Ученые пролили свет на черные дыры: за что вручили Нобелевку по физике

Нобелевскую премию по физике в 2020 году дали за открытия, связанные с одним из самых экзотических явлений во Вселенной — черной дырой. Почему звезды в центре Млечного Пути вращаются с такой поразительной скоростью? Что за «монстр» затягивает в себя космические объекты? В существование черных дыр не верил даже Альберт Эйнштейн. Однако исследования лауреатов переубедили самых недоверчивых критиков.

В этом году премии удостоились Роджер Пенроуз (Великобритания), Рейнхард Гензель (Германия) и Андреа Гез (США). Пенроуз показал, что черные дыры — это прямое следствие общей теории относительности. Гензель и Гез обнаружили, что в центре галактики находится невидимый и чрезвычайно тяжелый объект, который управляет орбитами звезд.

«Заслуженная премия, — отметил в разговоре с Daily Storm физик и академик РАН Лев Зеленый. — Черные дыры — великое открытие XX века. Лауреаты этого года приблизили нас к новой физике. Но мне чуть-чуть обидно, потому что в России этой темой много занимался Анатолий Черепащук, бывший директор Астрономического института (имени П.К. Штернберга. — Примеч. Daily Storm). Он признанный во всем мире автор книг о черных дырах. Тем не менее для астрофизиков Нобелевка — хорошая новость, она привлечет дополнительное внимание к нашей науке».

Набрать массу 

Даже Альберт Эйнштейн не думал, что черные дыры могут существовать в действительности. Хотя именно из теории относительности следует такая возможность.

Благодаря Эйнштейну, наука ушла от понимания гравитации как некой «таинственной силы». Ученый нашел закономерность, согласно которой вещи падают, вращаются на орбите, искажают время. Все и каждый во Вселенной находится во власти гравитации. Она удерживает нас на Земле, управляет движением планет вокруг Солнца и орбитой самого светила вокруг центра Млечного Пути. Сила тяготения приводит к рождению звезд и в конечном итоге к их гибели в результате гравитационного коллапса. Огромная масса искривляет пространство и замедляет время, а колоссальная образует черные дыры — такое гравитационное притяжение, от которого не может «сбежать» ни один объект и даже свет — самый быстрый из «бегунов». 

Первое описание черной дыры появилось уже через несколько недель после публикации теории относительности. Более поздние исследования показали, что черная дыра окружена горизонтом событий — воображаемой чертой, пересечение которой никогда не позволит вам вернуться обратно. А значит, никто не сможет стать свидетелем того, что происходит в границах черной дыры.

В культурном контексте черные дыры превратились в синоним неизведанного, но для физиков они оставались конечным этапом эволюции гигантских звезд. Первый расчет коллапса звезды был произведен в конце 1930-х годов физиком Робертом Оппенгеймером (позже он возглавит проект «Манхэттен» по созданию первой атомной бомбы). Ученый установил: сначала гигантские звезды взрываются как сверхновые, а затем коллапсируют в чрезвычайно плотный объект, который втягивает все внутрь себя. В отличие от них, Солнце никогда не превратится в черную дыру. Для этого нашей заурядной звездочке пришлось бы набрать массу в несколько раз больше той, что есть сейчас.

Вплоть до 1960-х годов подобные решения не выходили за рамки гипотез. Но лауреат этого года Роджер Пенроуз смог доказать: черная дыра — астрофизический объект, а не какая-то фантазия.

Пенроуз изучал внутренние структуры и объяснял процессы вблизи черных дыр. Он вывел оригинальные математические методики, которые Нобелевский комитет назвал гениальными. Также физик доказал, что черная дыра всегда скрывает сингулярность. По мере продвижения вглубь дыры пространство и время продолжают искривляться и в центре (точке сингулярности) становятся бесконечно искривленными. Все известные законы физики там больше не действуют.

Другая теория Пенроуза помогла ученым открыть квазары и тем самым подготовить почву для других нобелевских лауреатов, получивших премию в этом году. Квазары — самые яркие объекты в космосе. Их свет летит к Земле более миллиарда лет, из самого «детства» Вселенной. Но в таком случае они должны иметь интенсивность излучения как у нескольких сотен галактик. В 60-х годах ученые предположили, что квазары заключают в себя черные дыры, рядом с которыми кружат космические вещества. Эти вещества могут попасть в дыру, и тогда произойдет мощное выделение энергии, заметное спустя миллионы лет. После этого о черных дырах заговорили всерьез.

Звезды по центру

Открыв квазары, астрономы пришли к выводу, что сверхмассивные черные дыры находятся внутри большинства галактик, включая нашу. Центр Млечного Пути лежит в направлении созвездия Стрельца. В прошлом веке астрономы нашли там сильный источник радиоволн и назвали его «Стрелец A*». Вокруг него вращаются все звезды галактики. Однако огромные облака межзвездного газа и пыли закрывают от нас эту область. Только в 1990-х годах уникальные большие телескопы и новое оборудование позволили проводить исследования Стрельца A*.

Рейнхард Генцель и Андреа Гез возглавили две исследовательские группы, которые с начала 1990-х изучают центр галактики. Ученые отследили около 30 самых ярких звезд и с большой точностью нанесли их траектории на карту.

Обе группы обнаружили чрезвычайно тяжелый невидимый объект, который тянет за собой нагромождение звезд, заставляя их метаться с головокружительной скоростью. Масса спрятанного объекта — около четырех миллионов Солнц. Судя по всему, это сверхмассивная черная дыра.