У первой звезды: нобелевку по физике вручили за открытия в астрономии
Открытие первой экзопланеты у звезды солнечного типа и теория, которая помогла обнаружить темную материю, удостоились Нобелевской премии по физике в 2019 году. Одну часть престижного приза — за открытия в физической космологии — получил канадский космолог-теоретик Джеймс Пиблз. Другую часть — за открытую экзопланету — поделят между собой швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Кело. Это уже третья в истории Нобелевская премия, которая вручена за астрономические исследования.
Рождение галактик
Первый из троих награжденных, профессор Принстонского университета Джеймс Пиблз, разработал теорию образования галактик и их скоплений из так называемых первичных флуктуаций ранней Вселенной — малых отклонений от однородности вещества. Помимо этого, космолог написал серию работ, посвященных реликтовому излучению — остаткам тепловой реакции, возникшей в ходе Большого взрыва.
На рубеже 60–70-х годов прошлого века физическую космологию одновременно развивали три мощные команды ученых, напомнил в беседе с «Известиями» специалист в области космологии, академик РАН Валерий Рубаков.
— В то время этим направлением по одной простой причине мало кто занимался — было очень мало надежных наблюдательных данных, чтобы сравнить теорию с экспериментом, — объяснил он. — Первую команду возглавлял лауреат Джеймс Пиблз, а вторую — советский физик Яков Зельдович. Важную роль в ней играл его ученик Рашид Сюняев. Еще была команда в Кембридже. Западные и советская группы действовали параллельно и были близки по уровню исследований.
Канадско-американский ученый Джеймс Пиблз, получивший Нобелевскую премию по физике
Работы Пиблза, основанные на общей теории относительности, как раз и привели исследователей к пониманию механизма образования галактик, отметил главный научный сотрудник отдела релятивистской астрофизики Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова Михаил Сажин.
— Да, были и другие группы, работавшие в данном направлении, но именно результаты работы Пиблза наилучшим образом сошлись с данными, полученными с помощью наблюдений, — сказал он.
Целью обеих команд было показать, какие именно параметры следует измерять, чтобы доказать теорию формирования галактик, — то есть задать правильные вопросы.
Как показал в своей работе Джеймс Пиблз, «зародышами» галактик и их скоплений стали более плотные участки Вселенной. Такая среда имеет более высокую массу и в силу законов гравитации притягивает к себе окружающее вещество. Плотность объекта возрастает, и в определенный момент происходит сжатие под действием силы тяжести. Так образуется галактика. Которая, в свою очередь, делится на более мелкие сгустки — будущие звезды.
Именно на основе этой теории и было получено одно из важных доказательств существования темной материи. Она не испускает электромагнитного излучения, поэтому найти ее можно было только исходя из косвенных наблюдений, что и помогли сделать работы лауреата.
Вас обнаружили
По состоянию на 1 октября 2019 года в галактике «Млечный путь» было найдено 4118 экзопланет. Они находятся в 3063 экзопланетных системах, в 669 из которых, как известно, содержится более одной экзопланеты. Однако первое открытие экзопланеты у нормальной звезды (желтого карлика, к категории которых относится и Солнце) было сделано в 1995 году Мишелем Майором и Дидье Кело.
Они обнаружили ее методом Допплера (еще его называют методом радиальных, или лучевых, скоростей). Дело в том, что в силу законов гравитации даже очень небольшая масса планеты влияет на движение звезды, заставляя ее с крайне малой скоростью — около 3–10 м/с — вращаться относительно центра тяжести этой пары. В итоге звезда движется то по направлению к наблюдателю, то от него. Из-за этого линия в спектре смещается то к синему, то к красному цвету. Заметить такое движение с Земли — технологически сложная задача.
Портреты лауреатов Нобелевской премии по физике (L-R) 2019 года Джеймса Пиблса, Мишеля Майора и Дидье Кело
— Ранее измерение таких скоростей казалось фантастикой, — отметил старший научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова Владимир Сурдин. — Вообще американцы начали программу по поиску экзопланет раньше, но они были уверены, что для получения данных им понадобится лет 10–15. Мишель Майор же интуитивно сразу выбрал нужную звезду под названием «Гельветиус» с большой планетой, период вращения которой составлял всего несколько дней. Она сильно меняла скорость колебаний звезды, поэтому это можно было заметить.
Поскольку масса первой найденной экзопланеты была вдвое меньше массы Юпитера, ее назвали «Димидий» — от латинского слова, означающего «половина».
— Планета оказалась необычной — теперь подобные экземпляры называют «горячий Юпитер», — добавил заведующий отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН Дмитрий Вибе. — Это очень массивная планета, и она находится близко к своей звезде — даже ближе, чем Меркурий к Солнцу. И поэтому гравитационное воздействие планеты оказалось достаточно большим, чтобы его можно было наблюдать с помощью приборов конца прошлого века. Теперь мы знаем, что планетные системы во Вселенной — скорее правило, нежели исключение. И, по всей видимости, они есть у большинства звезд солнечного типа.
Успех работы Мишеля Майора и Дидье Кело отчасти стал возможен благодаря оптимизации работы приборов для наблюдения за скоростями звезд — спектрографов. Ранее их крепили к телескопам, и показания значительно теряли в точности из-за колебаний температуры и воздействия гравитации. Но швейцарские астрономы поместили спектрограф в подвал обсерватории, где условия были стабильными. Изображения с телескопа отправлялись на спектрограф по оптоволокну. Помимо этого, Майор предложил использовать ячейку с парами йода — особенности химического спектра этого элемента позволили увидеть движение звезды по разнице спектров.
Кофе с молоком
Во время церемонии оглашения имен лауреатов член Нобелевского комитета Ульф Даниэльссон красиво продемонстрировал, что же представляет собой наша Вселенная, с помощью кофейной чашки. Сначала он заполнил половину емкости кофе — «темной энергией», потом молоком — «темной материей», а в конце бросил щепотку сахара — в качестве «вещества, из которого состоят планеты». Именно это представление об устройстве Вселенной и помогли создать работы нобелиатов по физике.
Во время пресс-конференции, которая последовала за объявлением лауреатов, ведущим удалось связаться с Джеймсом Пиблсом, который в данный момент занимается изучением изолированных галактик.
Ульф Даниэльссон, член Нобелевского комитета, объявляет лауреатов Нобелевской премии по физике 2019 года
— Мне так приятно думать, что у нас когда-то была хорошая теория о том, как образовались планеты, пока мы не нашли первую (экзопланету. — «Известия») Это хорошая иллюстрация того, как работает наука, — сказал он, комментируя работу своих коллег.
В свое время, рассказывая об открытии первой экзопланеты, другой лауреат, Дидье Кело, отмечал: изначально он «вообще не думал, что это планета».
— Я просто подумал, что что-то идет не так, — рассказывал он.
В отличие от научного поиска, который нередко может быть интуитивным, Нобелевская премия дается уже после того, как важность открытия доказана на протяжении нескольких десятилетий. И третья в истории награда за астрономические открытия (первую в 1974 году вручили Энтони Хьюишу за определяющую роль в открытии пульсаров, вторую в 1993-м получили Рассел Халс и Джосеф Тейлор за открытие нового типа пульсаров) это доказывает.
