В далеком-далеком центре Галактики: Нобелевская премия по физике 2020

Портреты лауреатов. Источник: Nobel Media/Nikas Elmehed

Второй год подряд Нобелевская премия присуждается за открытия в области астрофизики. В этом материале сотрудники лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ Юрий Ковалев и  Пол Эндрю Боли расскажут, как отыскать в космосе сверхмассивный объект и что видят в телескопах нобелевских лауреатов физтехи.

В 2020 году Нобелевскую премию по физике, увеличившуюся на сто тысяч долларов по сравнению с прошлым годом, присудили трем ученым — половину премии получил Роджер Пенроуз, доказавший, что образование черных дыр является строгим следствием общей теории относительности, и еще по четверти досталось Райнхарду Генцелю и Андреа Гэз за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре Галактики. 

Интересно, что основная сфера интересов сэра Роджера Пенроуза (в 1994 году ученому был присвоен титул рыцаря) — математика. Всем нам знаком невозможный треугольник Пенроуза — на его создание 24-летнего Роджера вдохновило творчество голландского художника Маурица Корнелиса Эшера. Также широко известны мозаики Пенроуза, позволяющие, используя всего два типа плиток, замостить бесконечную площадь непериодическим узором, — они используются кристаллографами для описания квазикристаллов.

Треугольник Пенроуза и Роджер Пенроуз, стоящий на полу, выложенном мозаикой Пенроуза

Даже в той самой статье «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности», опубликованной в журнале Physical Review Letters в 1965 году, за которую и присуждена Нобелевская премия, немалую часть объема занимает иллюстрация. Ею Пенроуз демонстрирует, как материя, сжимаясь, формирует сингулярность — то есть «схлопывается» в точку с координатой r = 0. Образуется сверхмассивный компактный объект. При этом лучи света, изображенные на рисунке под углом 45о, уходят за горизонт событий и не доходят до внешнего наблюдателя, поэтому за такими объектами закрепилось предложенное американским физиком-теоретиком Джоном Арчибальдом Уилером название «черная дыра». Рисунок симметричен, но в статье доказывается, что сингулярность формируется и при нарушении симметрии. 

Рисунок из статьи R. Penrose, 1965. Gravitational collapse and space-time singularities

Однако чтобы поверить выкладкам, неплохо бы пронаблюдать подобный объект «воочию». Райнхард Генцель и Андреа Гэз (ставшая четвертой женщиной, удостоенной Нобелевской премии по физике), возглавляющие две отдельные группы астрономов, независимо друг от друга показали, что в центре нашей Галактики находится компактный сверхмассивный объект. Ученые выяснили это, измерив параметры орбиты звезды S2 из большого звездного скопления под названием S-кластер в созвездии Стрельца. Группа Генцеля работала на Очень большом телескопе (Very Large Telescope, VLT) Европейской Южной обсерватории в Чили, а их американские коллеги использовали телескопы Обсерватории Кека, расположенной на вершине гавайской горы Мауна Кеа.

Передовая астрономия и школьная физика

«Нас в лаборатории релятивистской астрофизики, конечно же, радует, что уже второй год подряд Нобелевский комитет отмечает премией успехи в астрофизике. Значит, будет больше интереса, больше внимания к тому, чем мы занимаемся, — говорит Юрий Ковалев, член-корреспондент РАН, профессор кафедры проблем физики и астрофизики МФТИ. — Мы активно работаем на том же телескопе, что и Нобелевские лауреаты, — на Очень большом телескопе (VLT) Европейской южной обсерватории, используя те же технологии, и с удовольствием о них расскажем».

«Наша Солнечная система находится в Галактике, которая называется Млечный Путь, это спиральная галактика, — начинает рассказ Пол Эндрю Боли, старший научный сотрудник лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ. — Это значит, что большая часть ее компонентов сосредоточена в галактическом диске, представляющем собой плоскость. Наша планета находится внутри этого диска, поэтому, когда мы наблюдаем объект в центре Галактики, нам приходится смотреть сквозь большое количество материала. Космос, особенно в плоскости Галактики, не пустой — он заполнен межзвездной средой, состоящей из газа и космической пыли. Это не та пыль, которую мы стираем со стола, ее частички гораздо мельче. Она сильно поглощает свет в оптическом диапазоне, но  поглощение быстро уменьшается с увеличением длины волны, поэтому наблюдения вели в инфракрасном диапазоне, на длине волны 2 микрона, при помощи специально разработанных для этого детекторов. Это очень важная разработка».

Лунное гало и лазерные лучи, формирующие искусственную звезду над VLT. Источник: Juan Carlos Muñoz-Mateos/ESO

«На Физтехе мы изучаем как черные дыры, так и, например, образование звезд, — продолжает Пол Эндрю Боли. — Интересно, что чем больше масса звезды, тем больше мощность ее излучения и тем сильнее ее свет отталкивает вещество. Получается, должна существовать предельная масса, при которой световое давление начинает превышать гравитацию и рост останавливается. Однако существуют массивные звезды в десятки раз больше Солнца, превышающие этот предел. Дело в том, что вокруг растущей звезды образуется диск, где вещество экранирует себя от излучения, так что рост может продолжаться. В этом диске 99% занимает водород и 1% — та самая пыль, хорошо излучающая в инфракрасном спектре. Поэтому, чтобы понять, что происходит вокруг звезды, мы тоже используем инфракрасный диапазон. Наши районы наблюдения еще глубже погружены в межзвездную среду и в плотные газовые облака, которые там находятся, поглощение еще больше, чем в районе центра Галактики. По этой причине мы ведем наблюдения на длине волны не 2, а 20 микрон — в среднем инфракрасном диапазоне».

Другая важная разработка — адаптивная оптика. В сказке Андерсена «Снежная королева» зеркало, созданное троллем, дрожало и искривлялось, чтобы исказить отражающийся в нем предмет. Оказывается, вторичное зеркало телескопа, оснащенного системой адаптивной оптики, делает то же самое с противоположной целью.

Пол Эндрю Боли, старший научный сотрудник лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ:

— Райнхард Генцель и Андреа Гэз наблюдали за центром Галактики не только через межзвездную среду, но еще и через всю нашу атмосферу. Потоки воздуха искажают изображения, поэтому, когда мы смотрим на небо, нам кажется, что звезды мерцают. Центр Галактики находится очень далеко, его угловой размер мал. Если каким-то образом не убрать эффекты искажения, все звезды, которые находятся рядом, будут выглядеть как единое целое. Чтобы «вычесть» атмосферу, ученые воспользовались системой адаптивной оптики. Для этого выбирают яркую звезду в той же области неба и анализируют ее форму. Все отклонения от идеала объясняют влиянием атмосферы и устраняют их, меняя форму вторичного зеркала телескопа. Это делается с помощью вставленных штырьков, которые могут двигаться вверх-вниз с частотой до 450 Гц. Движение потоков воздуха очень непостоянно, поэтому зеркало меняет форму сотни раз в секунду. Атмосфера мешает и нашим наблюдениям, поэтому мы эту технику тоже применяем. Кстати, если в нужном участке неба нет яркой звезды, мы можем создать искусственную. Это делается с помощью лазеров. 

Таким образом, ученые смогли точно отслеживать движение звезд S-кластера. S2 делает полный оборот вокруг центра Галактики за 15,8 лет, что весьма быстро (для сравнения, Солнцу требуется примерно 250 миллионов лет), и в период с 1992 по 2008 год астрономам удалось проследить ее полную орбиту. 

Юрий Ковалев, заведующий лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ:

— Получилось, что масса компактного объекта в центре Галактики равна 4 миллионам масс Солнца. Что это за объект? Подавляющее большинство ученых уверены, что черная дыра. Честно говоря, потому что это самое логичное, чего можно ожидать. Но существуют и другие теории, которые описывают другие объекты, не черные дыры, которые могли бы быть компактными и иметь такую массу, например, гравастар. Принципиальное отличие черной дыры — наличие горизонта событий. При расстоянии от центра черной дыры, меньшем горизонта событий, вторая космическая скорость больше скорости света, соответственно, ничто: ни излучение, ни информация, ни вещество оттуда выйти не может. Но так это или нет, мы наверняка не знаем, потому что горизонт событий пока никто для центра нашей Галактики не видел. Вообще, увидеть его, конечно, сложно, но есть шанс. Поэтому Нобелевский комитет очень осторожен в своих формулировках. Заметьте, премия дана за открытие “сверхмассивного компактного объекта”, понятие “черная дыра” не используется. Но предположу, что одна из причин, почему второй год подряд именно астрофизики получают Нобелевскую премию, связана со следующим. Комитет получил дополнительные аргументы в пользу того, что черные дыры — это далеко не только теоретический объект. Полтора года назад, используя тот же метод, что, кстати, мы используем в лаборатории на Физтехе, — радиоинтерферометрию со сверхдлинной базой, наши коллеги из группы Телескопа горизонта событий смогли получить изображение ореола света вокруг черной дыры в центре галактики М87.

Орбиты звезд из S-кластера. Каждая точка — отдельное наблюдение положения звезды. Сверхмассивный объект расположен в области пересечения орбит звезд S02 и  S102. Изображение: Университет Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA)

«Я помню, как в 2002 или 2003 году впервые увидел видеоролик, сделанный командой астрофизиков, работающих в Паранальской обсерватории в Чили. В нем показывалось, как, соединив полученные за несколько лет наблюдений точки положения звезды S2, ученые получили эллипс — ее орбиту. Это было просто сногсшибательно, потому что я видел собственными глазами, как звезды движутся с огромной скоростью, — комментирует Пол Эндрю Боли. — Мы привыкли к тому, что в астрономии все происходит за тысячи лет, миллионы, миллиарды лет, а тут буквально за несколько месяцев видим эффект огромной силы из-за того, что в центре Галактики находится объект огромной массы. Когда, спустя 10 лет в этой самой обсерватории меня спросили: “Что вы считаете самым важным открытием за время нашей работы?”, я вспомнил именно об измерении параметров орбиты S2. Поэтому я абсолютно согласен с решением Нобелевского комитета. Конечно, меня никто не спрашивал, но я не могу не отметить необыкновенную красоту работы Генцеля и Гэз».