Розбір | Нобель з фізики 2020: відкриття – космос! Чорні діри і знахідка в центрі галактики

Космос вабить багатьох: дітей, режисерів, художників, письменників та найбільше – вчених. Простори космосу – буквально неосяжні, тому місця вистачає усім. 

І якщо за хороші фільми дають "Оскар" (ягок свого часу відзначили стрічку "Інтерстеллар"), то за наукові здобутки присуджують Нобелівську премію.

Цьогоріч лауреатами Нобелівської премії у галузі фізики стали дослідники космосу - британський фізик-математик Роджер Пенроуз, німецький астрофізик Райнгард Ґенцель та американська астрономиня Андреа Ґез.

Премію поділили так, що Пенроуз отримав 1/2 за "дослідження чорних дір", а Ґенцель та Ґез по 1/4 за "відкриття надмасивного компактного об'єкта в центрі нашої галактики".

Чи такі ж круті їхні відкриття як фільми про космос і чи варті вони наукового "Оскару", LIGA.Life розбиралася разом з Віталієм Шевчуком – вчителем фізики та засновником науково-популярного каналу "Цікава наука".

Чому чорні діри не дають спокою вченим

Чорна діра – це регіон простору-часу. Гравітація там настільки сильна, що цей регіон не можуть покинути жодні частинки, навіть якщо вони рухаються зі швидкістю світла (як-от фотони, частинки електромагнітного випромінювання).

Загальна теорія відносності передбачає, що достатньо компактна маса може завдяки деформації простору-часу створити чорну діру.

Межа цього регіону, з якого ніщо не може вийти, називається горизонтом подій. Хоча горизонт подій значно впливає на долю об'єкта, який його перетинає, за загальною теорією відносності, локально він не має ознак, які дозволили б його виявити. 

Ба більше, квантова теорія поля у викривленому просторі-часі свідчить, що горизонти подій випускають випромінювання Гокінґа.

Але температура цього випромінювання – близько однієї мільярдної кельвіна (кельвін – одиниця вимірювання температури в так званій абсолютній термодинамічній шкалі) для чорних дір зоряної маси, що робить пряме спостереження такого випромінювання практично неможливим.

Що гризе Роджера Пенроуза? 

Роджера Пенроуз був одним із тих, кого страх як цікавили чорні діри, а головним чином те, як вони утворюються. Відповідь постала перед ним одного осіннього дня 1964 року в Лондоні під час прогулянки. 

Його пояснення стосувалося внутрішньої області горизонту подій – уявної межі в просторі-часі, за якою жодні події не можуть впливати на зовнішнього спостерігача.

Після перетину горизонту подій жоден об’єкт не зможе повернутися в ту частину Всесвіту, з якої прибув. Чому? Для цього знадобилася б надсвітлова швидкість, досягнути яку неможливо.

Під горизонтом не існує напрямків, рухаючись вздовж яких навіть на швидкості світла можна було б покинути чорну діру.

Пенроуз розробив математичні моделі, які пояснювали низку явищ, що відбувалися на горизонті подій.

Завдяки цим моделям він зміг довести, що чорна діра завжди має сингулярність – точку, у якій закінчуються час і простір; ділянку простору-часу, у якій речовина має нескінченно велику густину й температуру, і де закони фізики вже не працюють.

Тобто, Пенроуз довів, що загальна теорія відносності передбачає утворення чорних дір в результаті гравітаційного колапсу масивних об’єктів на кшталт зірок.

До речі, Альберт Айнштайн не вірив, що чорні діри дійсно існують.

Роджер Пенроуз також працював разом зі Стівеном Гокінґом. Результатом їхньої роботи стали теореми Пенроуза-Гокінґа в загальній теорії відносності, які намагаються дати відповідь на запитання, як саме гравітація породжує сингулярності.

У 1988 році їхню роботу відзначили премією Вольфа. Пенроуз та Гокінґ отримали її за "блискучий розвиток загальної теорії відносності, в якому вони показали неминучість космологічних сингулярностей і пояснили фізику чорних дір. У своїй роботі вони значно поглибили наше розуміння походження і можливої ​​долі Всесвіту".

Внесок Пенроуза у вивчення чорних дір важко переоцінити. Його роботи дозволили усунути усі перешкоди перед початком теоретичних, а потім і астрофізичних досліджень цих екзотичних об’єктів. Розуміння того, якими є чорні діри, дозволило почати їхні пошуки. 

Світ ловив її і спіймав

Протягом 50 років вважали, що у центрі нашої галактики – Чумацького Шляху – є чорна діра. Але фактичних доказів не було.

Попри те, що побачити чорну діру неможливо (у квітні 2019 року Event Horizon Telescope вдалося зробити сякий-такий знімок "тіні" чорної діри), можна встановити її розташування. Адже її колосальна гравітація впливає на рух зірок довкола. Однак для цього необхідне надзвичайно потужне обладнання.

І така техніка з'явилася у 1990-х. Технологічний прогрес дозволив вченим шукати спостережувані підтвердження гіпотези щодо існування чорної діри в центрі Чумацького Шляху. 

Лише найбільші у світі оптичні та інфрачервоні телескопи мали достатню потужність, щоб вивчати зірки поблизу центра Галактики. Одним з таких потужних телескопів користувалися німецький астроном Райнгард Ґенцель та його дослідницька група на горі Ла Сілла (а згодом на горі Параналь) у Чилі. 

Водночас у США Андреа Ґез та її дослідницька група працювали в обсерваторії Кека, що на горі Мауна-Кеа на Гавайських островах. До їхніх послуг був телескоп, діаметр дзеркал якого майже десять метрів – одні з найбільших у світі. Кожне дзеркало складається з 36 шестикутних сегментів, які можуть рухатися незалежно, щоб краще фокусувати зоряне світло.

Великі і потужні телескопи це добре, але недостатньо.

Протягом майже тридцяти років Рейнхард Ґенцель та Андреа Ґез стежили за зірками у центрі галактики та постійно розробляли нові і вдосконалювали вже існуючі технології.

Вони використовуючи чутливі цифрові датчики світла та адаптивну оптику, щоб покращити якість зображень. Завдяки їхній праці роздільна здатність зображень покращилася у понад тисячу разів. Як наслідок, вчені могли точніше визначати координати зірок.

Райнгард Ґенцель та Андреа Ґез разом зі своїми групами вивчали центр нашої галактики. Він складається з газу і пилу та декількох сотень мільярдів зірок. Роздивитися його із Землі – не так вже й просто, адже величезні хмари міжзоряного газу та пилу затуляють більшу частину видимого світла, що надходить із центру галактики. 

Групи Ґенцель та Ґез досліджували орбітальні рухи зірок поблизу чорної діри впродовж кількох років.

Використовуючи орбіти зірок як направляючі, Ґенцель та Ґез отримали переконливі докази того, що там ховається невидимий надмасивний об’єкт. Безсумнівно це була чорна діра.

Вона отримала назву "Стрілець A*".

Вчені змогли побудувати траєкторії руху зірок поблизу чорної діри, отже, оцінити її параметри: масу та розміри. Результати вимірювань двох груп фактично збіглися, оскільки вказували на невидимий масивний і надкомпактний об’єкт масою 4,2 мільйона мас Сонця, розташований в частині простору з розміром, меншим ніж Сонячна система.

Що далі?

Астрофізика – це фундаментальна наука, і вона не "зобов’язана" давати практичну користь не лише зараз, а й узагалі.

Але саме фундаментальні відкриття та дослідження роблять можливими цілком практичні досягнення людства в різних сферах, які почасти не мають нічого спільного з тією наукою, яка зробила можливим їхнє втілення. 

Дослідження чорних дір дозволяє не лише дізнаватися більше про Всесвіт (а також його минуле чи майбутнє), а й просуватися вперед в зовсім інших галузях науки, зокрема в квантовій теорії поля, теорії струн тощо. 

Також вивчення чорних дір різних мас дає можливість або підтверджувати окремі гіпотези чи теорії, або спростовувати їх (що однаково корисно). 

Для не заглиблених в науку читачів цікавими можуть бути гіпотетичні можливості, пов’язані з подорожами в інші частини Всесвіту через так звані червоточини або кротовини. Пам’ятаєте “Інтерстеллар"?

Співавтор: Віталій Шевчук

Ліна Криворучко

редакторка LIGA.Life