Наука 2020-10-08 14:22 Олег Фея

Нобель з фізики: знайти неосяжне

За які дослідження дали Нобелівську премію з фізики цьогоріч

Останнє десятиліття серед фізичних дисциплін астрофізика була найпопулярнішою мішенню Нобелівського комітету. 2011 року він відзначив відкриття прискореного розширення Всесвіту. 2017-го нагороду видали за детектування гравітаційних хвиль, а торік — за теоретичне дослідження реліктового випромінювання та відкриття екзопланет. Цьогорічна премія стосується чорних дір. Усі ці теми поєднані загальною теорією відносності.


Чорні діри як гіпотетичні об’єкти з’явилися вже через кілька місяців після презентації Альбертом Айнштайном 1915 року його теорії. Вченого непокоїла загадка прецесії Меркурія, задля якої він побудував теорію викривленого простору-часу, що пояснює гравітацію. На його доповіді був присутній Карл Шварцшильд, директор Потсдамської обсерваторії, а тоді ще й лейтенант артилерії, який спеціально взяв відпустку зі Східного фронту заради лекції Айнштайна. Згодом Шварцшильд знаходить розв’язок рівнянь загальної теорії відносності для сферично-симетричного масивного тіла, по суті — чорної діри. У метриці Шварцшильда були дві цікаві точки, які показували відстань від центру досліджуваного тіла. Одну з них, що відповідала самому центру, згодом назвали чистою сингулярністю. Іншу точку, шварцшильдівський радіус, кілька десятиліть сприймали як «побічний» математичний продукт, який не має жодного сенсу. Сам фізик не зумів розвинути свої здогадки, адже у травні 1916 року помер від пухирниці… На його могилі в Геттінгені стоїть залізна куля, яка символізує чорну діру.

 

Читайте також: Штучний інтелект: заявки на лідерство


Тільки 1939 року Роберт Оппенгеймер, майбутній керівник Мангеттенського проєкту зі створення ядерної зброї, та його студент Гартлант Снайдер зрозуміли сутність радіусу Шварцшильда. У їхній роботі сферично-симетрична хмара пилу колапсувала до утворення чорної діри, накопичуючись у невеличкій кулі з цим радіусом, за яким будь-яка інформація про неї, окрім гравітаційного впливу, зникала. По цьому радіусу проходить горизонт подій — межа між нашим світом і тим, що перебуває всередині чорної діри. Промені світла не можуть вийти за горизонт через неймовірну силу тяжіння діри. Власне, цей радіус можна розрахувати для будь-якого масивного тіла — наприклад, для Сонця він становив би всього лише три кілометри, а для Землі — менше сантиметра. Проте ні в Сонця, ні в Землі немає шансів перетворитися на чорну діру — замалі маси.

Усі Нобелівські премії за астрофізичні дослідження останніх років видані не за відкриття, які можуть безпосередньо впливати на життя людей. А за поглиблення наших знань про Всесвіт


А що, як колапсуючий об’єкт не сферично-симетричний? У світі реальному, а не ідеалізованих математичних розрахунків, найімовірніше, так і є. 1964 року за цю задачу взявся математик Роджер Пенроуз. Людям, що не займаються професійно теорією відносності, він відомий передусім як автор численних науково-популярних книг з математики та фізики, зокрема в співавторстві зі своїм другом Стівеном Гокінгом. На той час Пенроуз уже встиг засмутити батьків, захистивши математичну дисертацію в Кембриджі, адже вони мріяли про медичну кар’єру сина. Через 30 років британець Пенроуз стане лицарем за свої досягнення в математиці й фізиці, а ще через 26 отримає Нобелівську премію з фізики.


Учений вводить поняття «захопленої поверхні», до якої світові лінії променів світла розташовані перпендикулярно. У чотиривимірному просторі часу траєкторії об’єктів описуються світовими лініями: на відміну від траєкторій, для яких важливі лише просторові координати, світові лінії враховують також час. Пенроуз створив необхідний математичний апарат і довів: якщо під час колапсу в зірки утворюється захоплена поверхня, то перетворення її на чорну діру неминуче. Нобелівський комітет називає працю вченого найбільшим досягненням у загальній теорії відносності з часів Айнштайна.

 

Читайте також: Побачити атом


Це незвичайна премія. Уперше її дали за об’єкти, які неможливо спостерігати й досліджувати безпосередньо. Та хоч би якою математично довершеною була теорія Пенроуза, довідатися, що саме відбувається в центрі чорної діри, неможливо. Імовірно, преміальний комітет керувався логікою, що чорні діри посіли важливе місце в науці, стали навіть культурним феноменом, і є чимало непрямих доказів їхнього існування. Вірогідно, за цією логікою премію отримав би й Стівен Гокінг (співавтор Пенроуза у книзі «Природа простору-часу» («Structure of space-time», 1968)), однак помер у березні 2018 року. 1974-го він теоретично передбачив наявність випромінювання чорних дір за рахунок виникнення у вакуумі біля горизонту подій пар «частинка — античастинка». Такі пари постійно виникають у фізичному вакуумі, однак миттєво зникають — анігілюють. Чорна діра може захопити частинку або античастинку, і тоді її «напарник» вилетить у космос. Це ще одне нетривіальне досягнення загальної теорії відносності на перетині з квантовою фізикою, яке поки що неможливо спостерігати безпосередньо.


Якщо Нобелівський комітет справді керувався такою логікою, то постає запитання: а яке наразі є найвагоміше дослідження чорних дір? Одне з кандидатів на першість — детектування гравітаційних хвиль від злиття двох масивних об’єктів, яке не супроводжується електромагнітним випромінюванням. Уперше такі хвилі зареєстрували на інтерферометрі LIGO у вересні 2015-го, а двома роками пізніше Кіп Торн, Баррі Беріш та Райнер Вайсс отримали за це свою премію. Є й інший претендент: 10 квітня 2019 року команда Телескопа горизонту подій (Event Horizon Telescope, EHT) оприлюднила фотографію надмасивної чорної діри у галактиці M87. Діра, яка отримала назву Powehi (у гавайській міфології — «неосяжна порожнеча») і важить десь як 4 млрд Сонць, спостерігалася системою із восьми телескопів, розташованих в різних куточках Землі. На зображенні — яскравий акреційний диск, скупчення плазми й фотонів, які оточують чорну порожнечу в центрі.


Ще одна «мішень» EHT — Стрілець А*, чорна діра в центрі Чумацького шляху за 26 тис. світлових років від Землі. Відкриття цього об’єкта масою в 4 млн сонячних — інша половина Нобелівської премії з фізики, виданої лідерам двох наукових груп, які незалежно одна від одної спостерігали діру на початку нульових років. Група Генцеля, директора Інституту позаземної фізики Товариства Макса Планка, працювала в Європейській південній обсерваторії (Чилі), а команда Гез, професорки Каліфорнійського університету, використала потужності Обсерваторії Кека (Гаваї).

 

Читайте також: DeepMind: оптимістичний погляд у майбутнє


Ідея, що в центрах галактик можуть існувати велетенські чорні діри, виникла 1963 року після відкриття першого квазара 3C 273 у сузір’ї Діви (2,4 млрд світлового року від Землі). Випромінювання цього об’єкта в 4 трлн разів потужніше за сонячне — більше за всю нашу галактику! Квазізоряні радіоджерела (скорочено «квазари»), є найпотужнішими видимими об’єктами у Всесвіті. Вони не могли бути зірками — така велетенська зоря просто не зможе існувати. Припущення, що квазар є чорною дірою, каталізувало інте­рес Роджера Пенроуза до теми. Після того як у 1970-х розробили гіпотезу акреційних дисків, з’явилися обриси теорії, що квазари — ядра молодих галактик, велетенські чорні діри, на які падає величезна кількість речовини. Імовірно, в минулому і Чумацький Шлях пройшов крізь стадію квазару, тож у його центрі має розміщуватися надмасивна чорна діра.


Таку діру і знайшли команди цьогорічних нобеліатів. Вони спостерігали за об’єктом із сильним радіовипромінюванням у сузір’ї Стрільця. Та як довести, що певний об’єкт — чорна діра? У центрі Чумацького Шляху висока густина зірок. В області навколо центру, що не перевищує відстані від Сонця до Проксіми Центавра, зосереджено їх кілька сотень. Їхній рух і є підказкою, як знайти чорну діру. Особ­ливо цікаві S-зірки, названі так групою Генцеля. Періоди обертання їх настільки малі, що вони могли б розміститися в Сонячній системі. Від часу активного спостереження за цією областю зірка S2 зробила повний оберт навколо центра галактики усього за 16 років (для порівняння: Юпітер робить оберт навколо Сонця за приблизно 12 років). Її відстань до центру галактики 17 світлових годин — лише трохи більше, ніж пролетіли апарати «Вояджер-1» та «Вояджер-2»


Виміряний командами нобеліа­тів з дивовижною точністю рух S-зірок дав змогу розрахувати масу чорної діри. Гіпотеза існування таких об’єктів у центрах галактик укотре отримала важливе підтвердження, а Нобелівський комітет розглянув цей доказ як вагомий аргумент існування самих чорних дір.


Усі Нобелівські премії за астрофізичні дослідження останніх років видані не за відкриття, які можуть безпосередньо впливати на життя людей. А за поглиблення наших знань про Всесвіт: його розшрення, далекі екзопланети, гравітаційні хвилі… Вони збуджують уяву і стають елементами масової культури, впливаючи на фантастичну літературу та кінематограф. І в цьому контексті чорні діри таки мають значення. Хоч ми й не можемо бачити їх.