Нобелевская премия по физике вручена за описание начального этапа существования Вселенной

Нобелевская премия 2019 года присуждена за исследование далекого прошлого Вселенной и открытие одной из первых планет за пределами Солнечной системы.

Половина премии досталась канадско-американскому космологу Джеймсу Пиблзу. По официальной формулировке, награда присуждена ему «за теоретический вклад в физическую космологию». Вторая половина поделена между швейцарскими астрономами Мишелем Майором и Дидье Кело. Они удостоены премии «за открытие экзопланеты, обращающейся вокруг звезды солнечного типа».

Космология — раздел астрономии, изучающий космос как целое. Эта наука выясняет, откуда взялась вся Вселенная вместе с наполняющей ее материей и энергией, какие метаморфозы она претерпела в прошлом и что ждет ее в будущем. В эпоху становления космологии многие ученые относились к ней скептически из-за того, что ее утверждения невозможно было проверить. Потребовалась огромная работа, чтобы она превратилась из области спекулятивных рассуждений в точную физическую науку, делающую проверяемые утверждения. Огромную роль в этом сыграл Пиблз, чья ученая деятельность началась в 1960-х годах.

Пиблз в значительной части своих работ занимался извлечением из космологических теорий тех следствий, которые наблюдатели могли бы проверить в обозримом будущем. К сегодняшнему дню многие сделанные им выводы подтвердились.

Одна из важнейших работ нынешнего лауреата связана с реликтовым излучением. После Большого взрыва Вселенная была очень горячей. Раскаленное вещество испускало фотоны, тут же поглощало их и излучало снова. По мере расширения Вселенной энергия распределялась по все большему пространству, и материя остывала. Примерно через 300 тыс. лет после Большого взрыва она остыла настолько, что электроны стали объединяться с атомными ядрами в первые атомы. Вещество перестало поглощать ранее испущенные фотоны, и они отправились, так сказать, в свободное плавание. Ныне это излучение представляет собой радиоволны миллиметрового диапазона.

Академик Андрей Сахаров в работе 1965 года предсказал, что интенсивность реликтового излучения будет меняться от одной точки неба к другой. В статье 1970 года Пиблз подробно теоретически исследовал математические свойства этих флуктуаций. Одновременно с Пиблзом и независимо от него такое же исследование опубликовали Яков Зельдович и Рашид Сюняев. Но лауреат выразил полученные результаты в форме, которая лучше позволяла сравнить теорию с результатами наблюдений.

Флуктуации реликтового излучения крайне малы: порядка тысячной доли процента от среднего значения. Тем не менее они несут важную информацию. Эти данные позволяют измерить среднюю плотность вещества во Вселенной, причем отдельно для обычного вещества и для темной материи.

Астрономы много десятилетий знают о существовании в космосе вещества, которое не наблюдается ни в какие существующие телескопы, но проявляет себя своей гравитацией. У специалистов есть основания считать, что львиная доля этой массы приходится на неизвестные науке частицы, которые воздействуют на фотоны не так, как обычная материя. Один из важнейших аргументов в пользу этой гипотезы — как раз вид флуктуаций реликтового излучения. По современным подсчетам, темной материи более чем в пять раз больше, чем обычного вещества. Однако попытки напрямую уловить ее частицы с помощью детекторов пока не увенчались успехом.

Флуктуации реликтового излучения помогают определить и геометрию пространства. Поверхность асфальтированного шоссе можно считать плоской. Но если рассмотреть его под микроскопом, обнаружатся многочисленные неровности, а глобально шоссе искривлено вместе с поверхностью Земли. Космическое пространство, и это доказано, локально искривлено, то есть неевклидово, вблизи массивных объектов. Именно это искривление называется гравитацией. Известно также, что на расстояниях между соседними галактиками пространство евклидово. Но трудно определить, остается ли оно евклидовым на расстояниях всей Вселенной. Один из источников информации об этом — флуктуации реликтового излучения.

Точные измерения интенсивности реликтового излучения, выполненные несколькими орбитальными обсерваториями, подтвердили прогнозы Пиблза и коллег, а вместе с тем и стоящие за ними космологические теории.

В работах 1890-х и 1990-х годов нынешний лауреат утверждал, что помимо обычного вещества и темной материи во Вселенной должна быть еще одна составляющая, чтобы геометрия пространства оставалась евклидовой. Он связывал ее с так называемой космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в соответствующие уравнения в начале XX века. Сегодня этот компонент известен как темная энергия, за подтверждение существования которой Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс в 2011 году получили Нобелевскую премию по физике.

Еще одно впечатляющее достижение Пиблза связано с теоретическим исследованием формирования первых атомных ядер спустя несколько десятков минут после Большого взрыва. Ученый подсчитал, сколько при этом должно образоваться гелия. Тщательное изучение химического состава звезд подтвердило его выводы.

«Пиблз — один из людей, стоявших у истоков физической космологии как точной науки»,— считает Константин Постнов, директор Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга МГУ.

Майор и Кело удостоились премии за открытие планеты 51 Пегаса b в 1995 году. Оно стало прорывным по нескольким причинам. Это была всего третья известная планета за пределами Солнечной системы, а первые две были найдены у нейтронной звезды. Так что 51 Пегаса b стала первым миром, найденным у «живой» звезды, в недрах которой продолжаются термоядерные реакции. Это оказалась еще и звезда солнечного типа.

«Открытие лауреатов стало сюрпризом для научного сообщества. Ученые строили свои теории и гипотезы исходя из того, что планетные системы должны быть похожи на Солнечную»,— рассказывает Постнов.

Однако 51 Пегаса b оказалась не похожа ни на что известное нам по собственной системе. Планета с массой около половины массы Юпитера находится к своей звезде более чем всемеро ближе, чем Меркурий к Солнцу, и делает полный оборот за четыре земных дня. Это небесное тело стало первым представителем класса планет, известного только за пределами Солнечной системы — горячих юпитеров. В дальнейшем другие исследователи открыли еще несколько типов миров, которых нет в семье Солнца, например, суперземли и мининептуны.

«Это открытие заставило астрономов по-новому взглянуть на теории происхождения Солнечной системы. Мы знаем, что пока ни одной планетной системы, похожей на Солнечную, не найдено»,— говорит Постнов.

В этой работе Майор и Кело впервые применили метод лучевых скоростей, который занимает второе место по результативности среди многочисленных методов поиска экзопланет — он помог открыть примерно каждую пятую из более чем 4100 известных сегодня планет. Когда планета обращается вокруг звезды, ее гравитация вызывает небольшие смещения светила. Звезда, так сказать, пританцовывает на месте. Тщательный анализ ее спектра помогает обнаружить это движение. Лауреаты первыми создали достаточно точный спектрограф, чтобы уловить эти смещения, выдающие присутствие планеты.

«Их открытие положило начало исследованию новых планетных систем»,— резюмирует Постнов.

Анатолий Глянцев