ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Фізика — 07.10.20
    ТЕКСТ: Нобелівський комітет
    Переклад: Марта Льода
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Що, де, кому: Нобелівка з фізики

    Троє лауреатів розділяють цього року Нобелівську премію з фізики за свої відкриття про одне з найекзотичніших явищ у Всесвіті – чорну діру. Роджер Пенроуз показав, що чорні діри є прямим наслідком загальної теорії відносності. Райнгард Ґенцель та Андреа Ґез відкрили, що невидимий і надзвичайно важкий об’єкт керує орбітами зірок в центрі нашої галактики, Чумацького шляху. Надмасивна чорна діра – це єдине відоме на сьогодні пояснення.

    Роджер Пенроуз вигадав винахідливі математичні методи, щоб дослідити загальну теорію відносності Альберта Айнштайна. Він показав, що з цієї теорії виводиться формування чорних дір, цих монстрів посеред часу і простору, що захоплюють все, що у них потрапляє. Ніщо, навіть світло не може з них вирватися.  

     

    Райнгард Ґенцель та Андреа Ґез обоє вели по групі астрономів, які з початку 1990-х років зосередилися на регіоні в центрі Чумацького шляху. Із дедалі більшою точністю вони відстежили орбіти найяскравіших зірок, що перебувають найближче до центру. Обидві групи виявили щось водночас невидиме і важке, що змушувало ці зірки крутитися довкола себе. Ця невидима маса становить близько чотирьох мільйонів мас Сонця, запакованих у регіон, не більший ніж наша Сонячна система. Що саме змушує зірки в центрі Чумацького шляху обертатися з такими вражаючими швидкостями? Згідно із сучасною теорією гравітації, кандидат лише один – надмасивна чорна діра.

     

    Прорив поза межі уявлень Айнштайна

     

    Навіть Альберт Айнштайн, батько загальної теорії відносності, не думав, що чорні діри можуть існувати насправді. Проте через десять років по смерті Айнштайна британський теоретик Роджер Пенроуз показав, що чорні діри можуть формуватися, і описав їхні властивості. У своєму осерді чорні діри приховують сингулярність – межу, за якою всі відомі закони природи перестають діяти.

     

    Щоб довести, що формування чорних дір – це стабільний процес, Пенроузу необхідно було розширити методи, що використовувалися для вивчення теорії відносності, підходячи до проблем в теорії з новими математичними концепціями. Проривна стаття Пенроуза опублікована у січні 1965 року і досі вважається найважливішим вкладом у загальну теорію відносності з часів Айнштайна.

     

     

    Гравітація утримує Всесвіт у своїх лабетах

     

    Чорні діри – це, мабуть, найдивніший наслідок загальної теорії відносності. Коли Альберт Айнштайн у листопаді 1915 року представив свою теорію, вона перевернула всі попередні уявлення про простір і час. Ця теорія створила цілком нові підвалини для розуміння гравітації, яка формує Всесвіт на найбільших масштабах. Відтоді ця теорія надала підґрунтя для всіх досліджень Всесвіту, а також використовується на практиці в одному з наших найпоширеніших навігаційних інструментів, GPS.

     

    Теорія Айнштайна описує, як гравітація втримує все і всіх у Всесвіті у своїх лабетах. Гравітація втримує нас на Землі, вона керує орбітами планет навколо Сонця і орбітою Сонця навколо центру Чумацького шляху. Вона призводить до народження зірок із міжзоряних хмар і, врешті, до їхньої смерті у гравітаційному колапсі. Гравітація дає форму простору і впливає на хід часу. Важка маса викривляє простір і сповільнює час. Надзвичайно важка маса може навіть відрізати і замкнути шматок простору, формуючи чорну діру.

     

    Перший теоретичний опис того, що зараз ми називаємо чорною дірою, з’явився лише через кілька тижнів після публікації загальної теорії відносності. Попри надзвичайно складні математичні рівняння цієї теорії, німецький астрофізик Карл Шварцшильд зміг надати Айнштайну розв’язання, що описувало, як важкі маси можуть викривляти простір і час.

     

    Пізніші дослідження показали: коли чорна діра вже сформувалася, її оточує горизонт подій, що, наче серпанок, обгортається довкола маси в центрі. Чорна діра залишається прихованою назавжди за своїм горизонтом подій. Що більша маса, то більша чорна діра і її горизонт. За маси, еквівалентної до маси Сонця, горизонт подій матиме діаметр майже три кілометри, а за маси, як у Землі, його діаметр буде лише дев’ять міліметрів.

     

    Розв’язання за межами досконалості

     

    Поняття «чорна діра» набуло нових значень у багатьох формах культурного самовираження, проте для фізиків чорна діра – це природна фінальна точка в еволюції гігантських зірок. Перші розрахунки для такого драматичного колапсу масивної зірки здійснив у кінці 1930-х років фізик Роберт Оппенгаймер, який згодом керував Мангеттенським проєктом, що створив першу атомну бомбу. Коли в гігантських зорях, у багато разів важчих за Сонце, закінчується пальне, вони спочатку вибухають як наднові, а потім стискаються до надзвичайно щільно запакованого залишку, настільки важкого, що гравітація втягує все всередину, навіть світло.

     

    Ідею про «темні зірки» розглядали ще у кінці XVIII ст. у своїх працях британський філософ і математик Джон Мічел та видатний французький науковець П’єр Симон де Лаплас. Обидва обмірковували, що небесні тіла можуть ставати такими щільними, що ставатимуть невидимими – навіть швидкість світла не буде достатньо високою, щоб вирватися з їхнього тяжіння.

     

    Трохи більш як століття потому, коли Альберт Айнштайн опублікував свою загальну теорію відносності, деякі із розв’язань сумнозвісно складних рівнянь теорії описували саме такі темні зірки. Аж до 1960-х років ці розв’язання вважали чисто теоретичними спекуляціями, що описують ідеальні обставини, в яких зірки та їхні чорні діри ідеально круглі та симетричні. Проте ніщо у Всесвіті не є досконалим, і Роджер Пенроуз був першим, хто знайшов реалістичне розв’язання для всієї матерії, що стискається, з її прогинами, виступами та природними нерівностями.

     

    Загадка квазарів

     

    Питання про існування чорних дір порушили знову в 1963 році з відкриттям квазарів – найяскравіших об’єктів у Всесвіті. Впродовж майже десятиліття астрономи ламали голови над радіохвилями із загадкових джерел, як-от 3С273 у сузір’ї Діви. Випромінювання у видимому діапазоні нарешті відкрило його справжнє розташування – 3С273 перебуває так далеко від нас, що його випромінювання подорожує до Землі понад мільярд років.

    Якщо джерело світла настільки далеко, воно повинне мати інтенсивність, рівну світлу від кількох сотень галактик. Йому дали назву «квазар». Астрономи невдовзі відкрили квазари, які були настільки далеко, що випустили своє випромінювання ще в часи раннього дитинства Всесвіту. Звідки ж походить це неймовірне випромінювання? Існує лише один спосіб отримати таку кількість енергії в обмеженому об’ємі квазара – від матерії, яка падає в чорну діру.

     

    Пасткові поверхні розв’язують головоломку

     

    Питання, яке цікавило Роджера Пенроуза – чи можуть чорні діри формуватися в реалістичних умовах. Як він потім пригадував, відповідь з’явилася восени 1964 року під час прогулянки з колегою в Лондоні, де Пенроуз був професором математики в Коледжі Бірбека. Коли вони на хвилинку замовкли, щоб перейти дорогу на перетині вулиць, у його голові промайнула ідея. Пізніше того пообіддя він спробував її пригадати. Ця ідея, яку він назвав пастковими поверхнями, була розгадкою, яку він підсвідомо шукав, ключовим математичним інструментом, необхідним для опису чорної діри.

     

    Пасткова поверхня змушує всі промені спрямовуватися до центру, незалежно від того, чи сама поверхня викривлена назовні чи досередини. Із застосуванням пасткових поверхонь Пенроузу вдалося довести, що чорна діра завжди приховує сингулярність, межу, де закінчуються простір і час. Її щільність нескінченна, і наразі не існує теорії, як розглядати це найдивніше явище у фізиці.

     

    Пасткові поверхні стали центральним поняттям, що дозволило Пенроузу завершити доведення теореми сингулярності. Топологічні методи, які він запропонував, тепер безцінні у вивченні нашого викривленого Всесвіту.     

     

    Шлях в один бік до кінця часу

     

    Як тільки матерія починає стискатися і формується пасткова поверхня, ніщо не може припинити подальше стискання. Вороття немає, як в тій історії, яку розповідав фізик і Нобелівський лауреат Субраманьян Чандрасекар про своє дитинство в Індії. Це оповідь про бабок і їх личинки, що живуть під водою. Коли личинка готова розправити крила, вона обіцяє своїм друзям розповісти, яке воно, життя по той бік поверхні води. Проте коли личинка проходить крізь поверхню води і вилітає бабкою, повернення назад немає. Личинки у воді ніколи не почують розповідь про життя по той бік.

    Схожим чином вся матерія може перетнути горизонт подій лише в одному напрямку. Тоді час міняється місцями з простором, і всі можливі траєкторії спрямовані досередини, часовий потік зносить все до неуникного кінця в сингулярності. Якщо ви впадете крізь горизонт подій надмасивної чорної діри, то нічого не відчуєте. Ззовні ніхто не зможе побачити, як ви падаєте всередину, і ваша подорож до горизонту триватиме вічно. За законами фізики, неможливо зазирнути всередину чорної діри; чорні діри приховують всі свої таємниці за горизонтом подій.

    Формування чорної діри.

    Чорні діри спрямовують рух зірок

     

    Хоча ми й не можемо побачити чорну діру, ми можемо визначити її властивості, спостерігаючи, як її колосальна гравітація спрямовує рух довколишніх зірок.

     

    Райнгард Ґенцель та Андреа Ґез керували окремими дослідницькими групами, що вивчають центр нашої галактики, Чумацького шляху. Він має форму плаского диска близько 100 000 світлових років у діаметрі і складається з газу, пилу та кількох сотень мільярдів зірок; одна з цих зірок – наше Сонце. З нашої точки спостереження на Землі, величезні хмари міжзоряного газу і пилу закривають більшу частину видимого світла, яке доходить до нас від центру галактики. Інфрачервоні телескопи та радіотехнології дозволили астрономам вперше подивитися крізь галактичний диск і отримати зображення зірок у його центрі.

     

    Використовуючи орбіти зірок як вказівники, Ґенцель та Ґез надали наразі найпереконливіші свідчення, що там ховається невидимий надмасивний об’єкт. Чорна діра – це єдине можливе пояснення.

    Чумацький шлях, наша галактика, вид згори. Вона має форму плаского диска з діаметром близько 100 000 світлових років. Її спіральні рукави складаються з газу і пилу та кількох сотень мільярдів зірок. Одна з цих зірок – наше Сонце.

    Зосередитися на центрі

     

    Понад п’ятдесят років фізики підозрювали, що в центрі Чумацького шляху може бути чорна діра. З часів відкриття квазарів на початку 1960-х років фізики міркували, що надмасивні чорні діри, можливо, будуть знайдені всередині більшості великих галактик, зокрема в Чумацькому шляху. Проте ніхто на сьогодні не може пояснити, як сформувалися галактики та їхні чорні діри з масами від кількох мільйонів до багатьох мільярдів мас Сонця.

     

    Сто років тому американський астроном Гарлов Шеплі став першим, хто визначив центр Чумацького шляху, в керунку сузір’я Стрільця. Впродовж пізніших спостережень астрономи виявили там потужне джерело радіохвиль, що отримало назву Стрілець А*. Ближче до кінця 1960-х років стало зрозуміло, що Стрілець А* займає центр Чумацького шляху, довкола якого обертаються всі зорі в галактиці.

     

    Лише у 1990-х роках більші телескопи та краще обладнання уможливили систематичніше вивчення Стрільця А*. Райнгард Ґенцель та Андреа Ґез обоє розпочали проєкти, щоб спробувати подивитися крізь пилові хмари у серце Чумацького шляху. Разом зі своїми дослідницькими групами вони розробили і відточили техніку, конструюючи унікальні інструменти і присвячуючи себе довготривалим дослідженням.

     

    Лише можливостей найбільших телескопів світу достатньо, щоб спостерігати за далекими зірками – в астрономії розмір справді має значення. Німецький астроном Райнгард Ґенцель зі своєю групою спочатку використовував NTT, New Technology Telescope («Телескоп з новими технологіями» – прим. пер.) на горі Ла-Сілья в Чилі. Згодом вони перенесли свої спостереження у Very Large Telescope, VLT («Дуже великий телескоп» – прим. пер.) на горі Паранал (також в Чилі). VLT складається з чотирьох гігантських телескопів, вдвічі більших за NTT, які мають найбільші в світі монолітні дзеркала, кожне діаметром понад 8 м.

     

    У США Андреа Ґез та її дослідницька команда використовували Обсерваторію Кека, розташовану на гавайській горі Мауна Кеа. Її дзеркала мають майже 10 м в діаметрі і наразі є одними з найбільших у світі. Кожне дзеркало має форму бджолиних сот і складається з 36 шестикутних сегментів, які можна контролювати окремо, щоб краще сфокусувати світло від зірок.

     

    Зорі вказують шлях

     

    Хоч би яким великим був телескоп, завжди є межа у деталізації, яку може забезпечити його роздільна здатність, тому що ми живемо на дні атмосферного моря глибиною майже у 100 км. Великі бульбашки повітря над телескопом, гарячіші чи холодніші за їхнє оточення, діють як лінзи і заломлюють світло на його шляху до дзеркала телескопа, викривляючи світлові хвилі. Саме тому зірки блимають, і також тому їх зображення розмите.

     

    Поява адаптивної оптики стала ключовою для покращення спостережень. Тепер телескопи оснащені тонким додатковим дзеркалом, яке компенсує турбулентність повітря і коригує викривлене зображення.

     

    Впродовж майже тридцяти років Райнгард Ґенцель та Андреа Ґез слідували за своїми зірками в далекому зоряному безладі в центрі нашої галактики. Вони продовжують розробляти і відточувати технологію за допомогою чутливіших цифрових світлових сенсорів та кращої адаптивної оптики, так що роздільна здатність зображення покращилася у понад тисячу разів. Тепер вони здатні точніше визначити положення зірок, стежачи за ними ніч за ніччю.

     

    Серед безлічі зірок дослідники відстежують близько тридцяти найяскравіших. Найшвидше зірки рухаються в межах радіуса в один світловий місяць від центру, злітаючись туди, щоб виконати танок, схожий на танець бджолиного рою. З іншого боку, зірки, що розташовані за межами цієї ділянки, рухаються своїми еліптичними орбітами більш впорядковано.

     

    Одна зірка, під назвою S2 або S-O2, проходить орбіту навколо центру галактики менш як за 16 років. Це надзвичайно короткий часовий проміжок, тож астрономам вдалося відстежити цілу її орбіту. Можна порівняти це з Сонцем, якому потрібно понад 200 мільйонів років, щоб зробити повне коло довкола центру Чумацького шляху; коли ми почали своє нинішнє коло, по Землі ходили динозаври.

    Зірки відкрили, що щось невидиме і важке в центрі Чумацького шляху керує їхніми шляхами.

    Теорія та спостереження слідують одне за одним

     

    Результати вимірювань обох груп дослідників чудово узгоджувалися і привели до висновку, що чорна діра в центрі нашої галактики повинна відповідати близько чотирьом мільйонам мас Сонця, запакованим у регіон розміром з нашу Сонячну систему.

     

    Можливо, невдовзі нам вдасться подивитися на Стрілець А* напряму. Це наступне у списку, оскільки трохи більше як рік тому астрономічній мережі Event Horizon Telescope («Телескоп горизонту подій» ‒ прим. пер.) вдалося зробити зображення найближчого оточення надмасивної чорної діри. На найбільшій глибині галактика під назвою Мессьє 87 (М87) за 55 мільйонів світлових років від нас чорніша від ночі і оточена вогняним перснем.

     

    Чорне ядро М87 ‒ гігантське, у понад тисячу разів важче за Стрілець А*. Чорні діри, що зіткнулися і спричинили нещодавно відкриті гравітаційні хвилі, були суттєво легшими. Як і чорні діри, гравітаційні хвилі існували лише у вигляді розрахунків із загальної теорії відносності Айнштайна, поки їх не вловили вперше восени 2015 року на детекторі LIGO у США (Нобелівська премія з фізики 2017 року).

     

    Чого ми не знаємо

     

    Роджер Пенроуз показав, що чорні діри напряму витікають із загальної теорії відносності, але за нескінченно сильної гравітації сингулярності ця теорія перестає працювати. Зараз проводиться інтенсивна робота у сфері теоретичної фізики, щоб створити нову теорію квантової гравітації. Вона має об’єднати два стовпи фізики, теорію відносності та квантову механіку, які зустрічаються в екстремальних умовах всередині чорної діри.

     

    Водночас спостереження підбираються ближче до чорних дір. Райнгард Ґенцель та Андреа Ґез стали першопрохідцями, чия праця відкрила дорогу для нового покоління точних перевірок загальної теорії відносності та її найхимерніших передбачень. Найімовірніше, ці виміри зможуть надати також підказки для нових теоретичних інсайтів. У Всесвіті багато таємниць та несподіванок, які чекають на своє відкриття.

     

    Цьогорічну Нобелівську премію коментує фізик Максим Ціж:

     

    Cер Роджер Пенроуз є одним з найвідоміших фізиків-теоретиків сучасності, вченим у сфері дослідження гравітації. Йому присудили премію за його теоретичні роботи, що детально описують гравітаційний колапс астрофізичних об’єктів. Завдяки ним стало зрозуміло, що чорна діра – це не просто математичний трюк в загальній теорії відносності, а цілком реальні фізичні об’єкти, які можна спостерігати. 

     

    Перші спостереження кандидатів у чорні діри з’явились якраз тоді, коли він і написав ці роботи – в кінці 1960-х – на початку 1970-х років. Крім цього, він спробував описати поведінку матерії, що опинилася з того боку горизонту подій, як влаштований простір-час «всередині» чорної діри. Цього на жаль, ми точно ніколи не зможемо перевірити.

     

    Інша половина премії присуджена за суміжні дослідження – спостереження за надмасивною чорною дірою в центрі нашої галактики. Дві незалежні групи відстежили поведінку зір в її околиці, звідки змогли точно визначити її розмір, масу, відстань до неї тощо. Серія цих робіт мала чимале значення для підтвердження теорії Айнштайна (загальної теорії відносності), адже вимірювання були настільки точними, що вдалось помітити прецесіюПрецесія – повільне зміщення осі обертання. орбіти одної із зір. Це досить тонкий ефект, який був помітний до цього тільки в нашій сонячній системі і тільки для найближчої з планет до Сонця (Меркурія). Прецесія орбіти виникає у випадку руху тіла навколо якогось масивного об’єкту. Айнштайн ще в 1919 році використав це передбачення для підтвердження своєї теорії, адже теорія тяжіння Ньютона не давала таких передбачень.

     

    Стаття про прецесію навколо надмасивної чорної діри в нашій галактиці з’явилася навесні цього року, хоча вчені уважно стежили за орбітами зір в цьому районі ще з початку 2000-х років.

     

    Тому зрозуміло, чому саме зараз дали другу половину премії. А щодо першої – що ж, справедливо буде сказати, що сер Роджер Пенроуз є справді найкращим теоретиком у цій галузі. Кіп Торн свою премію вже отримав, а Стівена Гокінґа, з яким у Пенроуза є спільні статті, вже, на жаль, немає серед живих. (Нагадаю, що премію останнім часом деколи ділять між теоретиками і практиками, що змогли підтвердити цю теорію.)

     

    Хайп навколо чорних дір сьогодні є умовним. Просто сучасні інструменти дозволяють краще їх «розгледіти». Своєю чергою, чорна діра – це природний полігон для перевірки як теорії Енштейна, так і її продовження – квантової теорії гравітації. Безумовно, якщо вдасться зробити якийсь значний практичний поступ в дослідженні цього святого граалю фізики, така робота буде також відзначена премією.

     

    Можливо, знимок чорної діри ще дочекається своєї винагороди. М87 – лише перший з об’єктів, які «сфотографував» Телескоп горизонту подій. І це також стало чудовим тестом для теорій гравітації. Хоча багато фізиків очікували, що це відкриття буде нагороджене ще цього року.

     

    ТЕКСТ: Нобелівський комітет
    Переклад: Марта Льода
    Статті
    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Космос
    Що таке сонячні плями і чи впливають вони на людей

    Чи можуть спалахи на Сонці та магнітні бурі провокувати погане самопочуття в людей?

    Ідеї
    Пропаганда у російському кіно

    Як кіно стало частиною пропагандистської та політичної ідеології росії та чи можна якось дати цьому раду?

    Повідомити про помилку

    Текст, який буде надіслано нашим редакторам: