Черные дыры и гепатит: за что дали Нобелевские премии в 2020 году
Лауреатами Нобелевской премии по медицине стали американцы Харви Олтер и Чарльз Райс и англичанин Майкл Хаутон за открытие вируса гепатита С. Первым новый вид гепатита описал Олтер в 1989 году. Хаутон в 1989 и 1990 годах выпустил статьи о выявлении антител к вирусу, а в 2013 году вместе с коллегами представил вакцину против вирусов гепатита. Райс подтвердил, что выделенный Олтером и Хаутоном вирус действительно является гепатитом C
На фото: Харви Олтер
Нобелевскую премию по физике второй год подряд присуждают за открытия в астрофизике, на этот раз за исследование черных дыр. Половина премии отдана британцу Роджеру Пенроузу за расчеты 1965 года, как пояснили в комитете, ученый доказал, «что образование черных дыр служит надежным подтверждением общей теории относительности». Вторую половину премии поделили американские астрофизики Райнхард Генцель и Андреа Гез за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре галактики Млечный Путь
На фото: Роджер Пенроуз
Нобелевскую премию по химии получили американка Дженнифер Дудна и француженка Эмманюэль Шарпантье за развитие метода редактирования генома. Созданные лауреатами «генетические ножницы» помогают относительно быстро и с высокой точностью изменять ДНК растений, животных и микроорганизмов. Ученые считают, что этот инструмент поможет разработать лечение для тяжелых заболеваний, в том числе рака. Это первый случай в истории Нобелевской премии по химии, когда ее получили сразу две женщины
На фото: Эмманюэль Шарпантье (слева) и Дженнифер Дудна
Нобелевскую премию по литературе получила американская поэтесса Луиза Глюк «за безошибочно узнаваемый поэтический голос, который своей строгой красотой делает индивидуальное существование универсальным». Глюк — лауреат многих литературных премий, ей в разные годы были присуждены премия Американской академии поэтов (1968), Национальная книжная премия общества критиков (1985), Пулитцеровская премия (1993) и Боллингенская премия (2001)
Нобелевскую премию мира получила Всемирная продовольственная программа (World Food Programme, WFP). Это гуманитарная организация ООН, созданная для борьбы с голодом еще в 1960-е. В Нобелевском комитете отметили, что угроза голода в отдельных регионах возросла в 2020 году из-за пандемии COVID-19. В 2019 году Всемирная продовольственная программа помогла почти 100 млн человек в 88 странах. В этом году сообщалось, что на Нобелевскую премию мира выдвигали президентов России и США Владимира Путина и Дональда Трампа, а также основателя Фонда борьбы с коррупцией Алексея Навального
На фото: раздача продуктов беженцам из Южного Судана в лагере в Уганде, 2017 год
Премия по экономике памяти Альфреда Нобеля присуждена американцам Полу Милгрому и Роберту Уилсону. Они удостоились награды «за усовершенствование теории аукционов и изобретение новых форматов аукционов»
«Покрытые мраком тайны Вселенной». За что дали Нобелевскую премию по физике?
Автор фото, Getty Images
Увидеть или хотя бы представить себе черную дыру невозможно, но вот как она выглядит в воображении художника
Русская служба Би-би-си коротко (в 100 словах) и чуть подробнее (в 500) объясняет, в чем суть фундаментальных открытий, удостоенных во вторник высшей награды научного мира.
Физические свойства черных дыр настолько отличаются от того, что мы привыкли видеть вокруг, что даже сами ученые, предсказавшие существование таких объектов, не могли до конца поверить в их существование.
А две группы ученых под руководством Райнхарда Генцеля и Андреа Гез обнаружили такой объект в центре нашей Галактики. Независимо друг от друга им удалось доказать, что там находится невидимый для приборов, но невероятно массивный объект.
Предположения о существовании небесных тел такой огромной массы, что их притяжение не может преодолеть даже свет, высказывались еще в XVIII веке. Однако более подробно заняться изучением этого вопроса ученым мешало отсутствие необходимых инструментов.
Лишь в 1915 году удалось хотя бы теоретически рассчитать возможность существования таких объектов при помощи уравнений Эйнштейна.
Исходя из положений общей теории относительности, в пространстве-времени могут существовать такие области, где фактически перестают действовать известные нам законы физики.
Автор фото, Getty Images
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
Конец истории Подкаст
Никакие измерения там попросту невозможны, поскольку существующие уравнения, описывающие физические свойства объектов (в том числе и гравитационное поле), в результате либо дают бесконечность, либо вообще теряют всякий смысл.
Более того, во Вселенной, подчиняющейся законам теории относительности, появление черных дыр абсолютно неизбежно. Они просто должны существовать.
За это открытие, сделанное еще 55 лет назад, Пенроуз и получил во вторник высшую научную награду. Самому ему 8 августа исполнилось 89 лет.
Черная кошка в темной комнате
Ученые изучают глубины космоса с помощью электромагнитных волн. Их можно измерить и сделать на основе этих измерений какие-то расчеты, но никакое излучение не может высветить всепоглощающую абсолютную черноту.
Однако ученые все же нашли способ это сделать. Ведь если черная дыра обладает гигантской массой, то вокруг нее должны вращаться звезды. А значит, по движению этих звезд можно довольно точно рассчитать местоположение и массу самого невидимого объекта.
Автор фото, Reuters
Они направили телескопы к центру нашей галактики и стали наблюдать за расположенной там группой звезд, движение которых могло указывать на нахождение поблизости черной дыры.
Центр Млечного пути скрыт в облаке межзвездной пыли, поэтому наблюдения приходилось вести в инфракрасном спектре, однако выводы обеих групп совпали, подтверждая друг друга.
На траекторию по меньшей мере шести звезд действительно оказывает влияние какой-то расположенный поблизости объект. Невидимое, но при этом невероятно массивное небесное тело.
Ближайшая к ней звезда совершает полный оборот вокруг невидимки примерно за 16 земных лет. А расстояние между ними составляет «всего» 17 световых часов.
Для сравнения: до Земли солнечный свет доходит за восемь с небольшим минут.
Пионеры чёрных дыр: Нобелевку получили физики, развеявшие сомнения Эйнштейна
Лауреаты Нобелевской премии по физике 2020 года. Перевод Вести.Ru.
Иллюстрация Niklas Elmehed/Nobel Media.
Роджер Пенроуз доказал, что чёрные дыры образуются из остатков массивных звёзд. Райнхард Генцель и Андреа Гез выяснили, что центральный объект Галактики представляет собой сверхмассивную чёрную дыру.
Иллюстрация NASA/SOFIA/Lynette Cook.
В Стокгольме объявили лауреатов Нобелевской премии по физике 2020 года.
Половину призовой суммы получит Роджер Пенроуз (Roger Penrose) из Великобритании. Премия присуждена ему за открытие, что образование чёрной дыры является надёжным предсказанием общей теории относительности. Оставшуюся половину разделят между собой Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) из Германии и Андреа Гез (Andrea Ghez) из США за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики. На сегодняшний день общепризнанно, что упомянутый объект – чёрная дыра.
Роджер Пенроуз: открытие на кончике пера
Чёрные дыры – это тела с невероятно мощной гравитацией. Из-за этого тяготения ничто, даже свет, не может покинуть так называемый горизонт событий (образно говоря, поверхность чёрной дыры).
Существование таких объектов следует из общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна. Напомним, что это господствующая в современной науке теория пространства, времени и гравитации. На сегодняшний день она проверена многократно и самыми разными способами.
Сам Эйнштейн сомневался в существовании чёрных дыр. Однако в 1965 году, через десять лет после смерти гения, молодой тогда Роджер Пенроуз опубликовал революционную научную работу. В ней он показал, что чёрные дыры должны образовываться после смерти самых массивных звёзд.
Поясним, что уравнения ОТО чрезвычайно трудно решать. До работы Пенроуза физики концентрировались на немногочисленных случаях, когда удавалось получить точное решение.
Однако нынешний лауреат показал, что некоторые ключевые свойства пространства-времени можно выяснить, не находя полного решения головоломных уравнений. Для этого он разработал новые математические методы. Они позволили ответить на множество вопросов, в том числе и показать, как при гибели массивных звёзд образуются чёрные дыры.
Эта работа Пенроуза считается важнейшим вкладом в ОТО со времён Эйнштейна.
Заметим, что на сегодняшний день образование чёрных дыр в результате взрыва самых массивных звёзд считается общепризнанным фактом. Существование таких чёрных дыр было окончательно подтверждено после открытия гравитационных волн.
Райнхард Генцель и Андреа Гез: поймать монстра
Генцель и Гез возглавляли две независимые группы астрономов, пристально изучавшие объект Стрелец А*. Это компактное тело находится в самом центре Млечного Пути. Это самый мощный радиоисточник в Галактике, который ярко излучает и в других диапазонах длин волн.
Астрономы стремились выяснить его природу. А для этого прежде всего следовало установить массу и размеры небесного тела.
Учёные исследовали Стрелец А*, наблюдая обращающиеся вокруг него звёзды. Это было непростой задачей, ведь центр Млечного Пути закрыт облаками газа и пыли. Но лауреаты разработали методы, позволявшие наблюдать светила даже сквозь эту завесу.
Новаторские подходы и многолетние кропотливые наблюдения дали блестящий результат. Астрономы с большой точностью нанесли на карту орбиты звёзд, обращающихся вокруг сердца Галактики.
Результаты обеих групп оказались удивительными. В центре Млечного Пути находится объект массой в четыре миллиона солнц, который по размеру не больше Солнечной системы! Тело такой плотности может быть только чёрной дырой. Таким образом, группы Генцеля и Гез прояснили природу загадочного объекта в центре Галактики. Также эти результаты стали первым бесспорным доказательством существования чёрных дыр.
Сегодня общепризнанно, что в центре Млечного Пути обосновалась именно сверхмассивная чёрная дыра. Этот монстр окружён облаком падающей на него материи. Это раскалённое вещество и испускает мощное излучение, которым славится Стрелец А*.
На сегодняшний день наблюдатели тщательно изучили излучающее облако, окружающее чёрную дыру. Также астрономы собираются в ближайшие годы получить прямое изображение её горизонта событий.
К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о лауреатах Нобелевской премии по физике 2019, 2018 и 2017 годов.
Нобелевскую премию по физике присудили за исследование черных дыр
Лауреатами Нобелевской премии по физике 2020 года стали Роджер Пенроуз (Roger Penrose) за открытие того, что образование черных дыр является строгим следствием общей теории относительности, а также Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) и Андреа Гэз (Andrea Ghez) — за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре Галактики. За церемонией объявления победителей можно следить в прямом эфире на сайте Нобелевского комитета. Подробнее об исследованиях ученых и их заслугах можно прочитать в официальном пресс-релизе.
Niklas Elmehed / Nobel Media
Все три ученых занимались исследованием черных дыр — областей пространства-времени с настолько большим гравитационным притяжением, что их не могут покинуть даже те объекты, которые двигаются со скоростью света. Возможность существования черных дыр — следствие уравнений общей теории относительности, и впервые была показана Карлом Шварцшильдом еще в 1915 году. Однако только в 1965 году Роджеру Пенроузу удалось строго доказать, что образование черных дыр — результат гравитационного коллапса умирающих звезд. В результате такого коллапса неизбежно возникновение сингулярности, и именно такая сингулярность находится в центре черной дыры. Исследование Пенроуза считается одной из наиболее важных фундаментальных работ, повлиявших на дальнейшее исследование проблем сингулярности в общей теории относительности, изучение черных дыр и развитие астрофизики.
Райнхард Генцель из Института внеземной физики Общества Макса Планка и Андреа Гэз из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в 1990-е годы возглавляли каждый свою группу астрономов, наблюдавших за орбитами звезд, которые проходят ближе остальных к центру Млечного Пути. В результате разработки инструментальных методов, позволяющих точно картировать орбиты звезд в условиях межзвездного газа и пыли (в частности за счет наблюдений в ближнем инфракрасном диапазоне), астрономы независимо друг от друга показали, что в центре нашей галактики находится сверхмассивная черная дыра, влияющая на траектории всех объектов вблизи нее.
По предсказаниям традиционного прогноза, составленного компанией Clarivate Analytics на основе цитируемости научных статей, первыми фаворитами на получение премии по физике считались Томас Кэрролл и Луис Пекора за работы по нелинейной динамике. В качестве альтернативных кандидатов компания называла Хунцзе Дая из Стэнфорда и Алекса Цеттла за работу с нанотрубками: углеродными и борнитридными, а также Карлос Френк, Хулио Наварро и Саймон Уайт — за изучение образования и эволюции галактик, космических структур и гало темной материи.
Несмотря на то, что прогнозы аналитиков этого года не оправдались, Ричард Пенроуз был в прогнозах агентства Thompson Reuters еще в 2008 году. Всего на счету компании уже больше полусотни удачных предсказаний для всех областей, хоть и сбываются они далеко не сразу.
В 2019 году Нобелевскую премию по физике присудили Джеймсу Пиблсу (James Peebles) — за «теоретические открытия в области космологии», а также Мишелю Майору (Michel Mayor) и Дидье Кело (Didier Queloz) — за «открытие экзопланеты на орбите вокруг солнцеподобной звезды». По словам Нобелевского комитета, оба этих открытия позволили по-новому взглянуть на место человека во Вселенной. Подробнее про открытия лауреатов можно прочитать в тексте «Место во Вселенной».
Нобелевской премии по физике в 2018 году удостоились Артур Эшкин (Arthur Ashkin) — за оптический пинцет и его применение в области биологии, а также Жерар Муру (Gerard Mourou) и Донна Стрикленд (Donna Strickland) — за разработку метода генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов. Подробнее про их исследования — в нашем материале «Скальпель и пинцет».
Нобелевская премия по физике — 2020
Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2020 год. Слева направо: Роджер Пенроуз (Roger Penrose), Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) и Андреа Гез (Andrea Ghez). Фото с сайтов ox.ac.uk, mpg.de и из твиттера Нобелевского комитета
6 октября Нобелевская ассамблея Королевский Академии наук Швеции назвала имена новых обладателей ежегодной премии по физике. Как и в прошлом году, ими стали ученые, получившие важные результаты в науках о Вселенной. Половину премиальной суммы в 10 миллионов крон получит 89-летний почетный профессор математики Оксфордского университета Роджер Пенроуз. Вторую половину поровну разделят двое астрономов, немец Райнхард Генцель и американка Андреа Гез (так что премия этого года стала поистине интернациональной). Как сказано в официальной формулировке, Пенроуз награжден «за открытие, согласно которому общая теория относительности надежно предсказывает рождение черных дыр». Генцель и Гез отмечены самой престижной в научном мире наградой «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики».
Начну с Роджера Пенроуза (Roger Penrose) — точнее, с той части его биографии, которая привела к работам, удостоенным Нобелевской премии. Он родился в Колчестере в графстве Эссекс 8 августа 1931 года. С обеих сторон происходит из британской культурной элиты, а по материнской линии даже имеет российские корни (его бабушка Соня Натансон в 1880-х годах приехала в Англию из Петербурга). Его отец Лайонел достойно отметился в психиатрии, педиатрии и медицинской генетике, а также в теории шахмат. Старший брат Роджера Оливер (Oliver Penrose) стал крупным физиком-теоретиком, специалистом по статистической механике и физике конденсированных сред. Младший брат Джонатан добился в шахматах титула гроссмейстера, а сестра Ширли (Shirley Hodgson) работает профессором онкогенетики в медицинской школе Лондонского университета.
Роджер Пенроуз получил степень бакалавра в лондонском Университетском колледже. Затем он перешел в Кембриджский университет, где стал сначала магистром наук, а потом, в 1958 году, доктором философии, PhD. Его диссертация посвящена применению тензорного анализа для решения задач алгебраической геометрии (R. Penrose, 1958. Tensor methods in algebraic geometry). В 1960-е годы он работал лектором в лондонском Биркбек-колледже, где встретился с молодым космологом Деннисом Сиамой. Это знакомство оказалось поистине судьбоносным. Сиама познакомил Пенроуза с одной из главных проблем тогдашней космологии — возможно, даже самой главной. Пенроуз нашел одно из ее решений, которое и опубликовал в самом начале 1965 года. Нобелевскую премию он получил в основном и прежде всего именно за эту работу. Через несколько лет он в соавторстве со Стивеном Хокингом обобщил свое решение в виде математической теоремы, опубликованной в 1970 году. Позднее он неоднократно пробовал силы в математике, логике, астрофизике и даже философии, однако некоторые из его результатов, особенно опубликованные в последние четыре десятилетия, не вызывали восторженных отзывов специалистов. Чтобы не портить праздник, позволю себе воздержаться от уточнений, поскольку к Нобелевской премии эта его деятельность отношения не имеет. Остается добавить, что он получил множество наград, в том числе и обретенное в 1994 году рыцарское звание.
Теперь перейдем к существу дела. Проблема, о которой идет речь, была осознана вскоре после появления первых космологических моделей на основе общей теории относительности (и прежде всего, самых известных, освященных именами Александра Фридмана и Жоржа Анри-Жозефа Эдуара Леметра). В некоторых из этих моделей появлялись так называемые сингулярности, то есть, ситуации, когда коэффициенты в метрике пространства-времени теряли непрерывность и делались бесконечными. Так, у Фридмана и в самой знаменитой леметровской модели «первичного атома» Вселенная возникала из начального состояния, которому можно было приписать нулевое значение временной координаты. Пространство в этот момент стягивалось в точку, а плотность материи и энергии делалась бесконечной. Поскольку природа не терпит не только пустоты (по знаменитому изречению Аристотеля), но и бесконечности, такие ситуации явно следовало считать не имеющими физического смысла.
Одно время космологи допускали, что сингулярности свойственны только самым упорядоченным и, следовательно, самым идеализированным моделям. В частности, Фридман и Леметр полагали, что в пространстве Вселенной нет выделенных направлений и потому строили свои модели на основе принципа сферической симметрии. Вполне можно было предположить (во всяком случае, тогда это казалось логичным), что отказ от слишком сильных идеализаций автоматически приведет к исчезновению сингулярностей. Однако в 1932 году Леметр показал, что сингулярные решения возникают и в несферических, анизотропных моделях. Это позволяло предположить — пока еще только предположить, — что рождение космологической сингулярности может оказаться следствием самих уравнений ОТО, а не каких-то дополнительных модельных допущений. Забегая вперед, отмечу, что справедливость этого предположения как раз была доказана Роджером Пенроузом и Стивеном Хокингом уже в седьмом десятилетии прошлого века.
В 1930-е годы эти вопросы еще казались слишком далекими от задач астрономии. Однако во второй половине 1940-х годов Георгий Гамов, Ральф Альфер и Роберт Херман (Robert Herman) построили вполне физическую модель рождения Вселенной из начальной сингулярности, которую ее главный оппонент Фред Хойл назвал теорией Большого взрыва. В результате загадка космологических сингулярностей из математической космологии перешла во вполне реальную астрофизику, а поиски ее решения стали вполне насущной проблемой.
Эти поиски велись разными путями, и их описание выходит за рамки моей статьи. В качестве примера именно для российской аудитории упомяну работы учеников Ландау Е. М. Лифшица, И. М. Халатникова и В. В. Судакова, опубликованные в начале 1960-х годов. Они пришли к заключению, что сингулярности Большого взрыва возникают просто из-за неудачного выбора пространственно-временных координат и потому допускают устранение чисто математическими методами. Однако последующий анализ показал, что такой способ ликвидации сингулярностей оказался ошибочным. Фигурально выражаясь, сингулярности выбрасывали через дверь, но они возвращались в окно.
Однако решение уже было не за горами. В 1963 году профессор Мэрилендского университета Чарльз Мизнер опубликовал статью, которая представила проблему сингулярностей в совершенно новом свете (C. W. Misner, 1963. The flatter regions of Newman, Unti, and Tamburino’s generalized Schwarzschild space). Он предложит отойти от традиционного понимания сингулярностей как точек или областей пространства-времени, где плотность материи или иные физические величины делаются бесконечными. По Мизнеру, сингулярностью следует считать ситуацию, в которой материальные частицы или фотоны могут двигаться по пространственно-временным траекториям, приводящим к конечным точкам, за которые эти траектории в принципе невозможно продолжить. В космологическом масштабе рождение сингулярности — это, если угодно, прерывание истории Вселенной. Выражаясь иначе, в такой Вселенной движение назад во времени по траектории частицы или кванта неизбежно приводит к начальной точке, за которой уже нет ни времени, ни пространства. В нововведении Мизнера есть много тонкостей, которые я не буду обсуждать, но общая идея именно такова.
Мизнеровский подход использовал и Пенроуз в своей знаменитой работе. Он заинтересовался космологией, в общем, случайно — как уже говорилось, ранее его интересы фокусировались на алгебраической геометрии. Деннис Сиама дружил с его старшим братом Оливером, так что его знакомство с Роджером было практически предопределено. Сиама в 1950-е годы был сторонником свободной от сингулярностей космологической модели стабильной Вселенной, развитой Фредом Хойлом, Томасом Голдом и Германом Бонди. В 1964 году он узнал об открытии микроволнового реликтового излучения, предсказанного ассистентами Гамова Альфером и Херманом на базе гипотезы Большого взрыва. Он сразу стал убежденным «взрывником» и привлек внимание Роджера Пенроуза к проблеме космологических сингулярностей. Другой причиной интереса Пенроуза к этой проблеме стало открытие квазаров, которое привлекло внимание астрофизиков к процессам гравитационного коллапса массивных звезд. Результатом стала статья «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности», законченная в самом конце 1964 года (R. Penrose, 1965. Gravitational collapse and space-time singularities). Она и привела молодого на тот момент математика к полученной через 55 лет Нобелевской премии.
Диаграмма, иллюстрирующая формирование сингулярности при сферически симметричном гравитационном коллапсе материи (в подписи к ней в статье Пенроуза указано, что аналогичная ситуация будет наблюдаться и при отсутствии симметрии). Время «течет» вдоль вертикальной оси, два других измерения (на диаграмме показана двумерная проекция трехмерного рисунка) символизируют пространственные измерения. Сингулярность расположена на прямой \(r=0\), цилиндр \(r=2m\) изображает область внутри горизонта событий. Световые лучи на этой диаграмме уходят за горизонт событий под углом 45° к вертикали. Также изображены изменения ориентации световых конусов при переходе под горизонт событий и приближении к сингулярности. Рисунок из статьи R. Penrose, 1965. Gravitational collapse and space-time singularities
Статья выглядит весьма необычно. Она очень мала по размеру — всего две с половиной журнальные страницы. В отличие от абсолютного большинства работ по проблемам ОТО, там не найти длинных лестниц формул, написанных на языке тензорного анализа. Кое-какая математическая символика имеется, но она вкраплена в текст и ее немного. Ключевые выводы автора представлены на единственной диаграмме — фактически, ради нее статья и написана.
В этой работе нет и речи о космологии. Пенроуз ограничился рассмотрением гравитационного коллапса изолированного сферически симметричного тела конечной массы. Впервые эту задачу, как известно, в 1939 году рассмотрели и решили Роберт Оппенгеймер и его аспирант Хартланд Снайдер, на чью статью сослался Пенроуз (J. R. Oppenheimer, H. Snyder, 1939. On Continued Gravitational Contraction). Они показали, что сферическое пылевое облако постоянной плотности, коллапсирующее под действием гравитации, необратимо стягивается к своему гравитационному радиусу (он же радиус Шварцшильда). Фактически из их решения следует, что это облако по достижении гравитационного радиуса продолжает сжиматься к состоянию с бесконечно малым объемом и бесконечно высокой плотностью, что и означает возникновения сингулярности. Правда, Оппенгеймер и Снайдер воздержались от столь радикального вывода и даже не предложили его в качестве гипотезы, но сути дела это не меняет. Во всяком случае, Пенроуз, как следует из его статьи, истолковал их результат именно таким образом и даже вполне поэтически назвал окончательный коллапс пространственно-временной катастрофой. А затем он задал главный вопрос: «не могло бы наличие пертурбаций, разрушающих сферическую симметрию, радикально изменить ситуацию?» („Could not the presence of perturbations which destroy the spherical symmetry alter the situation drastically?“). Затем последовало обещание: «в этой статье коллапс будет рассмотрен без предположений о наличии какой-либо симметрии» („Collapse without assumptions of symmetry will be discussed here“).
И оно было выполнено. Как я уже отметил, Пенроуз исходил из мизнеровского определения сингулярности. Он показал, что по крайней мере отдельные траектории частиц или световых квантов, которые «сваливаются» внутрь коллапсирующего объекта, обязательно дойдут до точки, за которую их нельзя будут продолжить. Напомню, что по Мизнеру это и означает возникновение сингулярности. При этом он не потребовал, чтобы коллапсирующий объект был наделен какими-то особыми симметриями. Это и означало, что рождение сингулярности диктуется фундаментальными уравнениями ОТО.
К сожалению, я лишен возможности рассказать о доказательстве Пенроуза. Он пользовался математическим аппаратом топологии, который не допускает популярного переложения — во всяком случае, мне оно не по силам. Поэтому ограничусь лишь одним неформальным пояснением. Пенроуз доказал, что как только в локальной области четырехмерного пространства-времени коллапсирующего объекта формируется замкнутая двумерная пространственноподобная поверхность (например, сфера), которая не выпускает наружу световые лучи (Пенроуз назвал ее пленяющей поверхностью, trapped surface), рождение сингулярности внутри этой поверхности делается математически неизбежным. Таковы законы природы, зашифрованные в уравнениях ОТО.
Интересно, что в статье Пенроуза вообще нет упоминаний о черных дырах. Этот термин тогда еще никем не употреблялся, его лишь два года спустя придумал замечательный американский физик Джон Арчибальд Уилер. И стягивающееся пылевое облако Оппенгеймера — Снайдера, конечно, не одно и то же, что коллапсирующая массивная звезда на последних мгновениях своей жизни. Но доказательство Пенроуза имеет настолько общий характер, что работает и для звезд. Это и оправдывает формулировку, которую шведские академики использовали при присуждении ему Нобелевской премии.
Опубликованный в 1965 году результат Пенроуза иногда называют первой теоремой о сингулярности. Как я уже отметил, она относится только к отдельным коллапсирующим объектам. Однако в 1965–66 годах Стивен Хокинг, Джордж Эллис и Роберт Джерох (Robert Geroch) с помощью метода Пенроуза доказали, что сингулярности возникают и в широком классе космологических моделей (см. S. W. Hawking, G. F. R. Ellis, 1973. The Large Scale Structure of Space-Time). Разница с решением Пенроуза состоит в том, что теперь сингулярность достигается всем пространством, а не его ограниченной частью, как это имеет место при гравитационном коллапсе. Иначе говоря, Ее Величество Природа в своей неизреченной мудрости не ограничила сингулярности одними только черными дырами.
Через четыре года Пенроуз и Хокинг опубликовали более сильный результат по космологическому ведомству (S. W. Hawking, R. Penrose, 1970. The singularities of gravitational collapse and cosmology). Я попытаюсь изложить эту новую теорему о сингулярности, насколько это возможно сделать неформально. Она утверждает, что если выполняются следующие пять условий:
1) Метрика пространства-времени обладает достаточной гладкостью;
2) Путешествия во времени невозможны (более точно, пространство-время не содержит замкнутых времениподобных кривых);
3) Вселенная содержит достаточно материи и радиации;
4) Гравитация всегда вызывает притяжение;
5) Общая теория относительности полностью справедлива;
то существует по меньшей мере одна корректная космологическая модель, имеющая начало во времени (то есть, происходящая из сингулярного состояния).
И что сие реально означает? Из этой теоремы Пенроуза и Хокинга следует, что общая теория относительности практически всегда предписывает космологическим моделям Большого взрыва эволюцию из начального состояния с бесконечной плотностью материи и энергии. Необходимо также подчеркнуть, что уравнения ОТО сами по себе полностью применимы также и для очень малых расстояний или больших плотностей материи и энергии (в том смысле, что и в этих случаях уравнения сохраняют формальную непротиворечивость). Однако это вовсе не означает, что в природе не могут существовать ситуации, в которых ОТО перестает работать. Собственно говоря, один из символов веры современной космологии состоит в том, что в самом начале мироздания гравитация подчинялась квантовым закономерностям, которые принципиально не могут быть описаны в рамках ОТО. Но это уже совсем другая история.
Теперь поговорим о двух других лауреатах. Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) 24 марта 1952 года родился в городе Бад Хомбург в западногерманской земле Гессен. Наукой занялся по примеру отца, профессора физики твердого тела. Окончил Фрайбургский и Боннский университеты, в 1978 году защитил две докторские диссертации по физике и астрофизике. До 1986 года работал в Калифорнийском университете в Беркли, потом вернулся на родину, где стал одним из директоров Института внеземной физики общества Макса Планка в Гархинге неподалеку от Мюнхена и почетным профессором мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. С 1999 года также работает профессором с неполной нагрузкой все в том же Беркли. Крупный специалист по субмиллиметровой и инфракрасной астрономии и галактической астрофизике. Помимо руководства обсервационными проектами, он также сыграл важную роль в разработке аппаратуры для наблюдений в этих участках электромагнитного спектра, размещенной на телескопах-гигантах и космических платформах. Лауреат многочисленных наград, включая премию Шао, премию Тихо Браге, медали Гершеля, Альберта Эйнштейна и Карла Шварцшильда. Иностранный член Лондонского Королевского общества и Французской Академии.
Младшая сестра Генцеля по профессии Андреа Миа Гез (Andrea Mia Ghez) занимает профессорскую кафедру в Отделении физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Родилась в Нью-Йорке 16 июня 1965 года, дочь еврея-эмигранта из Италии и матери из семьи ирландских американцев. Школьное образование получила в Чикаго, потом окончила Массачусетский технологический институт и в 1992 году завершила профессиональную подготовку защитой докторской диссертации в Калтехе. Ученица Герхарта Нейгебауэра (Gerhart Neugebauer), одного из отцов-основателей инфракрасной астрономии, многолетнего директора Паломарской обсерватории и участника создания двух телескопов-близнецов с десятиметровой апертурой Обсерватории Кека на вершине гавайской горы Мауна Кеа. Нобелевская премия по физике стала ее пятнадцатой по счету наградой.
Чтобы были понятны достижения этих лауреатов, напомню несколько общеизвестных фактов. Наше Солнце обращается вокруг центра Млечного Пути — вполне рядовой спиральной галактики, в состав которой входят от двухсот до четырехсот миллиардов звезд. Диаметр ее спирального диска приблизительно равен 28 килопарсек, чуть больше 90 тысяч световых лет. Однако в состав Млечного Пути входят также и звезды, удаленные от центра на дистанции до 100 килопарсек, то есть, лежащие далеко за пределами диска. Радиус солнечной внутригалактической орбиты до сих пор точно не известен, но, по последним оценкам, приблизительно равен 8 килопарсек (так что наше светило смещено к внешнему краю галактического диска), время полного оборота вокруг центра Галактики — примерно 250 миллионов лет. Солнце упаковано внутри полости в межзвездном газе, известной как Местный пузырь (Local Bubble) поперечником примерно 600 световых лет. Эта полость, в свою очередь, лежит в поясе Гулда — скоплении звезд и молекулярного газа, лежащем между двумя спиральныи рукавами Галактики. Солнце находится вблизи (но не внутри!) одного из этих рукавов — рукава Ориона.
Балдж Млечного Пути похож на орех арахиса, состоящий из двух овалов и перемычки между ними. Эту перемычку (на языке астрономов, бар) обнаружили совсем недавно. В центре балджа находится компактное ядро, которое по отношению к Земле проецируется на созвездие Стрельца (см. картинку дня Центр Млечного Пути). Оно окружено плотными газопылевыми облаками и потому не наблюдается в оптическом диапазоне; сведения о нем получены из наблюдений в радиодиапазоне, инфракрасном свете и рентгене. Ядро заполнено звездами различного возраста — от нескольких миллионов лет до миллиарда и старше (если же говорить обо всём балдже, то большинство его звезд возникли на протяжении первого миллиарда лет существования Вселенной). Внутри ядра находится достаточно скромная по галактическим стандартам черная дыра — всего лишь около четырех миллионов солнечных масс. Не исключено, что в ее окрестности есть тысячи черных дыр звездной массы, однако пока они не обнаружены. Правда, один кандидат все же имеется. В 2015 году японские радиоастрономы обнаружили вращающееся газовое облако всего в 200 световых годах от центра Галактики. Анализ спектральных линий различных молекулярных компонент этого газа позволил оценить их скорость и на этой основе предположить, что внутри облака скрывается темный компактный объект приблизительно на сто тысяч солнечных масс (T. Oka et al., 2015. Signature of an Intermediate-Mass Black Hole in the Central Molecular Zone of Our Galaxy). Если это действительно черная дыра, то в не слишком далеком будущем (миллионы, но не миллиарды лет) она сольется с центральной дырой.
Центральная дыра сейчас пребывает в спокойном состоянии. Ее суммарное излучение во всех диапазонах спектра всего на два порядка превышает солнечное — для дыры-миллионника это сущий мизер. Она, как и прочие сверхмассивные дыры в галактических ядрах, окружена вращающимся аккреционным диском, однако его масса очень невелика — скорее всего не более одной сотой процента солнечной массы. Соответственно, масштаб ежегодной аккреции вещества диска на дыру вряд ли превышает одну миллиардную массы Солнца. Тем не менее, скорее всего она замолкла не навсегда. Всего лишь шесть миллионов лет назад черная дыра перешла в активную фазу и, возможно, даже на какое-то время сделалась квазаром. От этой вспышки осталась ударная волна, которая распространяется через пространство Галактики со скоростью порядка 3 млн километров в час и достигнет окрестностей Солнца через 3 миллиона лет. Сейчас в радиусе трех световых лет от центра Галактики находятся порядка 20 тысяч нейтронных звезд и черных дыр (J. Miralda-Escudé, A. Gould, 2000. A Cluster of Black Holes at the Galactic Center). Когда дыра начнет их заглатывать, ядро Млечного Пути вновь станет активным.
В ретроспективе понятно, что первые сведения о черной дыре в центре нашей Галактики были получены еще в 1930-х годах. Именно тогда американский радиоинженер и отец-основатель радиоастрономии Карл Янский обнаружил в районе созвездия Стрельца источник космического радиоизлучения. Его изучение началось после 1960 года, когда на него обратил внимание известный астроном Ян Оорт. Источник получил название Стрелец A (или Sgr A по сокращенному латинскому имени созвездия).
Композитное изображение центральной области Млечного Пути. Положение центральной черной дыры показано оранжевым крестом. Хорошо видно, насколько высока плотность звезд вокруг нее. Фото с сайта eso.org
Постепенно радиоастрономы выяснили, что Стрелец A имеет четкую пространственную структуру. В частности, в центре его западной зоны был детектирован практически точечный источник радиоволн, известный как Стрелец A* (или Sgr A*). В пределах одной угловой секунды от источника астрономы обнаружили большую группу звезд, известную как S-кластер. Как показали многолетние наблюдения, они движутся по эллиптическим траекториям вокруг Sgr A*, иногда с огромными скоростями — от 1000 до 10 000 км/сек. Для одной из них, известной как S2 (использовалось также название S02), удалось проследить с 1992 по 2008 год полную замкнутую орбиту, которую звезда проходит за 15,8 лет (позднее эти данные были дополнены измерениями, выполненными вплоть до 2018 года). Более того, оказалось, что звездные скорости с хорошей точностью обратно пропорциональны квадратному корню от их дистанции до Sgr A*. Именно этого следует ожидать, если предположить, что Sgr A* содержит источник гравитационного поля очень малых размеров, а звезды из S-кластера обращаются вокруг него в соответствии с законами Кеплера. Анализ кинематики этих звезд позволил вычислить и массу этого источника, приблизительно равную четырем миллионам масс Солнца. Сейчас все специалисты уверены, что он не может быть ничем иным, кроме как черной дырой.
Орбиты звезд S2 (обозначена S0-2) и S0-102 вокруг черной дыры в центре Млечного Пути. Эти две звезды подлетают ближе всего (среди известных звезд) к центральной черной дыре. Также показаны орбиты еще нескольких звезд из S-кластера. Каждый кружочек — отдельное наблюдение, полученное в период с 1995 по 2012 год. Сама черная дыра расположена в области пересечения орбит этих двух звезд. Рисунок с сайта arstechnica.com
Рейнхард Генцель и Андреа Гез возглавляли две группы астрономов, которые около трех десятилетий отслеживали светила S-кластера. Группа Генцеля работала на телескопах Европейской Южной обсерватории в Чили, а их американские коллеги использовали телескопы Обсерватории Кека. Поскольку видимый свет от этих звезд не доходит до Земли, обе группы собирали информацию в ближнем инфракрасном диапазоне на длине волны 2,2 микрометра. Используя системы адаптивной оптики они смогли получить фотографии звезд и спектрограммы их излучения. Эта информация и стала основой выводов, сформулированных в предшествующем абзаце. Шведские академики сочли достижения Райнхарда Генцеля и Андреа Гез достойными Нобелевской премии.
Движение звезд и газопылевого облака (его траектория показана красным) в ближайших окрестностях черной дыры Стрелец A*, находящейся в центре нашей Галактики. Анимация построена по наблюдениям за более чем десятилетний период с начала 2000-х годов, а также по данным симуляций. Как видно, газопылевое облако ждет незавидная судьба быть разорванным притяжением черной дыры. Часть вещества облака после этого попадет в непосредственную окрестность дыры
Как оценить их вердикт? В принципе, новые лауреаты и их коллеги еще раз решили очень традиционную для классической астрономии задачу: реконструировать параметры траекторий ряда небесных тел по многолетним наблюдениям их положений на небесной сфере и на этой основе вычислить массу центрального объекта, вокруг которого эти тела обращаются по замкнутым орбитам. Однако технически эти наблюдения были крайне сложны из-за незначительного количества фотонов (в данном случае, инфракрасных), которые пробиваются к Земле через газопылевые скопления, экранирующие центр Галактики. Они стали возможны только благодаря созданию приборов и методов адаптивной оптики и потребовали очень серьезных усилий, растянувшихся на три десятилетия. Их итогом стало бесспорное доказательство давно предположенного наличия в центре Млечного Пути сверхмассивной черной дыры и максимально точная на сегодняшний день оценка ее массы. Это открытие стало поистине торжеством обсервационной астрономии в ее современной ипостаси. Как мне кажется, оно вполне тянет на Нобелевскую премию.
С награждением Роджера Пенроуза ситуация не настолько проста. Я воспользуюсь своей привилегией историка науки и сравню его статью 1965 года с двумя другими очень короткими работами, обеспечившими своим авторам поездку в Стокгольм. Первой по времени стала крохотная заметка Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика, которая в 1953 году появилась в журнале Nature (J. D. Watson, F. H. C. Crick, 1953. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid). Вряд ли нужно напоминать ее содержание — описание пространственной структуры молекулы ДНК, реконструированной на основе рентгенографических данных. Эта работа открыла путь к детальному пониманию молекулярной природы наследственной информации, которое стало основой всей современной науки о жизни. Полученная за нее в 1962 году Нобелевская премия по физиологии или медицине абсолютно бесспорна.
Второй пример. В 1956 году американские физики-теоретики Ли Чжэндао и Янг Чжэньнин опубликовали в журнале Physical Review четырехстраничную статью, в которой выдвинули радикально новую интерпретацию надежно установленных экспериментальных данных, согласно которым две казалось бы одинаковые частицы, тэта-мезон и тау-мезон, распадаются на разное число пионов (T. D. Lee, C. N. Yang, 1956. Question of Parity Conservation in Weak Interactions). Они пришли к заключению, что эту проблему можно разрешить, если предположить, что такие распады связаны с процессами, характер которых изменяется при переходе от правого к левому, иначе говоря, при зеркальном отражении (чуть позже физики поняли, что в общем виде нужно говорить об отражениях в каждой из трех координатных плоскостей — или, что то же самое, о смене знаков всех пространственных координат, пространственной инверсии). Это означает, что зеркально отраженный процесс может оказаться под запретом или происходить с иной вероятностью, нежели до отражения. Годом позже американские экспериментаторы (принадлежащие двум независимым группам и работавшие разными методами) подтвердили, что такие процессы действительно существуют. Работа Ли и Янга стала началом фундаментального переосмысления основных положений физики элементарных частиц и уже на следующий год после публикации была отмечена Нобелевской премией.
А что же статья Пенроуза? Ее научная ценность, на мой взгляд, связана с двумя обстоятельствами. Во-первых, он действительно показал, что описание гравитационного коллапса почти любого (тут есть свои нюансы, но я на них не буду останавливаться) достаточно массивного объекта с помощью эйнштейновской общей теории относительности приводит к локальному разрушению того пространственно-временного континуума, на основе которого написаны уравнения этой теории. Это чисто математический результат, причем сам Пенроуз именно так его и рассматривал (в статье он специально подчеркнул, что «реальные физические сингулярности пространства-времени» возникать не могут, а также отметил вполне вероятную необходимость перехода к новой физике, включая квантовую гравитацию). Поэтому результат Пенроуза не сыграл сколько-нибудь серьезной роли в поиске и исследовании космических черных дыр, которые велись и ведутся астрономическими и астрофизическими методами. Во-вторых, Пенроуз первым продемонстрировал эффективность топологических методов при решении задач ОТО. Это стало началом разработки нового математического аппарата описания гравитации, который вскоре (и с участием других ученых) нашел применение не только в теории черных дыр, но в космологии. К сожалению, в завещании Альфреда Нобеля награждение за подобные результаты не предусмотрено. Я не собираюсь критиковать решение шведского научного синклита, но также не могу не отметить сей бесспорный факт.
