Нобелевская премия по физике в 2020 году, как и годом раньше, отмечает открытия в области астрономии. Она присуждена трём астрофизикам за теоретическое исследование чёрных дыр и открытие сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики.
6 октября 2020 года в Стокгольме прошла процедура объявления лауреатов Нобелевской премии этого года. Роджер Пенроуз (Roger Penrose) из Оксфордского университета получил половину премии за исследования теории гравитации и чёрных дыр, которыми он занимался ещё с 1960-х годов. Официальная формулировка Нобелевского комитета: «За открытие того, что образование чёрных дыр является прямым предсказанием Общей теории относительности». Вторую половину премии получили Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) из Института внеземной физики общества Макса Планка (Германия) и Андреа Гез (Andrea Ghez) из Калифорнийского университета «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре Нашей Галактики». Речь идёт о чёрной дыре массой в несколько миллионов масс Солнца, которые, как теперь считается, образуют центры большинства галактик.
В 1965 году Пенроуз доказал, что образование чёрных дыр следует из уравнений Общей теории относительности. Они являются особыми решениями уравнений Эйнштейна, предполагающими гравитационную сингулярность — вырожденную область пространства-времени вблизи массивного объекта с массой больше некоторого критического значения (в зависимости от его размеров). Вещество и свет не могут выйти «изнутри» за пределы горизонта событий вокруг такой области. Для тела с массой Солнца гравитационный радиус (размер, при котором тело этой массы станет чёрной дырой) составляет 3 километра, а для массы Земли — один сантиметр. Чёрную дыру поэтому нельзя увидеть, но можно исследовать свойства материала, падающего на неё, в частности, его излучение и аккреционные диски вокруг таких объектов. Первая «фотография» чёрной дыры в галактике M87, полученная в 2019 году при помощи массива радиотелескопов, представляет собой комбинированное изображение такого аккреционного диска.
Такие особые решения уравнений Эйнштейна, разумеется, бросались в глаза и раньше — их получили почти сразу после обнародования его теории относительности. Сам Эйнштейн в существование чёрных дыр, насколько мы знаем, не верил — вероятно, он считал «экзотические» решения собственных уравнений с бесконечностями математическим курьёзом и не предполагал, что они могли бы описывать какую-либо физическую сущность. Однако вообразить такие гипотетические объекты несложно. Больше того, ещё в XVIII веке возникла идея о том, что могут существовать массивные тела, для которых «скорость отрыва» (вторая космическая скорость) будет больше скорости света. Массу такого объекта легко рассчитать даже из классической физики. Пьер Лаплас и Джон Мичелл в 1780-х годах независимо сделали такие оценки, отталкиваясь от известных им объектов и взяв за основу гипотетические звёзды с плотностью вещества как у Солнца и Земли. Как теперь понятно, они «предсказали» сверхмассивные дыры в центре галактик — предмет второй части Нобелевской премии этого года.
Заслуга Пенроуза — в разработке математического аппарата для исследования такой гравитационной сингулярности с использованием понятий из современной топологии. Ему удалось решить нетривиальную математическую задачу — доказать, что чёрная дыра может сформироваться в реальном мире в результате коллапса массивного объекта (например, звезды). Раньше решения уравнений Эйнштейна, предсказывающие гравитационный коллапс материи, получались в предположении сферической симметрии системы. Было неясно, не являются ли такие решения только следствием симметрии, очевидно, в реальности нереализуемой. При помощи топологических преобразований Пенроуз доказал, что гравитационный коллапс не является только артефактом симметрии, и чёрные дыры могут быть реальными объектами. Считается, что этот результат стал первым результатом Общей теории относительности после эпохи Эйнштейна. Примерно в это время были открыты первые квазары — сверхмощные внегалактические источники, которые, как представляется, являются активными ядрами некоторых галактик и возникают из-за взаимодействия чёрной дыры в такой галактике со своим окружением.
Два других лауреата, Р. Генцель и А. Гез — руководители исследовательских групп, которые с начала 1990-х годов изучают район центра нашей Галактики. На небесной сфере он расположен в созвездии Стрельца в южном небе и носит обозначение Sgr A* (Sagittarius А*). Поскольку саму чёрную дыру мы видеть не можем, под этим именем понимается компактный и мощный источник инфракрасного излучения и радиоволн. Это одно из проявлений сверхмассивной чёрной дыры: мы можем их изучать только по особенностям распределения и движения видимой материи в их окрестностях. В данном случае источником радиоизлучения является газовое облако, окружающее дыру. Сам объект Стрелец А* является частью более сложного «объекта» под названием Стрелец A, который составлен, возможно, остатками Сверхновой, несколькими газопылевыми облаками и другими структурами. Так или иначе все эти объекты связаны с чёрной дырой в центре Галактики. Кроме Sgr A, вблизи чёрной дыры расположено ещё несколько структур, проявляющихся в диапазонах от радиоволн до рентгеновского излучения.
Наблюдения за центром Галактики сильно усложняются из-за того, что на пути светового луча находится много звёзд галактического диска и поглощающих свет объектов — газопылевых облаков. Они видны на ночном небе в виде многочисленных тёмных «рукавов» Млечного Пути, за которыми звёзды практически не просматриваются. Поэтому наблюдения центра Галактики возможны только в определённых диапазонах длин волн, а исследования на наземных телескопах требуют сложных алгоритмов обработки данных с исключением искажений от земной атмосферы. Обе группы выполняли существенную часть наблюдений в ближней инфракрасной области при помощи телескопов Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили и обсерватории Кека на Гавайях. Они исследовали траектории движения ближайших к предполагаемой чёрной дыре звёзд и квазизвёздных объектов. В частности, обе группы изучали недавно открытый класс объектов, или G-объектов, вращающихся вблизи чёрной дыры и обладающих свойствами массивных звёзд и газовых облаков одновременно. Возможно, это некие «остатки» звёзд, которые под воздействием приливных сил чёрной дыры массой в 4 миллиона масс Солнца деформируются и растягиваются по своим орбитам так, что их можно наблюдать даже на таком расстоянии. По их траекториям, а также по свойствам ближних объектов других классов, можно сделать вывод о наличии и свойствах сверхмассивной чёрной дыры Sgr A*. В статье более подробно рассказывается об исследовании этих объектов по мотивам недавней публикации в Nature калифорнийской группы астрофизиков, представитель которой сегодня стала лауреатом Нобелевской премии.
Сегодня существование чёрных дыр принимается как уверенно установленный факт. Долгое время они разделялись на два класса: «чёрные дыры звёздной массы» — вероятно, конечная стадия эволюции некоторых очень крупных звёзд, и сверхмассивные дыры в центрах галактик, с массой в миллионы солнечных — за открытие такого объекта получили Нобелевскую премию два других лауреата этого года. Ближайшие обнаруженные чёрные дыры звёздной массы находятся от нас на расстоянии несколько тысяч световых лет (о недавно открытой самой ближней дыре на расстоянии 1000 св. лет см. отдельную статью). Промежуток между этими классами с гипотетическими чёрными дырами массой выше ~100 солнечных оставался незаполненным. В последнее время новым методом обнаружения чёрных дыр стали гравитационные волны. В частности, на гравитационных детекторах начали открывать и чёрные дыры промежуточной массы, образующиеся при слиянии таких менее массивных объектов (об одном недавнем открытии также есть статья). Не исключено, что и сверхмассивные чёрные дыры могли образовываться по такому сценарию.
* * *
Запись трансляции церемонии объявления Нобелевской премии по физике в 2020 году:
Посвящённый вручению премии по физике стрим канала «Наука 2.0» с участием астрофизика Сергея Попова:
