http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=a1793999-1b38-45d3-8651-0ad9087eb5cd&print=1
© 2020 Российская академия наук

Нобелевская физика 2020 года: черные дыры — теория и практика

08.10.2020



(jpg, 90 Kб)

Нобелевская премия 2020 года в области физики вручена трем ученым из разных стран за исследования черных дыр. Половина премии была присуждена сэру Роджеру Пенроузу (Roger Penrose), профессору Оксфордского университета (Великобритания) за «открытие того факта, что образование черных дыр явно следует из общей теории относительности». Вторую половину разделили Райнхард Генцель (Reinhard Genzel), сотрудник Института внеземной физики Общества имени Макса Планка (Германия, а также Университета Калифорнии в Беркли, США) и Андреа Гез (Andrea Ghez), профессор Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (США) «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики».

Подробнее о работах рассказывает академик Евгений Михайлович Чуразов, ведущий научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН, заместитель научного руководителя космической астрофизической обсерватории «Спектр-РГ», одна из задач которой — поиск миллионов сверхмассивных черных дыр во Вселенной по их рентгеновскому излучению.

Черные дыры — возможно, наиболее экзотические астрофизические объекты из известных сегодня. Масса черной дыры сконцентрирована в очень маленьком объёме. Из-за этого её гравитационное поле становится настолько большим, что даже свет не может покинуть область, ограниченную горизонтом событий — формальной «границей» черной дыры (у черных дыр, в отличие от других компактных объектов: нейтронных звезд и белых карликов — нет твердой поверхности).

Физики пытались представить такие странные объекты давно, но подлинное их изучение, вначале теоретическое, а потом и экспериментальное, началось в XX веке, при этом довольно долго существовали сомнения в том, что их существование возможно. Сэру Роджеру Пенроузу принадлежит здесь особая роль — он показал, что черные дыры представляют прямое следствие Общей теории относительности Эйнштейна, которая постулирует, что гравитация представляет искривление пространства-времени.

«Если теория (в данном случае, Общая теория относительности) описывается набором уравнений, то подходя к проблеме с точки зрения математики, можно рассматривать следствия решения этих уравнений в различных пределах, — поясняет Евгений Чуразов. — Примером таких решений является уравнение Фридмана для однородной, но нестационарной Вселенной. Другим примером является образование черных дыр и возникновение сингулярности как математическое следствие ОТО, полученное Пенроузом».

Райнхард Генцель и Андреа Гез представляют другое направление — экспериментальное исследование черных дыр с помощью наблюдений. В 1990 годах две независимые группы использовали возможности наземных инфракрасных обсерваторий (группа Генцеля работала с данными телескопов Европейской Южной обсерватории в Чили, группа Гез — обсерваторию имени Кека на Гавайях) для изучения центра нашей Галактики Млечный путь.

 (jpg, 42 Kб)

К этому времени уже было высказано предположение, что в центрах всех галактик находятся сверхмассивные черные дыры массами в несколько миллиардов солнечных. Чтобы проверить, есть ли подобный объект в нашей Галактике, группы провели длительные наблюдения за движением звезд вблизи её центра — области, получившей название Стрелец A*. Для этого пришлось существенно развить методы наблюдений, так как в центре Галактики много пыли и газа, которые «мешают» различить отдельные звезды. В результате работ обеих групп было показано, что звезды обращаются по орбитам вокруг объекта с массой около 4 миллиона солнечных, при этом его размер не превышает размера Солнечной системы.

Почему эти работы подтвердили существование именно черной дыры, а не иного в центре Галактики? Уверены ли мы сейчас в существовании черных дыр или всё ещё не было «решающего эксперимента», исключающего другие объяснения?

«В физике критерием правильности гипотезы является проверка ее нетривиальных предсказаний. В случае со сверхмассивной черной дырой в центре Млечного Пути наблюдения, в том числе недавние, позволили проверить предсказания специальной и общей теории относительности, которые были сделаны до самих наблюдений. В частности, это было сделано для звезды, приблизившейся на расстояние в 1500 (!) Шварцшильдовских  радиусов к черной дыре. Сейчас ситуация такова, что гипотеза о черной дыре является наименее экзотической из всех других. Но эксперименты будут продолжаться и по изучению свойств черных дыр, и по поиску отклонений от существующих теорий в экстремальных условиях — это всегда самый интересный аспект. Астрофизика тем и хороша, что предоставляет нам возможность наблюдать такие экстремальные условия в космосе».

Исследования сверхмассивных черных дыр — одна из задач космической рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ», выведенной в космос 13 июля 2019 г. Предполагается, что в ходе обзора всего неба, который выполняет обсерватория, будет обнаружено около 3 миллионов подобных объектов. При этом они будут расположены на разных расстояниях от Земли, а значит — на разном временной удалении от нас, от наиболее ранних до сравнительно молодых. Благодаря этому исследователи смогут понять, как росли и развивались сверхмассивные черные дыры во Вселенной, как они влияли на формирование и рост галактик, и, может быть, приблизиться к пониманию их природы, которая до сих пор остаётся во многом загадочной.

«Хотя свет и не может «покинуть» саму черную дыру, излучение вещества, падающего на неё, можно наблюдать. Это относится и к черным дырам с массами в несколько масс Солнца, и к гигантским черным дырам в миллиарды солнечных масс. Нужно только, чтобы шла аккреция («падение») вещества на черную дыру. Замечательно, что эти объекты являются ярчайшими источниками рентгеновского излучения. В процессе обзоров всего неба обсерватория «Спектр-РГ» должна обнаружить несколько миллионов сверхмассивных черных дыр на космологических расстояниях. Миллион таких объектов уже виден на карте первого обзора неба, полученного с декабря 2019 по июнь 2020 гг. Впереди еще семь таких обзоров, — подчеркивает Евгений Чуразов. — Эти замечательные данные позволяют исследовать процесс роста черных дыр во Вселенной, когда она была раз 10–15 моложе, чем сейчас, изучать различные режимы аккреции вещества на черные дыры, анализировать влияние черных дыр на галактики, в которых они находятся, и многое другое» .