"Покрытые мраком тайны Вселенной". За что дали Нобелевскую премию по физике?

Нобелевскую премию по физике за 2020 год разделили на две части. Одна половина досталась британцу Роджеру Пенроузу, доказавшему возможность существования черных дыр. Вторая - профессорам Калифорнийского университета Райнхарду Генцелю и Андреа Гэз, обнаружившим одну из таких дыр в центре нашей Галактики.

Если быть совсем точным, в решении Нобелевского комитета сказано, что Генцель и Гэз открыли находящийся в центре Млечного пути "сверхмассивный компактный объект". В том, что это именно черная дыра, ученые не уверены до сих пор - у них попросту нет другого объяснения.

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.

Профессор Оксфорда Роджер Пенроуз первым доказал, что черные дыры не просто могут существовать - во Вселенной, подчиняющейся теории относительности, их формирование просто неизбежно.

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.

Именно вокруг него вращается Млечный путь - со всеми миллиардами входящих в него звезд. В том числе наше Солнце, а значит - и мы с вами.

"Покрытые мраком тайны Вселенной" - именно так охарактеризовали черные дыры члены Нобелевского комитета на награждении во вторник.

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.

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.

Увидеть черную дыру невозможно по определению, и как она может выглядеть - хотя бы в теории, - было не под силу самому Эйнштейну. Так что до конца поверить в существование подобных объектов великий физик не мог - и скорее сомневался в собственных расчетах.

Оно и не мудрено: если верить формулам, черная дыра, сравнимая по массе с нашей планетой, должна быть размером с обычную горошину. Масса Солнца превышает земную в сотни тысяч раз - но и она бы уместилась в черную дыру диаметром не больше чем несколько километров.

Однако в 1965 году, через 10 лет после смерти Эйнштейна, профессор Оксфордского университета Роджер Пенроуз опубликовал работу, в которой с математической точностью доказывалось: существование черных дыр не просто возможно - оно вытекает из общей теории относительности совершенно естественным образом, в результате гравитационного коллапса умирающих звезд.

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.

Но если черные дыры все же существуют - то как их найти?

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.

Более того, при пересечении горизонта событий - так называется воображаемая граница, за которой измерения становятся невозможны - время и пространство фактически сливаются. Обратное путешествие возможно, только если повернуть время вспять.

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.

Именно это независимо друг от друга сделали сразу две группы ученых: одной руководил Райнхард Генцель, другой - Андреа Гез.

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.

Единственное возможное объяснение этого феномена - то, что там, на расстоянии около 26 тысяч световых лет, находится сверхмассивная черная дыра, примерно в 4 млн раз тяжелее Солнца.

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.