Через тернии к черным дырам. Кому и за что дали Нобелевскую премию по физике в этом году

В этом году Нобелевскую премию в области физики дали за исследования, связанные с черными дырами — одним из самых экзотических, как их называет Нобелевский комитет, классов объектов во Вселенной. Половина премии достанется 89-летнему британскому математику и физику Роджеру Пенроузу. А вторую между собой поделят 68-летний Райнхард Генцель из Германии и 55-летняя Андреа Гез из США.

Если говорить в более общих чертах, то исследования этих ученых объясняют чрезвычайно сложную природу черных дыр, а также указывают конкретное место в нашем уголке Вселенной, где расположен один из таких объектов.

Где заканчиваются время и пространство

Роджер Пенроуз, по формулировке Нобелевского комитета, открыл, «что возникновение черных дыр достоверно предсказано Общей теорией относительности». Это та самая теория, которую в 1915 году опубликовал Альберт Эйнштейн.

Она заставила совершенно по-новому взглянуть на природу гравитации — того самого явления, которое скрепляет нашу Вселенную. Именно благодаря гравитации из пыли рождаются звезды, она же является причиной их гибели — гравитационного коллапса.

Мощная гравитация, порожденная большой массой, деформирует пространство и замедляет течение времени. А очень большая масса может даже «отсечь и инкапсулировать» фрагмент пространства — так образуется черная дыра.

Эти вещи сложны для понимания в бытовых терминах, которыми мыслит абсолютное большинство из нас. Но ученые доказали их не просто теоретически, но и экспериментально. Например, три года назад Нобелевскую премию по физике дали за обнаружение гравитационных волн при слиянии двух черных дыр. Их существование вытекает из той же самой знаменитой теории.

Возвращаясь к черным дырам, следует сказать, что в их существование как реальных объектов во Вселенной сам Эйнштейн не слишком верил. Но это не мешало ученым решать сложные математические уравнения, из которых теоретически следовало существование черных дыр в некой идеальной Вселенной.

Так было до 1960-х годов. Но в 1963-м были открыты квазары — очень удаленные от нас объекты (они находятся в миллиардах световых лет от нашей Галактики) с чрезвычайно мощным излучением. Наиболее логичное объяснение природы этих новых объектов предполагало существование черных дыр — вполне реальных, а не математических. Сегодня мы уже знаем, что в квазарах действительно есть сверхмассивные черные дыры, поглощающие окружающее их вещество.

Заслуга Роджера Пенроуза заключается в том, что он с математической точки зрения описал черные дыры, какими они есть в реальной Вселенной. Благодаря его работе выяснилось, что у них внутри находится сингулярность — определенное состояние, где заканчиваются время и пространство. Сегодня нет физических теорий, которые могут объяснить феномен сингулярности. Считается, что вклад Роджера Пенроуза в наше понимание Общей теории относительности является крупнейшим со времен Альберта Эйнштейна.

В центре нашей Галактики

Двое других лауреатов — Райнхард Генцель и Андреа Гез работали порознь, но решали одну и ту же задачу. Они исследовали Стрелец A* (Sagittarius A*) и его космические окрестности. Так называется астрономический объект — источник радиоизлучения, расположенный в 26 тысячах световых лет от нас, в центре нашей Галактики. Это означает, что вся наша Галактика вращается вокруг него.

Почти до самого конца прошлого века не было технологий, позволяющих достаточно хорошо разглядеть эту область космоса, скрытую за облаками пыли. Но появление мощных оптических телескопов и других технологий позволили решить эту задачу.

Райнхард Генцель вместе с коллегами работал на «Очень большом телескопе» (Very Large Telescope, VLT). Это, на самом деле, комплекс из четырех телескопов, установленный в чилийской обсерватории Паранал. Каждый из этих телескопов имеет зеркало диаметром более 8 метров.

Андреа Гез со своей командой работала в обсерватории Кека, расположенной на вершине Мауна Кеа на Гавайях. Здесь есть два телескопа с зеркалами диаметром более 10 метров каждое.

В течение нескольких десятилетий эти группы ученых наблюдали за движением звезд в окрестностях центра галактики. Одна из них — S2 (или S0-2) расположена на расстоянии всего 17 световых часов от Стрельца A* (это очень близко в галактических масштабах). Она всего за 16 лет сделала полный оборот вокруг Стрельца A*. Для сравнения, нашему Солнцу, что сделать свой оборот вокруг центра Галактики, требуется 200 миллионов лет.

Очень точные наблюдения за этой и другими звездами позволили исследователям вычислить, что Стрелец A* по массе равен примерно 4 миллионам наших Солнц, а его размер не превышает размера Солнечной системы. Исходя из всего, что нам сегодня известно, можно сделать вывод, что такой объект может быть только сверхмассивной черной дырой. Важно, что наблюдения, на основе которых были сделаны эти расчеты, проводились независимо двумя группами, и они совпали. Таким образом, сомнений в их правильности быть не может.

В прошлом году — тоже за исследования космоса

В 2019 году Нобелевскую премию по физике поделили между собой трое ученых за две разных темы, также связанные с исследованием космоса. Одну половину досталась Мишель Майор (Швейцария) и Дидье Кело (Швейцария и Великобритания), которые в середине 1990-х годов открыли первую экзопланету (планету, относящуюся к другой, не нашей звездной системе). Это был один из так называемых “горячих юпитеров” (массивные газовые гиганты, расположенные вблизи звезд), вращающийся вокруг звезды «51 Пегаса», удаленной на 50 световых лет от нас. Вслед за ней в течение следующей четверти века были открыты тысячи экзопланет, и постоянно открываются новые.

Вторая половина премии в прошлом году досталась Джеймсу Пиблзу (США), который исследует свойства так называемого реликтового излучения, образовавшегося вскоре после Большого взрыва. Именно его работы в конечном итоге позволили понять, что мы живем во Вселенной, который на 95% состоит из темной материи и темной энергии и только на 5% — из обычной материи, которую мы видим вокруг и из которой состоим мы сами.

Кто еще получал Нобелевку по физике

В этом году Нобелевская премия по физике — 114-я в истории. До 2020 года ее получили 212 исследователей. Причем американский ученый Джон Бардин получил ее дважды — в 1956-м и 1972-м годах. Мария Кюри также получила Нобелевскую премию дважды, но в разных номинациях — по физике и химии.

Самым молодым в истории лауреатом премии по физике стал Уильям Лоренс Брэгг. Ему было 25 лет, когда в 1915 году он вместе со своим отцом, Уильямом Генри Брэггом, получил ее «за заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей».

Старейшим лауреатом стал Артур Эшкин. В 2018 году ему было 96 лет, когда он получил премию «за разработку лазерного пинцета и его использование в биологических системах». Ученый умер совсем недавно — 21 сентября в 98-летнем возрасте.

Женщины четыре раза в истории награждались Нобелевской премией по физике, считая нынешнего лауреата Андреу Гез. Мария Кюри в 1903-м получила премию «за выдающиеся заслуги в совместных исследованиях явлений радиации». Марию Гёпперт-Майер наградили в 1963 году «за открытия, касающиеся оболочечной структуры атомного ядра». А в 2018 году ее удостоилась Донна Стрикленд «за разработку методов генерации высокоэффективных ультракоротких оптических импульсов».