Темная тайна Млечного пути: черные дыры получили официальное признание

За полвека черные дыры прошли путь от «гипотетического объекта, не запрещенного общей теорией относительности» до фундаментальной части Вселенной, реальность которой больше никем не оспаривается. Нобелевская премия по физике 2020 года — признание огромной работы астрофизиков и космологов, исследовавших в мельчайших деталях то, что, казалось бы, нельзя даже наблюдать

Далеко не о всех сенсационных научных открытиях возвещают заголовки на первых полосах газет. Некоторые поразительные научные факты входят в нашу жизнь исподволь: то, что еще недавно было смелой гипотезой, через десяток лет становится общепризнанной реальностью, но когда и кем было совершено открытие, человечество узнает лишь по прошествии времени. Примерно это произошло с черными дырами.

В научно-популярных книгах середины прошлого века о черных дырах было принято писать, что это гипотетический объект, существование которого следует из Общей теории относительности Эйнштейна, однако доказать реальность подобных объектов чрезвычайно сложно, если вообще возможно. В 2017 году Нобелевская премия была вручена за регистрацию гравитационных волн, испущенных при столкновении черных дыр, а вскоре получена фотография черной дыры. Тем не менее, за полвека никто так и не удосужился сообщить человечеству, что открытие черных дыр состоялось, и это уже не гипотеза, а реальность.

Возможно, этот момент настал сейчас, когда в Стокгольме объявлены имена лауреатов Нобелевской премии по физике 2020 года. Она присуждена за теоретическое обоснование существования черных дыр, а также за открытие черной дыры в центре нашей галактики Млечный путь.

Половину премии получит Роджер Пенроуз, британский физик и математик, глава кафедры математики в Оксфорде. Он удостоен награды за доказательство того факта, что образование черной дыры является прямым следствием общей теории относительности. Оставшуюся сумму разделят между собой Райнхард Генцель из Германии и Андреа Гез из США за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики. Генцель и Гез показали, что этот объект — черная дыра.

Черные дыры — это объекты с самой мощной во Вселенной гравитацией. Даже свет не может вырваться за пределы черной дыры. В черной дыре пространство сворачивается в сингулярность, а течение времени прекращается. Возможность таких объектов следует из общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна. На сегодняшний день эта теория многократно и весьма тщательно проверена самыми разными способами, от астрономических наблюдений до экспериментов с хронометрами.

Уравнения ОТО чрезвычайно трудно поддаются решению в общем виде. Что касается черных дыр, о них давно уже было известно, что их существование ОТО не запрещает. Однако одно дело — объект, который «не запрещен теорией», но непонятно как и при каких условиях может образоваться, и совсем другое — нечто, что закономерно следует из теории и просто не может не существовать в реальныости. Именно этот шаг и сделал Роджер Пенроуз в теории черных дыр. В 1965 году он опубликовал работу, где показано, как во многих случаях важнейшие свойства пространства-времени можно выяснить и без точных решений. С применением этих методов Пенроуз получил важнейший результат: он доказал, что черные дыры образуются закономерным образом после взрыва самых массивных звезд (массой в десятки солнц).

Эта статья Пенроуза считается до сих пор важнейшей публикацией по ОТО со времен работ Эйнштейна. Надо отметить, что важный вклад в эти исследования внес Стивен Хокинг — одна из фундаментальных теорем, имеющих отношение к проблеме черных дыр, получила название теоремы Хокинга-Пенроуза.

На сегодняшний день образование черных дыр в результате взрыва сверхновых, открытое Пенроузом на кончике пера — общепризнанный факт. Однако за открытия «на кончике пера», как известно, нобелевские премии не дают: полученный теоретически результат должен быть подтвержден наблюдением или экспериментом. Где же можно наблюдать эти загадочные черные дыры? Оказалось, одна из них находится совсем рядом с нами. Сама наша галактика, которую мы видим с Земли как дымчатый шлейф Млечного пути плюс россыпь ближайших к нам звезд, закручена спиралью вокруг сверхмассивной черной дыры. Решающие доказательства этого факта получили Райнхард Генцель и Андреа Гез.

Каждый из этих двух лауреатов возглавлял собственную группу по изучению объекта Стрелец А*. Это компактное тело расположено в самом центре Галактики. Стрелец А* — мощный источник излучения в самых разных диапазонах, от радиоволн до рентгеновских лучей.

Чтобы выяснить его природу, астрономы стремились определить его массу и размер. Для этого они наблюдали звезды, обращающиеся вокруг этого тела.

Генцелю и Гез пришлось разработать специальные методы, позволяющие наблюдать эти светила даже сквозь толщи газа и пыли, закрывающие центр Галактики. В результате многолетнего труда лауреаты и их сотрудники нанесли на карту орбиты звезд, обращающихся вокруг Стрельца А*.

Оказалось, что этот объект имеет массу в четыре миллиона солнечных масс, но при этом по размеру сравним с Солнечной системой. Объект такой огромной плотности не может быть ничем, кроме черной дыры. Таким образом Генцель и Гез не только выяснили природу Стрельца А*, но и получили первые неоспоримые наблюдательные свидетельства существования черных дыр.

Сегодня общепризнанно, что Стрелец А* — это сверхмассивная черная дыра, на которую падает окружающее ее вещество. Эта материя и испускает излучение, превращающее черную дыру в очень яркий объект.