Галактический успех: Нобеля по физике вручили за черные дыры
Нобелевская премия по физике 6 октября была присуждена за открытие черных дыр. Теоретическое доказательство их существования и связь с теорией относительности Альберта Эйнштейна обеспечил известный английский физик Роджер Пенроуз, за что ему вручили половину денежной премии. А вот экспериментально существование черных дыр параллельно и независимо друг от друга подтвердили немецкий астрофизик Рейнхард Генцель и астроном из США Андреа Гез. Им и досталась вторая половина премии.
Это не фантастика
Трое ученых, отмеченных высшей научной наградой, внесли огромный вклад в доказательство существования черных дыр, о которых стали задумываться еще в начале ХХ века — сразу после того, как Альберт Эйнштейн представил миру теорию относительности. Однако тогда все это было догадками, в которые не верил и сам Эйнштейн.
Сложность состояла в том, чтобы математически увязать эти массивные объекты, которые должны находиться в середине галактик, с физическими законами.
Объявление лауретов Нобелевской премии по физике 2020 года в Шведской Королевской Академии Наук, Стокгольм, 6 октября 2020 года
— Получившие премию ученые доказали, что черные дыры — не фантастика, а реально существующие объекты. Это великое достижение, — считает профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета (проект повышения конкурентоспособности образования «5-100») Сергей Кетов. — Роджер Пенроуз развил теорию черных дыр, а Рейнхард Генцель и Андреа Гез подтвердили на основании гравитационного поля существование сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики.
Родившийся в 1931 году Роджер Пенроуз сегодня — один из известнейших мировых ученых. Его книги переведены на множество языков, ими зачитываются любители космологии. А вот сам Роджер, по его словам, никогда не любил читать. На вопрос о его любимой книге в интервью журналу Discover он ответил: «Чтение было не совсем тем, чем я занимался».
Роджер Пенроуз
Российским читателям, возможно, будет приятно узнать, что его бабушка происходила из латвийской еврейской семьи и жила в Санкт-Петербурге, пока не покинула страну в конце XIX века. Кстати, в Россию ученый приезжал с лекциями не так давно, в 2013 году.
Математика Роджеру поначалу не очень давалась, хоть и нравилась. Просто он был настолько медлительным, что на решение задач у него уходило в два раза больше времени, чем у остальных, поэтому его даже перевели в специальный класс младшей школы. Однако в результате мальчик стал Нобелевским лауреатом, получив премию именно за математические расчеты.
Своими расчетами он доказал, что черные дыры могут образовываться и существовать в реальных условиях. Они вписываются в теорию относительности Эйнштейна.
Увидеть то, чего нет
После того, как возможность существования черных дыр была доказана, немецкий астрофизик Рейнхард Генцель и параллельно с ним американка астроном Андреа Гез, возглавившие отдельные исследовательские группы, изучающие центр нашей галактики, сумели увидеть на небе искривления траектории пролетающих мимо черной дыры объектов.
Андреа Гез
Единственным объяснением этого искривления было существование черной дыры. Но увидеть ее саму невозможно, так как дыра поглощает все, включая свет.
Андреа Гез, по ее словам, смотрит в телескоп с четырех лет. Правда, в детстве девочку больше интересовало то, что творится в квартирах соседей из соседних домов, но сейчас она увидела то, что действительно достойно мировой награды.
— Рейнхард Генцель и Андреа Гез возглавляют большие группы инженеров и астрофизиков, которые уже четверть века бьют в одну точку, находящуюся в центре нашей галактики — гигантскую массивную черную дыру, которую очень трудно исследовать, — объяснил старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга, доцент физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Владимир Сурдин.
Рейнхард Генцель
— Эта точка закрыта многослойным пылевым одеялом, и добраться до нее было нелегко, сделать это удалось это только в инфракрасном диапазоне. Различить мелкие детали было невозможно, пока коллектив инженеров и астрофизиков не создал замечательную вещь — адаптивную оптику, которая приспосабливается к флуктуациям земной атмосферы. Это позволило убрать недостатки в изображениях, которые вносила атмосфера нашей планеты.
Чтобы это сделать, пришлось задействовать два крупнейших на данный момент телескопа. Немецкий астроном Рейнхард Генцель и его группа первоначально использовали NTT (New Technology Telescope) — телескоп на горе Ла Силья в Чили, а впоследствии — VLT (Very Large Telescope) на горе Паранал, также в Чили. VLT имеет самые большие в мире монолитные зеркала, каждое диаметром более восьми метров.
Обсерватория Кека на горе Мауна-Кеа, Гавайские острова, США
Андреа Гез и ее исследовательская группа использовали обсерваторию Кека, расположенную на гавайской горе Мауна-Кеа. Его зеркала имеют диаметр почти 10 метров, и в настоящее время являются одними из самых больших в мире.
В конце концов астрономы поняли, что в середине нашей галактики Млечного пути находится гигантская черная дыра, которая должна быть эквивалентна примерно 4 млн солнечных масс.
Астрофизика на подъеме
Может показаться удивительным, что премию второй год подряд присуждают за достижения в астрофизике. Но этому есть объяснение.
— За последние два года появилось множество интересных открытий, в первую очередь публикация результатов исследования с помощью так называемого «телескопа горизонта событий», — рассказала научный сотрудник отдела теоретической астрофизики Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН Елена Михеева. — Он первым построил изображение черной дыры, которое было опубликовано в журнале Astrophysical Journals 10 апреля 2019 года. Полученные данные нужно осмыслить, перепроверить, но в целом это замечательный результат, который сильно продвинул вперед всю астрофизику и астрономию.
Это спровоцировало значительный рост публикаций по черным дырам, что вполне могло повлиять на решение Нобелевского комитета.
Эксперт отметила, что наука развивается «волнами», и в каждой ее области бывают периоды подъемов и спадов. Иногда материалы по теме накапливаются долгое время, что приводит в некий момент к лавинообразному росту публикаций. Сейчас такой подъем количества интересных данных наблюдается в области астрофизики.
Казалось бы, космические открытия могут дать людям понимание того, как устроена Вселенная, но не практическую пользу. Однако эксперты опровергают это утверждение.
По словам профессора Высшей инженерно-физической школы Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Александра Иванчика, вся фундаментальная физика рано или поздно получает практическую ценность. Эксперт сравнил черные дыры с четкими маяками во Вселенной, с помощью которых можно осуществлять координатную привязку.
— Системы навигации, в частности, используют и черные дыры в активных ядрах галактик для уточнения координатного позиционирования, — пояснил эксперт. — Так что они уже имеют практическое применение.
Первая фотография чёрной дыры, сделанная телескопом Event Horizon Telescope
Руководитель научной программы «РадиоАстрон» Юрий Ковалев добавил, что без учета общей теории относительности Альберта Эйнштейна системы глобального позиционирования, например, ГЛОНАСС, не будут работать с той точностью, которая нужна.
Появление большого количества данных, в свою очередь, порождает новые теории. Поэтому вполне вероятно, что в следующем году награду снова получат ученые, чьи работы посвящены космосу и астрофизике. Например, в ближайшее время астрономы ожидают открытия природы черной материи, точнее, того, что же является физическим носителем этого загадочного вещества. Впрочем, порой полученные результаты только отбрасывают теорию назад, и тогда на подъеме оказывается совсем другая область физики.
