Нобелевскую премию присудили физикам, которые нашли черную дыру в центре Млечного пути. Рассказываем, как они это сделали
Мы рассказываем честно не только про войну. Скачайте приложение.
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 достижения в космологии и 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 XVIII 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 Шварцшильд 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.
Как разглядели черную дыру в центре нашей галактики?
Во-первых, чтобы получить четкие изображения сверхмассивной черной дыры в центре Млечного пути, Гензель и Гез использовали малое время экспозиции, то есть открывали объектив камеры на долю секунды. За это время на пленку камеры падало незначительное количество света, поэтому для него был разработан специальный сверхчувствительный детектор.
Во-вторых, из-за движения воздуха изображения звезд на разных снимках были смещены относительно друг друга, поэтому астрономы применили специально разработанный метод их выравнивания, называемый спекл-визуализацией и позволяющий восстановить их исходное положение.
Наконец, в-третьих, обе группы проводили свои измерения независимо в течение нескольких лет. Гензель — в Чили в обсерватории Ла-Силья, а Гез — на Гавайях в обсерватории Кека. Затем они сравнили свои наблюдения и обнаружили отличное совпадение результатов. Скорости звезд идеально совпали с законами Кеплера, что и явилось доказательством наличия в центре галактики компактного объекта чрезвычайно большой массы.
Дальнейшие наблюдения с помощью более совершенных методов только подтвердили первоначальные выводы, а кроме того, позволили получить более сильные аргументы в пользу того, что этот массивный объект действительно является черной дырой.
В частности, еще в 1992 году была обнаружена звезда S2, которая делает полный оборот вокруг центра всего за 16 лет. То есть за время наблюдения за центром Млечного пути она уже успела сделать больше одного оборота. Оказалось, что ее движение не может быть описано законами Ньютона, однако прекрасно согласуется с общей теорией относительности Эйнштейна, учитывающей наличие сверхкомпактного объекта в центре галактики.
Ну и, как уже говорилось выше, буквально в прошлом году с помощью уже целой сети телескопов астрономам удалось разглядеть непосредственные окрестности Стрелец A* и показать, что их изображение действительно совпадает с тем, что ожидалось увидеть от сверхмассивной черной дыры.
Черные дыры — это один из самых экзотических объектов во Вселенной. Но интересны они не только тем, что их не может покинуть ни один объект, даже свет. Для физиков, прежде всего, интересно то, что с их теорией связано большое количество иногда сложно разрешимых парадоксов: это объекты, в которых, как считают ученые, существует область, где перестают работать современные физические теории, и для полноценного их описания требуется создание абсолютно новой теории — квантовой гравитации. Такая теория должна будет объединить законы микромира, квантовую физику и законы гравитационного притяжения тел, которые управляют миром звезд.
Сергей Попов, ведущий научных сотрудник Государственного астрономического института П.К. Штенберга, специалист по нейтронным звездам
Нобелевская премия этого года трижды поразительна. Во-первых, астрофизикам дали премию второй год подряд. Астрофизикам вообще редко дают эту премию, а когда два года подряд любая область науки вдруг получает премию, это особенно удивительно.
Второй удивительный для меня факт состоит в том, что Нобелевский комитет отступил от той архиконсервативности, которую демонстрировал в течение всей своей предыдущей истории: экспериментаторы получали премии за окончательное достижение ясности в каком-либо важном вопросе, а теоретики получали премии только если их предсказания супернадежно регистрировались в эксперименте или наблюдении. Но черные дыры — по определению, область, где очень трудно или даже невозможно выполнить такие условия. Райнхард Генцель и Андрея Гец получили нынешнюю премию за открытие «сверхмассивного компактного объекта в центре галактики» — в оригинальной формулировке нет даже термина «черная дыра». И хотя 99,9% астрофизиков в мире уверены, что это черная дыра — у нас все равно нет прямых доказательств наличия горизонта у этого объекта. И, тем более, наличия сингулярности внутри, под горизонтом. И тут мы переходим к Пенроузу. Пенроуз уже более полувека назад доказал несколько фундаментальных теорем, касающихся внутреннего устройства черных дыр в рамках общей теории относительности, но поразительно, конечно, что матфизик получил премию за то, что [прямо] не наблюдается и что у нас нет возможности наблюдать.
Наконец, третий поразительный для меня факт состоит в том, что Нобелевский комитет отступил от своей архиконсервативности в еще одном аспекте. Это в принципе нормально, когда ученые придерживаются каких-то неортодоксальных взглядов на разные вещи, но Нобелевский комитет за все время своего существования избегал присуждения премии тем людям, которые известны как сторонники любых сильно неконсервативных взглядов. Яркий пример здесь — Фред Хойл, который имел очень яркие заслуги в астрофизике и вплоть до своей смерти считался важным претендентом. Однако он, будучи автором термина «Большой взрыв», был противником этой космологической модели, и многие считают, что не получил премии именно поэтому. Ему не хотели давать такой «рупор» как статус нобелевского лауреата. И показательно, что и здесь Нобелевский комитет отступил от своего архиконсервативного подхода и присудил премию Пенроузу. Ведь он хотя и очень известный теоретик, среди обычных людей более известен как автор научно-популярных книг, в которых отстаивает немного нетрадиционные идеи [на природу сознания и космологию].
Роджер Пенроуз занимался в своей жизни очень разными вещами, и далеко не все они были связаны с черными дырами. Одна из самых известных — это непериодическое мощение или «цыплята Пенроуза», которых исследователь придумал, когда его еще можно было назвать «чистым математиком». Он показал, что, имея всего пару нужных фигур, можно создать бесконечное мощение, которое, несмотря на свою бесконечность, нигде не будет повторяться — весьма нетривиальное открытие, имевшее значение, например, для теории квазикристаллов.
Но среди читателей научно-популярной литературы нынешний лауреат известен даже не этим, а своими крайне экзотичными (если не сказать просто — псевдонаучными) взглядами на сознание. Вообще, субъективная природа сознания — или, как ее называют философы, «трудная проблема» — в последние десятилетия стала центром притяжения очень многих авторов, далеко не все из которых имеют отношение к науке вообще. В этой области, сформированной вокруг таких людей как Дениэль Деннет, Джон Сиарль, Томас Метцингер, Сьюзан Блекмор и других постоянных участников ежегодной конференции о сознании в Аризоне, Пенроуз вместе со своим давним соавтором американским анестезиологом Стюартом Хамерофом выбрал, пожалуй, наиболее радикальную и экзотичную позицию. По Пенроузу (подробнее можно прочитать здесь), сознание человека — это настолько сложная штука, что ее нельзя объяснить в рамках нейронов, синапсов и вообще какой-либо «приземленной» науки — поэтому здесь нужно использовать науку максимально экзотическую. Для объяснения того, как вообще возникает сознание, у Пенроуза в ход идет и теорема Гёделя о неполноте, и квантовая петлевая гравитация, и внутриклеточные микротрубочки (в которых эта гравитация почему-то особенно хорошо живет), и многое другое. Все это в совокупности, будучи высказанным менее авторитетным ученым, сошло бы за обычную псевдонауку — но Пенроузу, к счастью, несмотря на фантастические гипотезы, совершенно чужд какой-либо жесткий догматизм. Даже в своих популярных книгах он скорее поднимает проблемы и обсуждает экзотические гипотезы, а не индоктринирует ими своих читателей. И поскольку в области «трудной проблемы» пока нет даже никакого намека на консенсус, любые теории там находятся, в общем-то, на равных друг с другом правах — будь одни связаны с экзотичной физикой, или «простой» физиологией.
Наконец, будучи рад и приятно удивлен за астрофизику, я хочу немного погрустить по тому поводу, что в свое время премию так и не получил Стивен Хокинг. Про него говорили все те же самые слова: теоретик, который внес огромный вклад, но модели которого пока не проверены в наблюдениях. Поэтому, полагали многие, Хокинг и не мог на Нобелевскую премию даже претендовать. Но то, что сейчас премию получил Пенроуз, говорит, на мой взгляд, о том, что и Хокинг, если бы был жив, мог бы ее получить.
Артем Коржиманов при участии Александра Ершова