Нечто в центре Галактики: за что вручили Нобелевскую премию по физике      

Чуть больше месяца назад, 6 октября, была вручена Нобелевская премия по физике. В этом году половину премии присудили Роджеру Пенроузу, а вторую половину разделили между Рейнхардом Гензелем и Андреа Гез. Все трое ученых известны своей работой над вратами в вечность — черными дырами, массивными объектами, навсегда поглощающими свет и все, что осмелится приблизиться к ним слишком близко. Но что конкретно изучали исследователи? Разбираемся, в чем различие их работ и какие во многом философские вопросы ставят перед человечеством их открытия.

.marker { background: #FFE3E0; background: linear-gradient(180deg,rgba(255,255,255,0) 45%, #FFE3E0 55%); }

Итак, доктор Пенроуз, математик из Оксфордского университета, был удостоен половины приза размером около 1,1 миллиона долларов за доказательство того, что черные дыры должны существовать, если теория гравитации Альберта Эйнштейна, известная как общая теория относительности, верна. Вторую половину приза поделили между доктором Гензелем и доктором Гез за их неустанное и многолетнее исследование ближайшего к нам темного монстра в центре нашей собственной Галактики с целью сбора доказательств, которые позволят признать его сверхмассивной черной дырой. Доктор Гез — четвертая женщина, получившая Нобелевскую премию по физике: после Марии Кюри в 1903 году, Марии Гепперт-Майер в 1963 году и Донны Стрикленд в 2018 году.

О чем говорил Эйнштейн

Черные дыры были одним из первых и самых экстремальных предсказаний общей теории относительности Эйнштейна, впервые представленной в ноябре 1915 года. Теория объясняет силу, которую мы называем гравитацией: все объекты пытаются следовать по прямой линии через Вселенную, геометрия которой искажена материей и энергией, в результате чего планеты, а также лучи света движутся по извилистым траекториям.

Через несколько месяцев после представления теории Эйнштейна Карл Шварцшильд, немецкий астроном, указал, что его уравнения содержат своего рода апокалиптическое предсказание: по сути, слишком большое количество материи и энергии внутри слишком маленького пространства заставит пространство-время схлопнуться в точку бесконечной плотности, называемой сингулярностью. И в этом моменте ни уравнения Эйнштейна, ни любой другой физический закон не имеют смысла. Эйнштейн не мог придраться к математике, представленной Шварцшильдом, но предположил, что в реальной жизни природа найдет способ избежать такого бедствия.

Спустя десять лет после смерти ученого, в 1965 году, доктор Пенроуз, лауреат нынешнего года, приблизился к тому, чтобы раскрыть тайну черной дыры

Талантливый математик, Пенроуз изобрел новый способ изображения пространства-времени, названный диаграммой Пенроуза, которая позволила обойти большинство математических сложностей общей теории относительности.

Источник: wikipedia.org

Именно диаграмма Пенроуза теперь является общим языком космологии, ведь он доказал, что, если слишком много массы накопится в слишком маленьком пространстве, коллапс в черную дыру будет неизбежен. Чтобы сбежать, придется двигаться на границе черной дыры, называемой горизонтом событий, быстрее скорости света — признанного космического предела скорости. А это значит, что «сбежать» попросту невозможно. При этом внутри границ черной дыры время и пространство поменяются ролями, и поэтому все направления будут вести вниз, к ее центру, где плотность станет бесконечной, а все законы физики, какими мы их знаем, будут нарушены.

В общем, Пенроуз математически показал, что черная дыра — ворота в конец времен и всей Вселенной

Ученый также известен тем, что открыл так называемую мозаику Пенроуза — это общее название трех особых типов непериодического разбиения плоскости, для которых характерно отсутствие трансляционной симметрии. Грубо говоря, с помощью этого метода можно выложить плиткой бесконечный метафорический пол без единого повторения узора. Он также представил свои нестандартные взгляды на искусственный интеллект и происхождение сознания в книге под названием «The Emperor’s New Mind: Concerning Computers, Minds and the Laws of Physics».

Источник: wikipedia.org

Вскоре после того, как доктор Пенроуз произвел свои прорывные вычисления, совместно со Стивеном Хокингом (возможно, ведущим теоретиком черных дыр в мире) они использовали те же методы, чтобы доказать, что если общая теория относительности верна, то у Вселенной должно быть начало — довольно значимое и масштабное открытие.

Путешествие к центру Галактики

Сегодня астрономы согласны с тем, что Вселенная усеяна черными дырами, включая те, которые прячутся в самом сердце большинства галактик, — весной прошлого года одну из них, находящуюся на расстоянии около 55 миллионов световых лет, даже удалось сфотографировать. Однако нечто может быть найдено и гораздо ближе: прямо в центре нашей собственной Галактики Млечный Путь, в 26 тысячах световых лет от Земли, находится слабый источник радиошума под названием Стрелец A. В 1971 году *Мартин Рис** и Дональд Линден-Белл предположили, что это не что иное, как сверхмассивная черная дыра.

Источник: wikipedia.org

Работая независимо друг от друга, доктор Гензель, доктор Гез и их команды в течение нескольких последних десятилетий с помощью телескопов в Чили и на Гавайях отслеживали звезды и пылевые облака, несущиеся вокруг центра нашей Галактики, пытаясь понять, действительно ли вся эта пыль скрывает черную дыру.

Доктор Гез родилась в Нью-Йорке 16 июня 1965 года, она профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и один из авторов детской книги «You Can Be a Woman Astronomer». Доктор Гензель — директор Института внеземной физики Макса Планка в Гархинге, Германия, и профессор Калифорнийского университета в Беркли. Чуть ранее доктор Гензель и доктор Гез уже разделили другие награды за свою работу, в том числе премию Крафорда в 2012 году, которую часто называют Нобелевской премией по астрономии.

С годами наблюдения ученых приблизили их к тому, чтобы сделать следующий вывод: все, что находится в центре нашей Галактики, является темным и должно иметь массу, эквивалентную четырем миллионам Солнц, чтобы формировать достаточное гравитационное притяжение, способное держать под контролем звезды и газ, вращающиеся вокруг. Среди прочих своих наблюдений оба ученых уделяли самое пристальное внимание одной из звезд, которую доктор Гензель называет S2, а доктор Гез — S0-2 — молодой голубой звезде, которая движется по очень вытянутой орбите и каждые 16 лет проходит всего в 17 световых часах от предполагаемой черной дыры в центре Галактики, что очень и очень близко.

Если опираться на слова Эйнштейна, то во время подобных сложных приближений звезда, вращающаяся по яйцевидной орбите со скоростью до 8000 километров в секунду, должна в полной мере испытать на себе всю странность Вселенной. Последнее приближение звезды к черной дыре произошло летом 2018 года, когда обе команды обоих ученых обратили взгляд в небо в пристальном ожидании странностей, отклонений от нормы и других неожиданностей. Однако, чтобы провести эксперимент, астрономам нужно было знать орбиту звезды с высокой точностью, что, в свою очередь, и потребовало предыдущих десятилетий наблюдений с помощью самых мощных телескопов на земле.

Осенью 2018 года доктор Гензель объявил, что они обнаружили газовые облака, кружащие над центром Галактики каждые 45 минут или около того со скоростью, равной 30% от скорости света, — эти облака настолько близки к предполагаемой черной дыре, что, если бы они были чуть ближе, они бы упали в нее, согласно классической эйнштейновской физике. Но, что самое важное, приведенные результаты всерьез поддерживают теорию о том, что темная сущность в Стрельце действительно является массивной черной дырой. На данный момент доказательства Гензеля и Гез наиболее убедительны, и именно за это ученые были отмечены нобелевским комитетом.

Впрочем, знание о существовании черных дыр лишний раз напоминает нам лишь о том, что мы не понимаем не только то, что происходит внутри них, но не понимаем и гравитацию. Черная дыра «учит нас, что пространство можно скомкать, как лист бумаги, в бесконечно малую точку, что время можно погасить, как пламя, и что законы физики, которые мы считаем неизменными, какие угодно, но только не такие», — говорит Джон Уилер, профессор Принстона и Техасского университета, в автобиографии 1998 года.

Сегодня большинство физиков сходятся во мнении, что общую теорию относительности Эйнштейна необходимо будет изменить, чтобы справиться с такими экстремальными теориями, как Большой взрыв или то, что происходит в черных дырах.