banner banner banner banner

Самые темные секреты космоса. За что дали Нобелевскую премию по физике 2020

Эйнштейн считал предсказание их существования ошибкой в своих расчетах, но его последователям все же удалось доказать – черные дыры существуют на самом деле

Самые темные секреты космоса. За что дали Нобелевскую премию по физике 2020
Роджер Пенроуз, Рейнхард Гензель, Андреа Гез Фото из открытых источников

Эйнштейн считал предсказание их существования ошибкой в своих расчетах, но его последователям все же удалось доказать – черные дыры существуют на самом деле

Во второй день Нобелевской недели, который в этом году выпал на 6 октября, в Стокгольме традиционно объявляют лауреатов награды в области физики. В этом году ее получили британец Роджер Пенроуз, а также немец Рейнхард Гензель и американка Андреа Гез. Все они трудились над исследованиями загадочных космических объектов – черных дыр. Пенроуз получит половину награду "за открытие, что образование черных дыр является надежным предсказанием общей теории относительности". Вторую половину разделят Генцель и Гец "за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики". Приводим вольный перевод пояснения Нобелевского комитета, за что именно были отмечены эти ученые.

В этом году Нобелевскую премию по физике разделили трое ученых, сделавших открытия, касающиеся одного из самых экзотических явлений во Вселенной – черной дыры. Роджер Пенроуз показал, что черные дыры являются прямым следствием общей теории относительности. А Рейнхард Гензель и Андреа Гез обнаружили, что невидимый и чрезвычайно тяжелый объект управляет орбитами звезд в центре нашей галактики – Млечного Пути. Сверхмассивная черная дыра – единственное известное сегодня тому объяснение.

Роджер Пенроуз разработал неординарные математические методы для исследования общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Он показал, что теория приводит к образованию черных дыр – монстров пространства-времени, которые захватывают все, что в них попадает. Ничто, даже свет, не может сбежать.

Рейнхард Гензель и Андреа Гез отдельно возглавляли каждый свою группу астрономов, которые с начала 1990-х годов сосредоточили внимание на области в центре нашей галактики – Млечного Пути. С возрастающей точностью они нанесли на карту орбиты самых ярких звезд, расположенных ближе всего к центру. Обе группы обнаружили что-то невидимое и тяжелое, что заставляло эту кучу звезд вращаться вокруг себя. Масса этого невидимого объекта составляет порядка четырех миллионов солнечных масс, при этом он сжат до размеров, не превышающих Солнечную систему, в которой живем мы. И что именно может заставлять звезды в центре Млечного Пути вращаться с такими поразительными скоростями? Согласно нынешней теории гравитации, кандидат только один – сверхмассивная черная дыра.

Прорыв за пределы идей Эйнштейна

Даже отец общей теории относительности, выдающийся физик Альберт Эйнштейн не думал, что черные дыры могут существовать на самом деле. Однако через десять лет после смерти Эйнштейна в 1955 году британский теоретик Роджер Пенроуз продемонстрировал, что черные дыры могут образовываться, и описал их свойства. Внутри себя черные дыры скрывают сингулярность, на границе которой нарушаются все известные законы природы

Чтобы доказать, что образование черных дыр – это стабильный процесс, Пенроузу потребовалось расширить методы, используемые для изучения теории относительности, научиться решать проблемы теории с помощью новых математических концепций. Прорывная статья Пенроуза была опубликована в январе 1965 года и до сих пор считается самым важным вкладом в общую теорию относительности со времен самого Эйнштейна.

Гравитация держит Вселенную в своих руках

Черные дыры – это, пожалуй, самое странное следствие общей теории относительности. Когда Альберт Эйнштейн представил свою теорию в ноябре 1915 года, она перевернула все предыдущие концепции пространства и времени. Теория дала совершенно новые основания для понимания гравитации, которая формирует Вселенную в полном масштабе. С тех пор эта теория стала основой для всех исследований Вселенной, а также нашла практическое применение в одном из наших наиболее распространенных навигационных инструментов – системе позиционирования GPS.

Теория Эйнштейна описывает, как все во Вселенной находится во власти гравитации. Гравитация удерживает нас на поверхности Земли, она же управляет орбитами планет вокруг Солнца и орбитой Солнца вокруг центра Млечного Пути. Она приводит к рождению звезд из межзвездных облаков и, в конечном итоге, к их гибели в результате гравитационного коллапса. Гравитация придает форму пространству и влияет на течение времени. Большая масса искривляет пространство и замедляет время; чрезвычайно большая масса может даже вырезать и заключить в своеобразную капсулу участок космоса, образуя черную дыру.

Первое теоретическое описание того, что мы сейчас называем черной дырой, появилось всего через несколько недель после публикации общей теории относительности. Несмотря на чрезвычайную сложность математических уравнений теории, немецкий астрофизик Карл Шварцшильд смог представить Эйнштейну решение, описывающее, как тяжелые массы могут искривлять пространство-время.

Более поздние исследования показали, что после образования черную дыру начинает окружать горизонт событий. Он охватывает массу в ее центре, как занавес. Черная дыра навсегда остается скрытой внутри своего горизонта событий. Чем больше масса, тем больше черная дыра и ее горизонт. Для массы, эквивалентной Солнцу, горизонт событий имеет диаметр почти три километра, а для массы, подобной массе Земли, его диаметр составляет всего девять миллиметров.

Решение вне совершенства

Концепция "черной дыры" обрела новое значение во многих формах культурного самовыражения (взять хотя бы фильм Кристофера Нолана "Интерстеллар"), но для физиков черные дыры являются естественной конечной точкой эволюции гигантских звезд. Первый расчет коллапса массивной звезды был произведен в конце 1930-х годов физиком Робертом Оппенгеймером, который позже руководил Манхэттенским проектом по созданию первой атомной бомбы. Когда у гигантских звезд, чья масса во много раз превосходит массу Солнца, заканчивается топливо, они сперва взрываются, как сверхновые, а затем коллапсируют в чрезвычайно плотные останки с настолько большой массой, что их гравитация начинает притягивать все и засасывать внутрь, даже свет.

Идея "темных звезд" рассматривалась еще в конце 18 века в трудах британского философа и математика Джона Мичелла, ее высказывал также французский ученый Пьер Симон де Лаплас. Оба рассуждали, что небесные тела могут быть настолько плотными, что станут невидимыми – даже скорость света будет недостаточной, чтобы избежать их гравитации.

Чуть более века спустя, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, некоторые решения особо сложных уравнений теории описывали именно такие темные звезды. Вплоть до 1960-х годов эти решения рассматривались как чисто теоретические предположения, описывающие идеальные ситуации, в которых звезды и их черные дыры были бы идеально круглыми и симметричными. Но во Вселенной нет ничего идеального, и Роджер Пенроуз был первым, кто успешно нашел реалистичное решение для всей коллапсирующей материи с ее впадинами, ямками и естественными несовершенствами.

Загадка квазаров

Вопрос о существовании черных дыр вновь возник в 1963 году, вместе с открытием квазаров – самых ярких объектов во Вселенной. В течение почти десятка лет астрономов озадачивало радиоизлучение от загадочных источников, таких как объект 3C 273 в созвездии Девы. Излучение в видимом свете наконец показало его истинное местонахождение. Оказалось, что 3C 273 находится так далеко, что лучи от него доходят до Земли за более чем миллиард лет.

Это значит, что, если источник света находится на таком огромном расстоянии, он должен иметь интенсивность, равную свету нескольких сотен галактик. Объект получил название "квазар" (quasi-stellar – квазизвездный, похожий на звезду). Вскоре астрономы открыли квазары, которые были настолько удалены от Земли, что испускаемое ими излучение должно было возникнуть в самые ранние периоды существования Вселенной. Откуда же происходило это невероятное излучение? Существует только один способ получить столько энергии в ограниченном объеме квазара – из вещества, падающего в массивную черную дыру.

Захваченные поверхности дают ключ к разгадке

Могут ли черные дыры образовываться в реальных условиях – это вопрос, который озадачил английского математика и физика Роджера Пенроуза. По его воспоминаниям, ответ на него пришел ему осенью 1964 года во время того, как ученый прогуливался с коллегой. Пенроуз тогда был профессором математики в лондонском колледже Биркбек. Ученые на какой-то момент прервали беседу, чтобы перейти дорогу, и в этот момент Пенроуза осенило. Он отложил пришедшую мысль, чтобы обдумать ее позже в тот же день. Своей идее ученый дал название "захваченная поверхность", и она оказалась тем самым ключом, который он бессознательно искал уже долгое время – важным математическим инструментом, необходимым для описания черной дыры.

Захваченная поверхность заставляет все лучи указывать в центр, независимо от того, изгибается ли она наружу или внутрь. Используя захваченные поверхности, Пенроуз смог доказать, что черная дыра всегда таит в себе сингулярность – предел, за которым заканчиваются пространство и время. Ее плотность бесконечна, и пока не существует теории для того, чтобы подойти к этому страннейшему явлению в физике.

Захваченные поверхности стали центральным понятием, которое дополнило и завершило теорему о сингулярности Пенроуза. Топологические методы, которые он ввел, теперь неоценимы в изучении нашей искривленной Вселенной.

Одностороннее движение к концу времен

Когда материя начинает коллапсировать и образуется захваченная поверхность, ничто не может остановить этот коллапс. Пути назад нет, как в истории, рассказанной индийским физиком и лауреатом Нобелевской премии Субраманьяном Чандрасекаром. Это история о стрекозах и их личинках, которые живут под водой – их Чандрасекар наблюдал в детстве. Когда личинка готова расправить крылья, она словно обещает рассказать своим друзьям, на что похожа жизнь по ту сторону водной поверхности. Но как только личинка проходит через поверхность и улетает, превратившись в стрекозу, пути назад уже нет. Личинки в воде никогда не услышат истории о жизни на другой стороне поверхности.

Точно так же вся материя может пересекать горизонт событий черной дыры только в одном направлении. Затем время заменяет пространство, и все возможные пути ведут только внутрь, поток времени несет все к неизбежному концу в сингулярности. Вы ничего не почувствуете, если упадете за горизонт событий сверхмассивной черной дыры. Со стороны никто не увидит, как вы падаете, и ваше путешествие к горизонту будет продолжаться вечно. Заглянуть в черную дыру невозможно по законам физики – черные дыры скрывают все свои секреты за горизонтом событий.

Черные дыры управляют путями звезд

Хотя мы не можем видеть черную дыру, установить ее свойства возможно, наблюдая за тем, как ее колоссальная гравитация направляет движение окружающих звезд.

Рейнхард Гензель и Андреа Гез возглавляют независимые друг от друга исследовательские группы, исследующие центр нашей галактики, имеющей название Млечный Путь. Имея форму толстого диска диаметром около 100 000 световых лет, галактика, в которой мы живем, состоит из газа и пыли и нескольких сотен миллиардов звезд. Одна из таких звезд – наше Солнце. Если наблюдать Млечный путь с Земли, гигантские облака из межзвездных газа и пыли закрывают большую часть видимого света, исходящего из центра галактики. Впервые заглянуть в него ученым позволили инфракрасные телескопы и радиотехнологии.

Используя орбиты звезд в качестве ориентира, Гензель и Гез предоставили наиболее убедительные доказательства того, что в самом центре Млечного Пути скрывается невидимый сверхмассивный объект. Единственно возможное его описание – это черная дыра.

Фокус на центре

Более пятидесяти лет физики предполагали, что в центре Млечного Пути может находиться черная дыра. С момента открытия квазаров в начале 1960-х годов, ученые пришли к выводу, что сверхмассивные черные дыры могут быть обнаружены внутри большинства крупных галактик, включая Млечный Путь. Однако в настоящее время никто не может объяснить, как образовались галактики и их черные дыры с массой от нескольких миллионов до многих миллиардов солнечных масс.

Сто лет назад американский астроном Харлоу Шепли первым определил центр Млечного Пути в направлении созвездия Стрельца. Позднее астрономы обнаружили там сильный источник радиоволн, которому дали название Стрелец A*. К концу 1960-х стало ясно, что Стрелец A* занимает центр Млечного Пути, вокруг которого вращаются все звезды галактики.

Лишь в конце девяностых большие телескопы и более мощное оборудование позволили наблюдать и исследовать Стрелец A* более систематически. Рейнхард Гензель и Андреа Гез запустили проекты, целью которых было увидеть сквозь облака пыли сердце Млечного Пути. Вместе со своими группами они разработали и усовершенствовали методы, создав уникальные инструменты и посвятив себя долгосрочным исследованиям.

Чтобы смотреть на далекие звезды нужны самые большие телескопы – чем больше, тем лучше. Немецкий астроном Рейнхард Гензель и его группа первоначально использовали New Technology Telescope (NTT), расположенный на горе Ла Силья в Чили. А позднее перебрались на еще больший Very Large Telescope (VLT) на горе Серро-Параналь также в Чили. Четыре телескопа здешней обсерватории вдвое превосходят размерами NTT и оснащены самыми большими в мире монолитными зеркалами, каждое диаметром более 8 метров.

Американская исследовательская группа во главе с Андреа Гез базировалась в обсерватории Кека, расположенной на гавайской горе Мауна-Кеа. Зеркала ее телескопов имеют диаметр почти 10 метров и в настоящее время являются одними из самых больших в мире. Каждое зеркало похоже на соты, состоящие из 36 шестиугольных сегментов, которыми можно управлять отдельно, чтобы лучше фокусировать звездный свет.

Звезды указывают путь

Впрочем, какими бы большими ни были телескопы, всегда есть предел из разрешения, поскольку мы живем на дне атмосферного моря глубиной почти 100 километров. Большие пузырьки воздуха над телескопом, которые горячее или холоднее окружающей среды, действуют как линзы и преломляют свет на пути к зеркалу телескопа, искажая световые волны. Вот почему с точки зрения землян звезды мерцают, а их изображения так размыты.

Появление адаптивной оптики сыграло решающую роль в совершенствовании астрономических наблюдений. Теперь телескопы оснащены дополнительным тонким зеркалом, которое компенсирует турбулентность воздуха и исправляет искаженное изображение.

В течение почти тридцати лет Рейнхард Гензель и Андреа Гез следили за звездами в самом центре нашей галактики. Они продолжают развивать и совершенствовать эту технологию при помощи более чувствительных цифровых световых сенсоров и лучшей адаптивной оптики, благодаря чему разрешение изображений улучшилось более чем в тысячу раз. Теперь исследователи могут более точно определять положение звезд, следя за ними ночь за ночью.

Ученые отслеживают около тридцати самых ярких звезд из всего множества. Наиболее быстро звезды движутся в радиусе одного светового месяца от центра галактики. Внутри этого участка их напряженное движение напоминает танец пчелиного роя. С другой стороны от этого условного предела звезды следуют по своим эллиптическим орбитам более упорядоченным образом.

Одна звезда, названная S2 или S-O2, завершает оборот вокруг центра галактики менее чем за 16 лет. По астрономическим меркам, это чрезвычайно короткий срок, поэтому исследователи смогли нанести на карту всю ее орбиту. Для сравнения, нашему Солнцу для завершения круга вокруг центра галактики необходимо более 200 миллионов земных лет. Это значит, что, когда мы начинали наш текущий круг, по Земле еще ходили динозавры.

Теория и наблюдения следуют друг за другом

Согласованность выводов, к которым пришли обе исследовательских группы, была потрясающей. По их данным, черная дыра в центре нашей галактики должна быть эквивалентна примерно 4 миллионам солнечных масс, а размер – сопоставимым с размером Солнечной системы.

Вероятно, вскоре мы сможем посмотреть прямиком на Стрельца А*. Это следующая задача в списке астрофизиков, поскольку чуть более года назад астрономической сети Event Horizon Telescope наконец удалось получить изображения ближайшего окружения сверхмассивной черной дыры. Далее в этом списке идет сфотографированное в прошлом году сердце галактики, известной как Messier 87 (M87). Она расположена в 55 миллионах световых лет от нас, а в ее центре находится гигантская черная дыра.

Ядро ​​M87 более чем в тысячу раз тяжелее Стрельца A*. Столкнувшиеся черные дыры, вызвавшие недавно открытые гравитационные волны, были значительно легче. Как и черные дыры, гравитационные волны существовали только как расчеты в рамках общей теории относительности Эйнштейна, прежде чем они были впервые зафиксированы осенью 2015 года детектором LIGO в США (Нобелевская премия по физике, 2017).

Чего мы не знаем

Роджер Пенроуз показал, что черные дыры являются прямым следствием общей теории относительности, но в бесконечно сильной гравитации сингулярности эта теория перестает действовать. В области теоретической физики ведется интенсивная работа по созданию новой теории квантовой гравитации. Это должно объединить два столпа физики, теорию относительности и квантовую механику, которые встречаются в самой глубине черных дыр.

В то же время наблюдения подбираются все ближе к черным дырам. Новаторская работа Райнхарда Гензеля и Андреа Гез проложила путь новым поколениям точных проверок общей теории относительности и ее самых странных предсказаний. Скорее всего, эти измерения также смогут дать ключ к новым теоретическим открытиям. У Вселенной есть еще много секретов и загадок, которые предстоит разгадать.

Источник: 112.ua

видео по теме

Новости партнеров

Loading...

Виджет партнеров

d="M296.296,512H200.36V256h-64v-88.225l64-0.029l-0.104-51.976C200.256,43.794,219.773,0,304.556,0h70.588v88.242h-44.115 c-33.016,0-34.604,12.328-34.604,35.342l-0.131,44.162h79.346l-9.354,88.225L296.36,256L296.296,512z"/>