Нобелевская премия по физике-2020: чёрные дыры — теория и практика — uzkinobiz.ru
Нобелевская премия по физике в 2020 году, как и годом ранее, отмечает открытия в области астрономии. Она присуждена трём астрофизикам за теоретическое исследование чёрных дыр и открытие сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики.
6 октября 2020 года в Стокгольме прошла процедура объявления лауреатов Нобелевской премии этого года. Роджер Пенроуз (Roger Penrose) из Оксфордского института получил половину премии за исследования теории гравитации и чёрных дыр, которыми он занимался ещё с 1960-х годов. Официальная формулировка Нобелевского комитета: «За открытие того, что образование чёрных дыр является прямым пророчеством Общей теории относительности». Вторую половину премии получили Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) из Института инопланетный физики общества Макса Планка (Германия) и Андреа Гез (Andrea Ghez) из Калифорнийского института «за открытие сверхмассивного малогабаритного объекта в центре Нашей Галактики». Речь идёт о чёрной дыре массой в несколько миллионов масс Солнца, которые, как сейчас считается, образуют центры большинства галактик.
В 1965 году Пенроуз обосновал, что образование чёрных дыр следует из уравнений Общей теории относительности. Они являются особенными решениями уравнений Эйнштейна, предполагающими гравитационную сингулярность — вырожденную область пространства-времени поблизости громоздкого объекта с массой больше некого критичного значения (зависимо от его размеров). Вещество и свет не могут выйти «изнутри» за границы горизонта событий вокруг таковой области. Для тела с массой Солнца гравитационный радиус (размер, при котором тело данной для нас массы станет чёрной дырой) составляет 3 километра, а для массы Земли — один сантиметр. Чёрную дыру потому недозволено узреть, но можно изучить характеристики материала, падающего на неё, в частности, его излучение и аккреционные диски вокруг таковых объектов. 1-ая «фото» чёрной дыры в галактике M87, приобретенная в 2019 году с помощью массива радиотелескопов, представляет собой комбинированное изображение такового аккреционного диска.
1-ое компьютерное моделирование аккреционного диска чёрной дыры, 1979 г. Jean-Pierre Luminet, Astronomy & Astrophysics, 75, 228, 1979.
Такие особенные решения уравнений Эйнштейна, очевидно, кидались в глаза и ранее — их получили практически сходу опосля обнародования его теории относительности. Сам Эйнштейн в существование чёрных дыр, как мы знаем, не веровал — возможно, он считал «экзотичные» решения собственных уравнений с бесконечностями математическим курьёзом и не подразумевал, что они могли бы обрисовывать какую-либо физическую суть. Но вообразить такие гипотетичные объекты нетрудно. Больше того, ещё в XVIII веке появилась мысль о том, что могут существовать мощные тела, для которых «скорость отрыва» (2-ая галлактическая скорость) будет больше скорости света. Массу такового объекта просто высчитать даже из традиционной физики. Пьер Лаплас и Джон Мичелл в 1780-х годах независимо сделали такие оценки, отталкиваясь от узнаваемых им объектов и взяв за базу гипотетичные звёзды с плотностью вещества как у Солнца и Земли. Как сейчас понятно, они «предсказали» сверхмассивные дыры в центре галактик — предмет 2-ой части Нобелевской премии этого года.
Диаграмма Пенроуза на базе его статьи 1965 года, объясняющая образование чёрной дыры из топологических суждений.
Награда Пенроуза — в разработке математического аппарата для исследования таковой гравитационной сингулярности с внедрением понятий из современной топологии. Ему удалось решить нетривиальную математическую задачку — обосновать, что чёрная дыра может сформироваться в настоящем мире в итоге коллапса громоздкого объекта (к примеру, звезды). Ранее решения уравнений Эйнштейна, предсказывающие гравитационный кризис материи, выходили в предположении сферической симметрии системы. Было непонятно, не являются ли такие решения лишь следствием симметрии, разумеется, в действительности нереализуемой. С помощью топологических преобразований Пенроуз обосновал, что гравитационный кризис не является лишь артефактом симметрии, и чёрные дыры могут быть настоящими объектами. Считается, что этот итог стал первым результатом Общей теории относительности опосля эры Эйнштейна. Приблизительно в это время были открыты 1-ые квазары — сверхмощные внегалактические источники, которые, как представляется, являются активными ядрами неких галактик и появляются из-за взаимодействия чёрной дыры в таковой галактике со своим окружением.
Центр Галактики на звёздном небе.
Два остальных лауреата, Р. Генцель и А. Гез — руководители исследовательских групп, которые с начала 1990-х годов изучают район центра нашей Галактики. На небесной сфере он размещен в созвездии Стрельца в южном небе и носит обозначение Sgr A* (Sagittarius А*). Так как саму чёрную дыру мы созидать не можем, под сиим именованием понимается малогабаритный и мощнейший источник инфракрасного излучения и радиоволн. Это одно из проявлений сверхмассивной чёрной дыры: мы можем их учить лишь по особенностям распределения и движения видимой материи в их округах. В данном случае источником радиоизлучения является газовое скопление, окружающее дыру. Сам объект Стрелец А* является частью наиболее сложного «объекта» под заглавием Стрелец A, который составлен, может быть, остатками Сверхновой, несколькими газопылевыми тучами и иными структурами. Так либо по другому все эти объекты соединены с чёрной дырой в центре Галактики. Не считая Sgr A, поблизости чёрной дыры размещено ещё несколько структур, проявляющихся в спектрах от радиоволн до рентгеновского излучения.
Объекты центра Галактики в метровом радиодиапазоне. NRAO/AUI/NSF/ N.E. Kassim.
Наблюдения за центром Галактики очень усложняются из-за того, что на пути светового луча находится много звёзд галактического диска и всасывающих свет объектов — газопылевых туч. Они видны на ночном небе в виде бессчетных тёмных «рукавов» Млечного Пути, за которыми звёзды фактически не просматриваются. Потому наблюдения центра Галактики вероятны лишь в определённых спектрах длин волн, а исследования на наземных телескопах требуют сложных алгоритмов обработки данных с исключением искажений от земной атмосферы. Обе группы делали существенную часть наблюдений в ближней инфракрасной области с помощью телескопов Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили и обсерватории Кека на Гавайях. Они изучили линии движения движения ближайших к предполагаемой чёрной дыре звёзд и квазизвёздных объектов. В частности, обе группы изучали не так давно открытый класс объектов, либо G-объектов, крутящихся поблизости чёрной дыры и владеющих качествами мощных звёзд и газовых туч сразу. Может быть, это некоторые «остатки» звёзд, которые под действием приливных сил чёрной дыры массой в 4 миллиона масс Солнца деформируются и растягиваются по своим орбитам так, что их можно следить даже на таком расстоянии. По их траекториям, а также по свойствам ближних объектов остальных классов, можно прийти к выводу о наличии и свойствах сверхмассивной чёрной дыры Sgr A*. В статье наиболее тщательно рассказывается о исследовании этих объектов по мотивам недавнешней публикации в Nature калифорнийской группы астрофизиков, представитель которой сейчас стала лауреатом Нобелевской премии.
Звёзды вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре Галактики. ESA/Hubble.
Сейчас существование чёрных дыр принимается как уверенно установленный факт. Длительное время они делились на два класса: «чёрные дыры звёздной массы» — возможно, конечная стадия эволюции неких весьма больших звёзд, и сверхмассивные дыры в центрах галактик, с массой в миллионы солнечных — за открытие такового объекта получили Нобелевскую премию два остальных лауреата этого года. Наиблежайшие обнаруженные чёрные дыры звёздной массы находятся от нас на расстоянии несколько тыщ световых лет (о не так давно открытой самой ближней дыре на расстоянии 1000 св. лет см. отдельную статью). Просвет меж этими классами с гипотетичными чёрными дырами массой выше ~100 солнечных оставался незаполненным. В крайнее время новеньким способом обнаружения чёрных дыр стали гравитационные волны. В частности, на гравитационных сенсорах начали открывать и чёрные дыры промежной массы, образующиеся при слиянии таковых наименее мощных объектов (о одном недавнешнем открытии также есть статья). Не исключено, что и сверхмассивные чёрные дыры могли создаваться по такому сценарию.
* * *
Запись трансляции церемонии объявления Нобелевской премии по физике в 2020 году:
Посвящённый вручению премии по физике стрим канала «Наука 2.0» с ролью астрофизика Сергея Попова: