Нобель з фізики – «за відкриття найтемніших секретів Всесвіту»

Цьогорічну Нобелівську премію у галузі фізики отримали троє науковців, які вивчають чорні діри. Британський космолог Роджер Пенроуз одержить половину премії, а решту розділять між собою астрофізики Райнгард Ґенцель з Німеччини та Андреа Ґез зі США. Ґез стала лише четвертою жінкою в історії, пошанованою Нобелем у галузі фізики.

Лауреати Нобелівської премії з фізики 2020 (зліва направо): Сер Роджер Пенроуз, Райнгард Ґенцель та Андреа Ґез.

«Нобелівську премію з фізики 2020 року вручили за відкриття найтемніших секретів Всесвіту», – сказав під час прес-конференції секретар Шведської королівської академії наук Ґоран Гансон. За його словами, академія нагородила Пенроуза «за відкриття процесу формування чорних дір як строгого передбачення із загальної теорії відносності», тоді як Ґез і Ґенцель отримали її «за виявлення надмасивного компактного об’єкта у центрі нашої галактики».

Чорна діра – це ділянка простору, в якій сила гравітації настільки велика, що ніщо, навіть світло, не може її покинути. Як стверджує Ульф Данієльсон, фізик, який входить до Нобелівського комітету, щоб з’явилася така ділянка, «необхідно стиснути Сонце у сферу діаметром кілька кілометрів або Землю до розмірів горошини». У центрі чорної діри є так звана сингулярність – точка з безкінечно великою густиною, – а оточує її так званий «горизонт подій», перетнувши який вже неможливо повернутися назад. Хоча вчені уявляли собі такі об’єкти вже досить довго, спершу було незрозуміло, чи справді вони можуть існувати. Навіть Альберт Айнштайн, чия теорія відносності лежить в основі сучасного розуміння чорних дір, сумнівався, що вони існують.

Але у 1965 р. Пенроуз, фізик, який працював разом зі Стівеном Гокінгом, а тепер є почесним професором Оксфордського університету, математично довів, що «чорні діри справді повинні утворюватись унаслідок строгого висновку із теорії відносності», – розповідає Девід Гевіленд, фізик із Шведського королівського технологічного інституту та голова Нобелівського комітету у галузі фізики.

«Пенроуз та Гокінг доказали, що чорні діри є неминучим результатом колапсу певних типів зірок, – каже Сабіна Госсенфельдер, фізик-теоретик із Франкфуртського інституту передових досліджень (Німеччина). – Раніше більшість фізиків вважали їх лише математичною цікавинкою, яка з’являється у загальній теорії відносності, але не повинна існувати в реальності. Натомість виявилось, що вони необхідно з’являються наприкінці життя масивних зірок, а у Всесвіті їх має бути надзвичасно багато. Історія їхнього відкриття показує, наскільки потужною є чиста математиках у наших спробах зрозуміти Всесвіт».

Але внесок Пенроуза у розуміння природи чорних дір не закінчився теоретичним доведенням їхнього існування у рамках теорії відносності, – зазначає Аві Леб, астрофізик з Гарвардського університету та директор Ініціативи дослідження чорних дір. Пенроуз також продемонстрував, як унаслідок обертання чорних дій утворюється величезна кількість енергії – так званий «процес Пенроуза» – і як ця енергія може живити квазари. А сформульована Пенроузом «гіпотеза космічної цензури», за словами Леба, «рятує нашу здатність передбачати майбутнє Всесвіту, рятуючи його від так званих ‘голих сингулярностей’, де теорія Айнштайна виходить з ладу. Як і в Лас-Вегасі, ‘що б не відбувалось всередині горизонту подій, залишається там’».

У той час як Пенроуз, Гокінг та інші фізики закладали основу теоретичного розуміння чорних дір, астрономи-практики займалися пошуком цих об’єктів. Найбільші прориви були зроблені у 1990-х. Тоді Ґенцель, астроном з Інституту позаземної фізики Товариства Макса Планка, та Ґез, професорка Каліфорнійського університету у Лос-Анджелесі, керували незалежними дослідницькими командами, які за допомогою потужних інфрачервоних телескопів намагалися проникнути крізь пил, що оточував загадкове космічне тіло у центрі нашої галактики, яке, згідно із параметрами руху довколишніх зірок, мало б важити у чотири мільйони разів більше за Сонце. «Не було жодного іншого пояснення цього явища, аніж що це чорна діра», – сказав Ульф Данієльсон.

Наступні спостереження, виконані передусім за допомогою телескопа «Габбл», продемонстрували, що такі об’єкти є у центрі практично кожної великої галактики й, можливо, є основними будівельними блоками великомасштабних структур у Всесвіті.

«Ми не маємо жодного уявлення про те, що відбувається всередині чорних дір. Вони справді ламають закони фізики», – сказала Ґез в одному зі своїх інтерв’ю.

Команди Ґенцеля та Ґез продовжують відкривати таємниці надмасивної чорної діри всередині Чумацького Шляху, яка називається «Стрілець А», зокрема, недавно вони дізнались, що довкола неї яскраво спалахують і гаснуть вихори розжареного газу. Нещодавно з’явилися нові інструменти дослідження чорних дір, такі як Лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO), яка спостерігає за їхнім злиттям, детектуючи «брижі» часу-простору, звані гравітаційними хвилями. А безперервні спостереження за «Стрільцем А» та ще однією надмасивною чорною дірою у галактиці M87 за допомогою глобальної мережі радіотелескопів EHT дозволили отримати перші в історії фото цих об’єктів.

«Усе це дозволяє нам набагато ближче підійти до меж невідомого, відкриваючи нові способи дослідження цих найзагадковіших об’єктів у Всесвіті і тестування наших найфундаментальніших теорій», – каже Шепард Долеман, директор та засновник мережі радіотелескопів EHT.

«Наукові результати, які пошанували Нобелівськими преміями, не є логічним завершенням старих досліджень. Ми радше перебуваємо на самому початку розуміння природи цих найзагадковіших об’єктів у Всесвіті. Природа, вочевидь, готує нам багато нових сюрпризів», – резюмує Долеман.