Нобель по физике – за исследования черных дыр

Нобелевская премия в области физики в этом году была разделена между тремя учеными из разных стран за исследования черных дыр. Половину премии присудили сэру Роджеру Пенроузу, профессору Оксфордского университета, за "доказательство того, что образование черных дыр явно следует из общей теории относительности". Вторую половину разделили Райнхард Генцель из Института внеземной физики Общества Макса Планка и Андреа Гез, профессор Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе, за открытие "невидимого и сверхмассивного объекта в центре нашей Галактики".

Черные дыры – это, возможно, один из наиболее экзотических астрофизических объектов, исследуемых сегодня. Предположения о существовании небесных тел такой огромной массы, что их притяжение не может преодолеть даже свет, высказывались учеными еще в XVIII веке, но их изучение было невозможно из-за отсутствия инструментов. Настоящие исследования в этой области – теоретические и экспериментальные – начались лишь в XX веке. Существование черных дыр стало одним из важнейших пунктов общей теории относительности Альберта Эйнштейна. При этом даже создатель теории не был уверен в них до конца. Особая роль здесь принадлежит именно Роджеру Пенроузу. Основу своей нынешней победы он заложил еще в 1965 году. Применив математические методы, британец доказал, что черные дыры все-таки существуют, и даже смог в деталях описать их строение.

Райнхард Генцель и Андреа Гез занимались экспериментальными исследованиями черных дыр. В 1990-х годах две команды ученых начали использовать возможности наземных инфракрасных обсерваторий для изучения центра нашей Галактики – Млечного пути. Группа Генцеля работала с данными телескопов Европейской Южной обсерватории в Чили, группа Гез проводила исследования в обсерватории имени Уильяма Кека на Гавайях. Независимо друг от друга обеим группам удалось доказать, что в центре Галактики – области, получившей название Стрелец А* – находится "невидимый для приборов, но невероятно массивный объект". Такая формулировка неслучайна: в том, что этот "объект" именно черная дыра, ученые не уверены до сих пор – у них просто нет другого объяснения.

Показать изображение крупным планом

Закрыть

Открытый объект тяжелее Солнца более чем в 4 миллиона раз, его окружает облако из раскаленного газа. Для оптических телескопов этот объект невидим, его существование подтверждает яркое радиоизлучение. Обеим группам удалось создать и применить на практике теорию о том, как можно разглядеть этот объект сквозь облака газа. «Открытия лауреатов этого года открыли новые горизонты в изучении компактных и сверхмассивных объектов. При этом они до сих пор оставляют множество вопросов, которые ждут ответов и мотивируют будущие исследования. Причем эти вопросы касаются не только их внутренней структуры, но и того, как проверить теорию тяготения в экстремальных условиях вблизи черной дыры», – прокомментировал присуждение премии глава Нобелевского комитета по физике Дэвид Хэвиленд.

Райнхард Генцель: путь к Нобелевке

Немец Райнхард Генцель родился в 1952 году в городке Бад-Хомбург. В юности он профессионально занимался легкой атлетикой и был одним из лучших юниоров в метании копья в ФРГ. После окончания школы Генцель изучал физику в университетах Фрайбурга и Бонна, в 1978 году защитил докторскую диссертацию в Радиоастрономическом институте Макса Планка, и в скором времени был приглашен на работу в Калифорнийский университет в Беркли, США. В середине 1980-х Генцель вернулся в ФРГ, продолжил свою научную работу в Обществе Макса Планка, где позже стал одним из руководителей Института внеземной физики и возглавил исследования по инфракрасной и субмиллиметровой астрономии. Кроме того, Генцель – лауреат многочисленных премий в области астрономии и астрофизики – преподает в Университете Людвига-Максимилиана в Мюнхене и Калифорнийском университете.

За последние годы Райнхард Генцель и его команда достигли нескольких революционных результатов своих исследований в галактической и внегалактической астрофизике. Например, в 2001 году ученые исследовали в инфракрасном свете "сердце" Млечного пути, которое находится на расстоянии около 26 тысяч световых лет от Земли. Генцель и его коллеги нанесли на карту движение звезд в центральном скоплении с высоким пространственным разрешением. С помощью адаптивной оптики для компенсации турбулентности воздуха и метода пространственной интерферометрии, основанного на анализе зернистой структуры изображения объекта, ученые смогли точно измерить скорости звезд в гравитационном поле предполагаемой черной дыры на расстоянии до 0,1 угловой секунды, а также определили массу черной дыры с очень высокой точностью, около 4,31 миллиона солнечных масс.

С помощью чувствительных инструментов Генцелю впервые удалось продемонстрировать так называемое гравитационное красное смещение звезды. Исследователи проследили движение звезды под названием S2 по орбите вокруг черной дыры, к которой она особенно близко подошла в 2018 году. Кратчайшее расстояние между S2 и черной дырой составляло около 14 миллиардов километров. Звезда двигалась со скоростью более 25 миллионов километров в час, что соответствует почти трем процентам скорости света. Измерения ясно показали, что свет от звезды растягивается до более длинных волн под действием очень сильного гравитационного поля черной дыры и поэтому кажется красноватым.

В 2018 году Райнхард Генцель опубликовал статью о наблюдении вспышек яркости в непосредственной близости от галактической черной дыры. Исследователи видели три таких вспышки, все они имели одинаковые радиусы орбиты и периоды обращения. Движение этих трех горячих точек в центре Галактики можно объяснить с помощью простой модели орбиты, радиус которой в три-пять раз больше, чем у горизонта событий черной дыры. Группа Генцеля обнаружила, что газ вращается вокруг него со скоростью 30 процентов от скорости света. Весной этого года группа сделала еще одно решающее открытие: годы наблюдений за орбитой S2 показали, что звезда не остается неподвижной в космосе, а медленно прогрессирует, то есть несколько оборотов S2 образуют форму "розетки". Эйнштейн также предсказал этот эффект в своей теории, и он объясняет, например, давно известное вращение орбиты Меркурия.

Другие обладатели Нобеля 2020 года

Показать изображение крупным планом

Закрыть

Нобелевская неделя стартовала 5 ноября, когда были названы ее первые лауреаты этого года. Премию по медицине и физиологии присудили британскому ученому Майклу Хоутону и американцам Харви Альтеру и Чарльзу Райсу за их исследования вируса гепатита С. Премии по литературе удостоилась американская поэтесса и профессор Йельского университета Луиза Глюк "за ее безошибочный поэтический голос, который простой красотой делает индивидуальный опыт универсальным". Лауреатом Нобелевской премии мира стала Всемирная продовольственная программа ООН за усилия по борьбе с голодом и вклад в улучшение условий в зонах конфликтов.

Премию по химии получили французский микробиолог Эммануэль Шарпантье и американская исследовательница Дженнифер Дудна "за развитие метода редактирования генома", который также называют "генетическими ножницами". Интересно, что Эммануэль Шарпантье проводит свои исследования на базе немецкого Института инфекционной биологии Общества Макса Планка, является членом Берлинско-Бранденбургской академии наук, профессором Фонда Александра фон Гумбольдта и директором Исследовательского центра патогенов Макса Планка. В контексте награды Нобелевский комитет заявил о революционном влиянии генетического инструмента на фундаментальную науку и развитии принципиально новых методов изучения генетических заболеваний. В 2019 году Эммануэль Шарпантье удостоилась Ордена "За заслуги перед Федеративной Республикой Германия" за свои исследования. Награду ей вручил федеральный президент Франк-Вальтер Штайнмайер.

Нобелевская неделя завершится 12 октября, когда объявят обладателя премии по экономическим наукам. В связи с пандемией коронавируса традиционная церемония вручения премий пройдет в декабря в формате телетрансляции. Размер премии в этом году составил 10 миллионов шведских крон (около 956 тысяч евро).

Дарья Хрущева