скопления, экранирующие центр Галактики, растянувшихся на три десятилетия. Эта информация, полученная в течение трех десятилетий, стала основой выводов о существовании сверхмассивных объектов. Шведские академики сочли достижения Райнхарда Генцеля и Андреа Гез достойными Нобелевской премии.
Реконструировав параметры траекторий ряда небесных тел по многолетним наблюдениям их положений на небесной сфере, ученые вычислили массу центрального объекта, вокруг которого эти тела обращаются по замкнутым орбитам. Это максимально точная на сегодняшний день оценка массы черной дыры. Это открытие стало поистине торжеством астрономии.
Источники информации:
1)https://elementy.ru/novosti_nauki/433714/Nobelevskaya_premiya_po_fizike_2020 — дата обращения 14.10.2020.
2) eso.org — дата обращения 15.10.2020.
3) arstechnica.com — дата обращения 15.10.2020.
АВТОР СТАТЬИ:
Вера Погудина - студентка Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого