Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Нобелевскую премию по физике дали за чёрные дыры

Роджер Пенроуз доказал, что из общей теории относительности следует образование черных дыр, а астрономы под руководством Рейнхарда Генцеля и Андреа Гез обнаружили сверхмассивную черную дыру в центре нашей Галактики.

Половину Нобелевской премии по физике за 2020 год получил физик из Великобритании, профессор Оксфордского университета Роджер Пенроуз (родился в 1931 году) «За открытие того, что образование черной дыры – надежное предсказание общей теории относительности»

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2020 года, слева направо: Роджер Пенроуз, Райнхард Генцель и Андреа Гез. (фото: en.wikipedia.org и www.astro.ucla.edu)
Орбиты звёзд, наиболее близких к центру Млечного пути. Справа орбита звезды S2. Внизу лучевая скорость (в направлении Земли) звезды S2, которая увеличивается по мере приближения к Стрельцу A * и уменьшается по мере удаления. (Johan Jarnestad/The Royal Swe

Черные дыры, пожалуй, самое необычное следствие общей теории относительности, которую Альберт Эйнштейн представил в 1915 году. Эта теория дала совершенно новое понимание гравитации, которая формирует нашу Вселенную, и стала основой последующих её исследований.

Первое теоретическое описание объекта, которому астрономы дали название «черная дыра», появилось всего через несколько недель после публикации общей теории относительности. Его получил немецкий астрофизик Карл Шварцшильд, описавший, как массивные тела могут искривлять пространство и время, не отпуская от себя даже свет. Любопытно, что, несмотря на многочисленные теоретические исследования этого вопроса, сам Эйнштейн не верил, что черные дыры действительно существуют


До 1960-х годов этот вопрос был исключительно теоретическим, но ситуация изменилась в 1963 году, когда были открыты квазары, самые яркие объекты во Вселенной. Их свет летит к Земле более миллиарда лет. Но тогда они должны иметь интенсивность излучения как у нескольких сотен галактик. Есть только один способ получить столько энергии в ограниченном объеме квазара - от вещества, падающего в массивную черную дыру. Так что вопрос об их существовании приобрёл особую актуальность.

В январе 1965 года, через десять лет после смерти Эйнштейна, Роджер Пенроуз, на основе общей теории относительности всё же сумел надёжно доказать, что черные дыры действительно могут образовываться, и подробно описал их. Для этого он использовал разработанные им оригинальные математические методы, которые Нобелевский комитет назвал гениальными. Его новаторская статья до сих пор считается самым важным вкладом в общую теорию относительности со времен Эйнштейна. Разработанные им топологические методы в настоящее время играют большую роль в изучении нашей искривленной Вселенной.

Вторую половину Нобелевской премии поделили астрономы из Германии и США Рейнхард Генцель (родился в 1952 году) и Андреа Гез (родилась в 1965 году) «За открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики».

После открытия квазаров, астрономы пришли к выводу, что сверхмассивные черные дыры могут быть обнаружены внутри большинства больших галактик, включая Млечный Путь. Сто лет назад американский астроном Харлоу Шепли первым определил центр Млечного Пути в направлении созвездия Стрельца. Позднее астрономы обнаружили там сильный источник радиоволн, которому дали название Стрелец A*. К концу 1960-х стало ясно, что Стрелец A* занимает центр Млечного Пути, вокруг которого 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 инфракрасное оборудование позволили проводить систематические исследования Стрельца A *.

Рейнхард Генцель и Андреа Гез возглавляют отдельные исследовательские группы астрономов, которые с начала 1990-х годов исследуют центр нашей Галактики. Они разработали методы, позволяющие видеть сквозь огромные облака межзвездного газа и пыли центр Млечного Пути и компенсирующие искажения, вызванные атмосферой Земли.  

В течение почти тридцати лет астрономы следили за движением звезд в центре нашей галактики. Исследователи отслеживали около тридцати самых ярких звезд и с большой точностью нанесли их орбиты на карту. Наиболее быстро звезды движутся в радиусе одного светового месяца от центра. Так звезда, названная S2 или S0-2, совершает оборот вокруг центра галактики менее чем за 16 лет. Это чрезвычайно короткий срок, поэтому астрономы смогли нанести на карту всю её орбиту. Для сравнения Солнцу требуется более 200 миллионов лет, чтобы совершить один круг вокруг центра Млечного Пути. 

Используя полученные орбиты звезд, Генцель, Гез и их коллеги представили убедительные доказательства того, что там прячется невидимый сверхмассивный объект. Около четырех миллионов солнечных масс собраны вместе в области размером не больше нашей Солнечной системы. Судя по всему, это сверхмассивная черная дыра.

Несмотря на столь значительные достижения, чёрные дыры по-прежнему вызывают множество вопросов и требуют дальнейших исследований. Как по их внутренней структуре, так и по проверке теории гравитации в экстремальных условиях Скорее всего, эти исследования откроют путь к новым открытиям. У Вселенной есть еще много секретов и сюрпризов.

По материалам Нобелевского комитета.

Автор: Алексей Понятов

Источник: Наука и жизнь (nkj.ru)