"Ошибка" Эйнштейна и охота на экзопланеты. За что дали Нобелевскую премию по физике 2019

Отмеченные научной наградой ученые перевернули представления об истории вселенной и наметили пути к поиску внеземных цивилизаций

"Ошибка" Эйнштейна и охота на экзопланеты. За что дали Нобелевскую премию по физике 2019
Джеймс Пиблс, Мишель Майор и Дидье Кело Фото из открытых источников

Отмеченные научной наградой ученые перевернули представления об истории вселенной и наметили пути к поиску внеземных цивилизаций

В Стокгольме продолжается Нобелевская неделя. Второй ее день традиционно был посвящен физикам. В 2019 году престижнейшей наградой отметили троих ученых. Половину суммы премии присудили профессору Принстона, где работал сам Эйнштейн, Джеймсу Пиблсу. За свою жизнь 84-летний ученый внес настолько огромный вклад в космологию, что превратил ее из отвлеченной теории в весьма авторитетную науку. Остаток награды поделили поровну между швейцарцами Мишелем Майором (Университет Женевы) и Дидье Кело (также Университет Женевы и Кембридж). Они первым обнаружили планету за пределами нашей Солнечной системы. Приводим пояснение Нобелевского комитета об их работах.

Нобелевскую премию по физике за 2019 год присудили ученым, которые дали человечеству новое понимание структуры и истории вселенной, и первыми открыли планету, принадлежащую звезде солнечного типа вне нашей Солнечной системы. Лауреаты этого года внесли огромный вклад в поиск ответов на фундаментальные вопросы нашего существования. Что произошло на заре существования вселенной и что было потом? Могут ли существовать в космосе планеты, вращающиеся вокруг других солнц?

Джеймс Пиблс, можно сказать, взял на себя весь космос с его миллиардами галактик и скоплений галактик. Теоретические принципы, которые он разрабатывал более двух десятилетий, начиная с середины 1960-х гг., стали основой современного понимания истории вселенной от Большого взрыва до наших дней. Открытия Пиблса привели к пониманию нашего космического окружения, в котором известная науке материя составляет всего 5% от общего количества материи и энергии, содержащихся во вселенной. Остальные 95% скрыты от нас. Это загадка и вызов современной физике.

Мишель Майор и Дидье Кело более прицельно исследовали нашу родную галактику – Млечный путь, в поисках новых миров. В 1995 году они впервые открыли планету вне нашей Солнечной системы. Обнаруженная швейцарцами экзопланеты вращается вокруг солнцеподобной звезды. Это открытие поставило под сомнение наши идеи о неизведанных мирах и привело к революции в астрономии. На сегодня известно уже более 4000 экзопланет, которые удивляют богатством форм, поскольку большинство этих планетных систем совсем не похожи на ту, в которой живем мы. Эти открытия привели исследователей к разработке новых теорий о физических процессах, ответственных за рождение планет.

Рождение космологии Большого взрыва

Последние 50 лет были золотым веком космологии – науки о происхождении и развитии вселенной. В шестидесятые годы были заложены основания, превратившие космологию из теории в науку. И ключевую роль в этом сыграл Джеймс Пиблс, открытия которого заставили научное сообщество нанести космологию на карту направлений исследования и расширить горизонты науки в целом. Первая книга ученого "Физическая космология" (1971) вдохновила целое поколение физиков внести свой вклад в развитие предмета, не только теоретическими изысканиями, но и при помощи наблюдений и измерений. Ведь только наука может ответить на извечный вопрос, откуда мы появились и куда направляемся. Космология освободилась от таких чисто человеческих концепций как вера и замысел. Что здорово перекликается со словами Альберта Эйнштейна, который в начале 20 века говорил, что загадка мира заключается в его постижимости.

Научно обоснованная история эволюции космоса существует только последние 100 лет. До того вселенную считали неподвижной и вечной, но в 1920-х годах астрономы обнаружили, что все галактики удаляются друг от друга и от нас. Вселенная расширяется. Теперь мы знаем, что сегодняшняя вселенная отличается от вчерашней, и уже завтра она снова будет другой.

То, что астрономы увидели в небесах, ранее было предсказано общей теорией относительности Эйнштейна (1916) которая в настоящее время является основой всех крупномасштабных вычислений о вселенной. Когда размышления над основами этой теории привели легендарного ученого к невероятному заключению, что пространство космоса расширяется, он добавил к своим уравнениям космологическую постоянную – значение, которое уравновешивало бы эффекты гравитации и заставляло бы вселенную стоять на месте. Спустя более чем десятилетие наблюдения подтвердили – вселенная все же расширяется, поэтому потребность в этой константе отпала. Эйнштейн тогда назвал ее самой большой ошибкой в своей жизни. И он даже не подозревал, что космологическая постоянная триумфально вернется в космологию в 1980-е., не в последнюю очередь благодаря работам Джеймса Пиблса.

Первые лучи вселенной открывают правду

Расширение Вселенной означает, что когда-то она была намного плотнее и горячее. В середине 20 века ее рождение нарекли Большим взрывом. На самом деле точно сказать, что именно произошло в тот момент, не может никто. Но ранняя вселенная была наполнена плотным, горячим, непроницаемым туманом из частиц, в котором частицы света – фотоны – просто носились во все стороны.

Понадобилось почти 400 тысяч лет расширения, чтобы остудить этот первичный туман до нескольких тысяч градусов Цельсия. Исходные частицы теперь смогли объединяться и формировать прозрачный газ, состоящий в основном из атомов водорода и гелия. Фотоны стали двигаться свободно и свет смог перемещаться в пространстве. Эти первые лучи до сих пор заполняют космос. Расширение пространства растянуло видимые световые волны, и они оказались в диапазоне невидимых микроволн с длиной волны в несколько миллиметров.

Свечение от рождения вселенной впервые было случайно зафиксировано в 1964 году двумя американскими радиоастрономами: нобелевскими лауреатами 1978 года Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном. Они никак не могли избавиться от постоянного "шума", который их антенна фиксировала повсюду в космосе, так что стали искать объяснение в работах других исследователей, в том числе Джеймса Пиблса, который провел теоретические расчеты этого вездесущего фонового излучения. Оказалось, что спустя почти 14 миллиардов лет его температура упала почти до абсолютного нуля (–273 ° C). А главный научный прорыв в этой сфере произошел, когда Пиблс понял, что температура излучения может рассказать о том, сколько материи было создано в результате Большого взрыва, и понял, что выделение этого света сыграло решающую роль в том, как материя может впоследствии скапливаться, образуя галактики и галактические группы, которые мы сейчас видим в космосе.

Открытие микроволнового излучения привело к новой эре в современной космологии. Древнее излучение из времен зарождения вселенной, как оказалось, содержит все ответы на вопросы космологов. Сколько лет нашей вселенной? Какова ее судьба? Сколько в ней сущесвует материи  с энергией?

Ученые могут обнаружить следы самый первых мгновений вселенной в этом холодном послесвечении, крошечных колебаниях, которые звуковыми волнами распространяются сквозь первичный туман. Без этих колебаний космос мог остыть так, что превратиться из горячего огненного шара в холодную и однородную пустоту. А, как мы знаем, этого не произошло и наш космос заполнен галактиками, которые часто собираются в скопления. Фоновое излучение напоминает поверхность океана, которая кажется гладкой, а на самом деле вблизи оказывается вся покрыта рябью от колебаний, и они могут показать нам, как изменялась ранняя вселенная.

Раз за разом Пиблс проводил интерпретацию этого реликтового излучения из самых ранних времен вселенной. С поразительной точностью космологи смогли предсказать изменения фонового излучения и показать, как они влияют на материю и энергию во вселенной.

Первый крупный прорыв в области наблюдений произошел в апреле 1992 года, когда главные исследователи американского спутникового проекта COBE представили изображение первых лучей света во Вселенной (за это в 2006 году Джон Мезер и Джордж Смут также получили Нобелевскую премию). Другие спутники – американский WMAP и европейский "Планк" – постепенно уточняли этот портрет молодой вселенной. С возрастающей точностью подтверждались расчеты содержания материи и энергии во вселенной, 95% которых при этом остаются невидимыми для нас.

Twitter Нобелевского комитета

Темная материя и темная энергия – величайшие загадки вселенной

С 1930-х гг. мы знаем, что видимый нами мир, в том числе за пределами Земли – это далеко не все, что существует во вселенной. Измерения скоростей вращения галактик показали, что они должны удерживаться вместе под действием силы тяжести из невидимой материи, иначе их разорвет на части. Считается также, что эта темная материя сыграла важную роль в происхождении галактик задолго до того, как первичный туман ослабил свое влияние на фотоны.

Состав темной материи остается одной из величайших загадок космологии. Ученые долго полагали, что уже известные нейтрино могут составлять эту темную материю, но невообразимое количество нейтрино с малой массой, которые пересекают пространство почти со скоростью света, слишком быстры, чтобы помочь удержать материю вместе. Вместо этого в 1982 году Пиблс выдвинул предположение, что тяжелые и медленные частицы холодной темной материи могли бы справиться с этой задачей. Мы все еще ищем эти неизвестные частицы холодной темной материи, которые избегают взаимодействия с уже известной материей и составляют 26% космоса.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, геометрия пространства взаимосвязана с гравитацией – чем больше массы и энергии содержится во вселенной, тем более искривленным становится пространство. При критическом значении массы и энергии вселенная не изгибается. Этот тип вселенной, в которой две параллельные линии никогда не пересекутся, обычно называют плоским. Два других варианта – это вселенная со слишком малым количеством материи, которая ведет к открытой вселенной, в ней параллельные линии в конечном итоге расходятся, или закрытая вселенная со слишком большим количеством материи, в которой параллельные линии пересекаются.

Измерения космического фонового излучения, а также теоретические изыскания дали четкий ответ – наша вселенная является плоской. Однако содержащейся в ней материи достаточно только для 31% от критического значения. Их них 5% – это обычная материя, а 26% – темная. Получается, что не хватает целых 69%. Джеймс Пиблс предложил радикальное решение и этой задачи. В 1984 году он внес вклад в возрождение космологической постоянной Эйнштейна, которая является энергией пустого пространства. Она называется темной энергией и заполняет собой те самые 69% космоса. Вместе с обычной материей и холодной темной материей этого достаточно, чтобы поддержать идею плоской вселенной.

Темная энергия оставалась теорией целых 14 лет, пока в 1998 году Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс не открыли ускоряющееся расширение Вселенной (и в 2011 году получили за это Нобелевскую премию). Что-то кроме материи должно быть ответственно за то, что вселенная расширяется с ускорением. Современная наука возлагает ответственность за это на непознанную пока темную энергию.

И темная материя, и темная энергия сейчас являются одними из величайших загадок космологии. Они дают о себе знать только благодаря тому воздействию, которое оказывают на свое окружение – одна тянет, другая толкает. Однако о них все еще мало что известно. Какие секреты скрывает темная сторона вселенной? Какая новая физика прячется в неизвестном? Что еще мы обнаружим, пытаясь разгадать тайны космоса?

Первая планета на орбите другого Солнца

Большинство космологов сегодня согласны, что модель Большого взрыва – это истинная история происхождения и развития космоса несмотря на то, что всего 5% его материи и энергии нами изучены. Эта крошечная частица в итоге сформировалась во все, что мы видим вокруг – звезды и планеты, деревья и цветы, и в людей, конечно, тоже. Но одни ли мы вглядываемся в космос? Есть ли жизнь где-то еще – на других планетах, вращающихся вокруг своих "Солнц"? Точно не знает никто. Но теперь мы полностью уверены в том, что наше Солнце – не единственная звезда, у которой есть собственные планеты. Более того, большинство из нескольких миллиардов звезд галактики Млечный путь наверняка также имеют собственное "сопровождение". На сегодня астрономам известно более 4000 экзопланет. И первая из них была настолько диковинной, что почти никто не верил в ее реальность – она оказалась слишком большой и находится слишком близко к своей звезде.

Мишель Майор и Дидье Кело объявили о своем сенсационном открытии на астрономической конференции в итальянской Флоренции 6 октября 1995 года. Это была первая планета, которую удалось обнаружить на орбите звезды солнечного типа. Ей дали название 51 Пегаса b. Она быстро вращается вокруг звезды 51 Пегаса, находящейся на расстоянии 50 световых лет от Земли. Полный оборот по орбите планета делает всего за 4 земных дня, а это говорит о том, что она вращается на небольшом расстоянии от звезды – порядка 8 миллионов километров. 51 Пегаса разогревает свою спутницу до 1000° C и выше. На Земле, которая делает оборот вокруг Солнца за год и на расстоянии в 150 миллионов километров, как мы знаем, значительно прохладней.

Недавно обнаруженная планета также оказалась на удивление большой – газообразный шар оказался сравним по размерам с самым большим газовым гигантом Солнечной системы Юпитером. Он, напомним, в 1300 раз больше Земли, а его масса превышает 300 земных. Согласно прежним представлениям о том, как формируются планетные системы, планеты размером с Юпитер должны формироваться вдали от своих звезд-хозяек и, как следствие, тратить на один оборот по орбите много времени. Так тому же Юпитеру, чтобы обогнуть Солнце, необходимо 12 земных лет. Поэтому короткий орбитальный период 51 Пегаса b стал полной неожиданностью для охотников за экзопланетами.

Почти сразу после этого открытия, два американских астронома Пол Батлер и Джеффри Марси направили свой телескоп на звезду 51 Пегаса и вскоре подтвердили революционное открытие Майора и Кело. А еще спустя несколько месяцев они открыли две новые экзопланеты, вращающиеся вокруг солнцеподобных звезд. Их короткие орбитальные периоды были удобны для астрономов, которым не нужно было ждать месяцы или годы, чтобы увидеть экзопланету, вращающуюся вокруг ее солнца. Теперь у них было время понаблюдать за тем, как планеты совершают один круг за другим.

Как эти планеты оказались так близко к звезде? Этот вопрос поставил под сомнение существующую теорию происхождения планет и привел к появлению новых гипотез, которые описывали, как большие шары газа образовывались на краях их солнечных систем, а затем по сужающейся спирали приближались к звезде.

Twitter Нобелевского комитета

Более точные методы приводят к открытию

Для отслеживания экзопланет необходимы сложные методы, поскольку планеты не светятся сами по себе, а просто отражают свет своей звезды, причем делают это настолько слабо, что остаются незаметными на фоне ее блеска. Метод, используемый исследовательскими группами для поиска планет, называется методом лучевой скорости. По сути, это измерение движения звезды-хозяина, поскольку на нее также влияет сила тяжести планеты-спутницы. Когда планета вращается вокруг своей звезды, звезда тоже немного сдвигается – они обе смещаются вокруг своего общего центра тяжести. От точки наблюдения на Земле звезда раскачивается взад и вперед по линии прямой видимости.

Скорость этого движения, лучевая скорость звезды, может быть измерена с помощью хорошо известного эффекта Доплера: лучи света, исходящие от объекта, движущегося к нам, больше светятся синим, а от нас – красным. Это же эффект отвечает за изменение тона сирены мчащейся мимо скорой помощи. Чем ближе скорая, тем выше звучит ее сигнал, а по мере удаления он снижается.

Таким образом, влияние планеты поочередно меняет цвет света звезды на более синий или более красный; именно эти изменения в длине волны света астрономы захватывают с помощью своих инструментов. Эти колебания точно фиксируются путем измерения длины волны света звезды.

Самая большая проблема заключается в том, что лучевые скорости чрезвычайно малы. Например, гравитация Юпитера заставляет Солнце двигаться со скоростью около 12 м/с вокруг центра тяжести Солнечной системы. А Земля и вовсе дает всего 0,09 м/с. Поэтому для обнаружения экзопланет необходимо чрезвычайно чувствительное оборудование. Чтобы повысить точность, астрономы измеряют несколько тысяч длин волн одновременно. А свет делят на различные длины волн с помощью спектрографа – ключевого для таких исследований прибора.

В начале 1990-х гг., когда Дидье Кело только начал исследовательскую карьеру в Университете Женевы (Швейцария), Мишель Майор уже провел много лет за наблюдением движения звезд и конструированием с коллегами собственных измерительных приборов. В 1977 году Майор установил свой первый спектрограф на телескоп в обсерватории Верхнего Прованса, в 100 км к северо-востоку от французского Марселя. Это позволило снизить нижний предел скорости до 300 м/с, но этого все еще не хватало, чтобы разглядеть, как планета раскачивает звезду.  

Докторанту Дидье Кело предложили вместе с остальной исследовательской группой поработать над более точными методами измерений. Ученые применили новейшие технологии, чтобы быстро осмотреть множество звезд и проанализировать полученные результаты. С помощью оптических волокон звездный свет передавали без искажения на спектрограф, а улучшенные цифровые датчики изображения и ПЗС-сенсоры повышали светочувствительность машин. К слову, за изобретение этих сенсоров в 2009 году Чарльз Као, Уиллард Бойл и Джордж Смит тоже удостоились Нобелевской премии. Более мощные компьютеры позволили ученым разработать специальное программное обеспечение для цифровой обработки изображений и данных.

Когда новый спектрограф был закончен весной 1994 года, необходимая скорость резко снизилась до 10-15 м/с и это приблизило открытие первой экзопланеты. В то время поиск экзопланет не считался одной из основных задач астрономии, но Майор и Кело решили все же объявить о своем открытии. Им понадобилось несколько месяцев, чтобы доработать результаты и в октябре 1995 года мир впервые услышал о первой в истории науки достоверно зафиксированной экзопланете.

Открытие множества миров

Первое открытие экзопланеты, которая вращается вокруг солнцеподобной звезды, положило начало революции в астрономии. Были открыты тысячи новых миров. Новые планетные системы теперь обнаруживаются не только с помощью телескопов на Земле, но и со спутников. Американский космический телескоп TESS в настоящее время сканирует более 200 000 ближайших к нам звезд, выслеживая планеты, похожие на Землю. А космический телескоп Kepler сумел "разглядеть" более 2300 экзопланет.

Сейчас наряду с измерениями колебаний лучевой скорости, для этого применяют также транзитную фотометрию. Когда планета проходит через линию прямой видимости перед звездой, это снижает интенсивность свечения звезды. Транзитная фотометрия фиксирует это изменение. А еще она позволяет астрономам наблюдать атмосферу экзопланеты, когда свет от звезды проходит сквозь нее на пути к Земле. К слову, комбинирование обоих методов тоже помогает ученым собирать более точные данные. Транзитная фотометрия помогает определить размер экзопланеты, а ее массу удается рассчитать при помощи метода лучевых скоростей. Эти данные дают возможность узнать плотность экзопланеты и, соответственно, определить ее структуру.

Открытые на сегодня экзопланеты поражают разнообразием форм, размеров и орбит. Они бросили вызов нашим предвзятым представлениям о планетных системах и заставили исследователей пересмотреть свои теории о физических процессах, ответственных за рождение планет. А запуск множества проектов по поиску экзопланет может наконец дать ответ на вопрос, существует ли во вселенной другая жизнь.

Нобелевские лауреаты этого года изменили наши представления о космосе. В то время как теоретические открытия Джеймса Пиблса способствовали более глубокому пониманию того, как развивалась вселенная после Большого взрыва, Мишель Майор и Дидье Кело исследовали окружающий нас космос в поисках неизвестных планет. Их открытия перевернули современную астрофизику и дали серьезный толчок ее развитию на многие годы вперед.

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"/>