Доказательство реальности черных дыр

В Стокгольме назвали имена лауреатов Нобелевской премии по физике 2020 года. Это Роджер Пенроуз из Великобритании, Райнхард Генцель из Германии и Андреа Гез из США. Пенроуз получит половину денежного приза. Согласно официальной формулировке, он удостоился награды «за открытие, что образование черной дыры является надежным предсказанием общей теории относительности».

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Оставшуюся часть суммы поровну разделят Генцель и Гез. Они получат премию «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики». Именно это небесное тело (Стрелец А*) стало первым известным человечеству объектом, который, вне всяких сомнений, является черной дырой.

Все три нынешних лауреата внесли решающий вклад в доказательство того, что черные дыры — не гипотетические объекты, а реально существующие небесные тела.

Напомним, что черные дыры — это объекты с невероятно мощным тяготением. На определенном расстоянии от центра черной дыры оно так сильно, что ничто, даже свет, не может противостоять ему. Так что все, что подходит к такому монстру ближе этой дистанции невозврата, исчезает в черной дыре навеки без шансов вырваться.

Сама возможность существования черных дыр следует из общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна. Но «может существовать» еще не значит «существует». При жизни великого физика не было известно ни одного процесса, который мог бы привести к образованию столь экзотического объекта.

И вот в 1965 году Роджер Пенроуз опубликовал прорывную научную работу. Он предложил новые математические методы, которые значительно расширили возможности теоретиков, занимающихся ОТО. Используя свои математические наработки, лауреат пришел к важнейшему астрофизическому выводу. Он показал, что, когда очень массивная звезда взрывается как сверхновая, на ее месте образуется черная дыра массой в несколько солнц.

Позже астрономы обнаружили объекты, очень похожие на черные дыры звездной массы. Окончательно существование таких черных дыр было установлено несколько лет назад, с открытием гравитационных волн, порожденных их столкновениями. (К слову, за это открытие в 2017 году тоже была присуждена Нобелевская премия по физике.) Тем самым теоретический результат Пенроуза блестяще подтвердился наблюдениями.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Однако реальность существования черных дыр была установлена еще раньше. И в этом заслуга других двух лауреатов — Генцеля и Гез.

Каждый из них возглавлял собственную научную группу, исследовавшую любопытный объект в центре Млечного Пути — Стрелец А*. Это мощный источник радиоволн и других видов электромагнитного излучения. Но что он представляет собой? Это и старались выяснить лауреаты.

Чтобы определить массу и размеры небесного тела, астрономы отслеживали движение обращающихся вокруг него звезд. Это было очень трудной задачей, ведь центр Галактики закрыт шлейфом газа и пыли. Генцелю и Гез пришлось накопить огромное количество данных и изобрести инновационные методы их обработки, чтобы справиться с этой трудностью.

Их труд увенчался успехом: орбиты звезд, обращающихся вокруг Стрельца А*, были отслежены с нужной точностью. И обе группы во главе с нынешними лауреатами пришли к одному и тому же выводу. Центральный объект по размерам не больше Солнечной системы, но при этом имеет массу 4 млн солнечных. Такое тело может быть только черной дырой. В рамках известных физических законов просто не остается других вариантов.

Таким образом, работы Генцеля и Гез и их сотрудников предоставили первые неоспоримые доказательства, что черные дыры существуют в реальности, а не только у теоретиков на бумаге.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Сегодня никто из профессионалов не сомневается, что в сердце Стрельца А* находится сверхмассивная черная дыра. Его мощное излучение испускается падающей на «хищницу» материей.

Заметим, что собственные «стрельцы А*» есть в центрах практически всех галактик. Считается, что все это сверхмассивные черные дыры, окруженные падающим на них веществом. А в 2019 году большая коллаборация астрономов предоставила настолько детальное радиоизображение центрального объекта галактики М87, что на нем можно было непосредственно разглядеть черную дыру (точнее, темное пятно, в центре которого она находится). Теперь на очереди наша собственная галактика. Прямое изображение ее центральной черной дыры астрономы надеются получить в ближайшие годы.

Анатолий Глянцев

Ольга Квашенкина, руководитель лаборатории «Самоорганизующиеся высокотемпературные наноструктуры», доцент Высшей школы прикладной физики и космических технологий Санкт-Петербургского политехнического университета имени Петра Великого:

— Исследования ближнего и дальнего космоса являются очень важной областью не только для развития общей астрономии и физической науки, но и для жизни человечества. Нобелевская премия вручается за открытия, которые должны повлиять на судьбу всего мира, поэтому исследования и открытия в области астрономии соответствуют целям премии.

Ресурсы нашей планеты сильно ограниченны, поэтому исследования космоса являются перспективными для будущего комфортного жизнеобеспечения всего человечества. Изучение физических процессов, которые происходят в глубоком космосе и с теоретической, и с исследовательской точки зрения, важно для подтверждения теорий и результатов исследований, которые проводятся на Земле.

В рамках всевозможных исследований в области физики исследования по астрономии занимают особое место. С одной стороны, эти исследования пока напрямую не влияют на жизнь простых жителей планеты Земля. Однако без них невозможно дальнейшее развитие человечества как в ключе представлений об окружающей действительности, так и в ключе совершенствования технологий.

Подтверждением этого является первый полет человека в космос. Разве смогли бы в СССР или еще где бы то ни было отправить человека в полет на орбиту Земли, если бы в свое время ученые-астрономы не доказали, что у Земли вообще есть орбита и она эллипсоидная? Разве смогло бы человечество наладить спутниковую связь без исследования ближнего к Земле космического пространства и воздействия на космические объекты космического излучения? Ответы на эти и многие подобные вопросы — нет. Без исследований и открытий в области астрономии дальнейшее развитие человечества сложно представить.

Сергей Кетов, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета, профессор Токийского университета:

— Нобелевская премия по физике в этом году была присуждена за то, что ученые, ее получившие, доказали, что черные дыры — не фантастика, а реально существующие объекты. Это великое достижение.

Черные дыры были предсказаны более 100 лет назад в общей теории относительности Эйнштейна. И все это время никто не мог доказать, существуют они или нет. Было много ученых, которые считали, что их просто нет, что это выдумка. А вот примерно три года назад были обнаружены гравитационные волны, которые также были предсказаны более ста лет назад, они возникли в результате слияния черных дыр. Тогда были подтверждены два важных факта: существование самих гравитационных волн и, как следствие, существование черных дыр. И черные дыры перестали быть фантастикой. Также удалось подтвердить, что звезды в нашей галактике Млечный путь вращаются вокруг сверхмассивной черной дыры в ее центре.

Премия присуждена за то, что все эти гипотезы подтвердились экспериментально. Роджер Пенроуз развил теорию черных дыр, а Райнхард Генцель и Андреа Гез подтвердили на основании гравитационного поля существование сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики. Пенроуз, кстати, математик и один из лучших в мире популяризаторов науки, что тоже очень важно.

Второй год премия по физике вручается за открытия в области космоса — это говорит о тренде. Если раньше всех интересовали ускорители, частицы, то теперь космос. Эта тема выходит на первый план, так как оказалось, что можно получать больше информации о нашем мире более дешевым способом — из космоса. Да, нужны спутники, детекторы на орбите, но это дешевле, чем строить ускорители на Земле. И да, пока это чистая наука, но через какое-то время эти новые знания обязательно повлияют на нашу с вами жизнь.

Александр Горохов, профессор кафедры общей и теоретической физики Самарского университета имени Королева:

— В 2019 году Нобелевская премия по физике тоже была вручена за работы по космологии. Возможно, что повторное присуждение связано с впечатляющим экспериментальным подтверждением общей теории относительности Эйнштейна (эксперимент LIGO 2016 года). Эта область физики — астрофизика и космология — остается одной из самых горячих. Есть очень интересные результаты и в других областях, но они пока на получили такого яркого подтверждения.

Пока прямой пользы от этих работ нет, но, возможно, в будущем экспериментальные методы, позволившие открыть сверхмассивную черную дыру в центре нашей Галактики, найдут применение. Ведь сейчас, используя ГЛОНАСС для управления автомобилем, большинство не знает, что в основе подобных систем заложены эффекты общей теории относительности.

Работы Роджера Пенроуза широко известны научной общественности. Он автор не только очень важных работ по космологии и теории черных дыр, но и книг по проблемам квантовой теории поля (твисторы), квантовой информатики, теории познания. Он также автор теории квазикристаллов Пенроуза (таких решеток, которые могут иметь локальную симметрию с углом поворота вокруг оси кратных 360 градусов, деленных на 5, 7 и т. п). Такие структуры казались совершенно невозможными, но также были экспериментально открыты. Пенроуз — один из немногих универсальных ученых, который инициировал исследования во многих областях современной физики и математики. Его награждение абсолютно заслужено.

Александр Герасимов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории сенсорики, доцент кафедры «Оптоинформатика» Института естественных и точных наук Южно-Уральского государственного университета:

— Начнем с того, что Нобелевская премия по физике в последнее время вручается исключительно нескольким физикам сразу, причем не всегда за исследования и работу над одной и той же проблемой. Последний раз Нобелевка в этой области вручалась «в одни руки» почти 30 лет назад — в 1992 году. Комитет каждый год пытается отметить сразу два-три направления, причем существует определенная «очередь», ведь во многих случаях премия была вручена чудом дожившим до этого высочайшего признания ученым через 30–40 лет после самого открытия. Например, Хиггс за исследования и предсказания происхождения массы субатомных частиц, сделанные в 1960–1970-е годы, премию получил в 2013-м, только после экспериментального подтверждения своих «предсказаний» в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере. А тот же Стивен Хокинг, несмотря на удивительно долгую для людей с его недугом жизнь, получить премию не успел, хотя наверняка его неоднократно на нее выдвигали (формально список номинантов держится в секрете 50 лет).

Открытия в области астрономии и космологии поражают прежде всего своим масштабом и тем, сколько смысла может содержаться в одной формуле или фотографии черной дыры. Никакой закономерности в двух последних годах и «космических» Нобелевках на самом деле нет. За открытия в этой области и раньше вручалась премия (2015, 2011, 2006, 2002 и т. д.). А на месте комитета я бы тоже вручил премию в этом не слишком радужном 2020 году за что-то глобальное и загадочное.

В данном случае получивший премию Пенроуз, элегантно уложивший в общую теорию относительности математический вопрос образования черных дыр во вселенной, опять-таки получил премию за работы более чем 40-летней давности. Открытие черной дыры в центре нашей Галактики, сделанное независимыми группами Андреа Гез и Рейнхарда Генцеля, отчасти является подтверждением теории Пенроуза и опирается на нее. Эти открытия важны абсолютно для каждого жителя Земли, и хотя из них, что называется, «не сварить на кухне суп», и практическое применение этим открытиям вряд ли найдется в ближайшие два-три десятилетия, но приятно думать, что есть умы, способные помыслить и доказать свои мысли так, что весь современный мир пока не в состоянии эти мысли воплотить во что-то осязаемое и практически значимое. Не успевает практическая наука за теоретической, и так было всегда. Не думаю, что Альфред Нобель обиделся бы на комитет за такое «расточительство».

Вопрос «выдачи» главной научной премии мира — это еще и политический вопрос. Количество лиц с американским гражданством в этой связи зашкаливает. И хотя формально Пенроуз — англичанин, а Генцель — немец, это лишь подтверждает некую избирательность по отношению к западным исследователям. Почему Нобелевскую премию не получают граждане Китая? Так ли слаба китайская наука? По многим показателям ее представители находятся далеко впереди западных коллег. Хотя тот Роджер Пенроуз точно премию заслужил — это современный аналог Леонардо да Винчи (достаточно посмотреть список дисциплин, в которых он отметился значимыми открытиями). А за спинами двух других лауреатов стоят возглавляемые ими коллективы не из одной сотни человек, обеспечившие эту победу.

Комментарии подготовлены при поддержке проекта «5-100»