Темно и тяжко в центре галактики

В последние годы уже стало традицией, что члены Шведской королевской академии наук делят Нобелевскую премию по физике на две составляющие — теоретическую и экспериментальную. 2020-й не стал исключением.

Половину премии получил маститый 89-летний британский математик-теоретик, профессор Оксфордского университета Роджер Пенроуз, который был удостоен ее за «открытие того, что образование черной дыры является надежным предсказанием общей теории относительности». К этой не слишком очевидной даже для профессионалов формулировке мы еще вернемся, но сначала следует упомянуть о двух других новых лауреатах.

Вторая половина физической Нобелевки была на паритетной основе присуждена двум астрономам — 68-летнему немцу Райнхарду Генцелю, директору Института Макса Планка по внеземной физике (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Гархинг) и 55-летней американке Андреа Гез, профессору Калифорнийского университета Лос-Анджелеса (Гез стала четвертой женщиной — лауреатом Нобелевской премии по физике за всю историю этой важнейшей научной номинации). Генцель и Гез были удостоены этой высшей научной награды за «открытие супермассивного компактного объекта в центре нашей галактики», то есть черной дыры.

 

Премия за математическое утверждение

Черные дыры — это гипотетические космические объекты с чрезвычайно большой плотностью и мощнейшим гравитационным притяжением, внутри которых (за так называемым горизонтом событий) происходит искажение, а также разрыв пространства-времени, теоретическая возможность существования которых в природе впервые была предсказана в начале XX века Альбертом Эйнштейном в рамках его Общей теории относительности (сам термин «черная дыра» был предложен намного позже, в 1967 году, американским астрономом Джоном Уилером).

Хотя научные достижения трех новых лауреатов и имеют, с некоторой натяжкой, общую «физическую природу», а именно исследование пресловутого феномена черных дыр, более поздние экспериментальные достижения Генцеля и Гез не могут считаться прямым практическим продолжением того, что за несколько десятилетий до этого было написано об этих таинственных физических объектах Роджером Пенроузом.

Об этом свидетельствует и осторожная формулировка «экспериментальной составляющей» премии-2020, в которой все-таки прямо не говорится, что две независимые экспериментальные команды, руководимые Генцелем и Гез, смогли обнаружить в самом центре Млечного Пути именно черную дыру. Иными словами, между терминами «супермассивные компактные объекты» и «черные дыры» на самом деле нельзя ставить знак равенства, хотя, по мнению членов Нобелевского комитета, сформулированному в резюме «для публики», Гензель, Гез и их коллеги «представили нам самые убедительные доказательства существования супермассивной черной дыры в центре Млечного Пути».

Но, как вдогонку уточнил в своем заявлении для прессы председатель Нобелевского комитета по физике Дэвид Хэвиленд,

«открытия лауреатов этого года проложили новый путь в изучении компактных и сверхмассивных объектов. Но эти экзотические объекты по-прежнему вызывают много вопросов, требующих ответов и подталкивающих к дальнейшим исследованиям».

В свою очередь, в беседе с нами ведущий российский физик-теоретик, академик РАН Валерий Рубаков, комментируя присуждение премии Роджеру Пенроузу, прямо признался: «Насколько мне известно, еще никогда до этого Нобелевский комитет не присуждал премий за теоретические работы, которые не были экспериментально подтверждены или не являлись убедительным обоснованием ранее проведенных экспериментов. Любая теоретическая работа должна согласовываться явным образом с экспериментом. Иными словами, это чуть ли не первый случай, когда премию дали за некое математическое утверждение, написанное на бумаге и не получившее экспериментального подтверждения. По крайней мере, базовая гипотеза Пенроуза о том, что внутри каждой черной дыры должна быть сингулярность (в несколько упрощенном объяснении космологическая сингулярность характеризуется наличием бесконечных значений плотности и температуры вещества. — “Стимул”), конечно, очень красивая и полезная, но сугубо умозрительная и к экспериментам не имеет никакого отношения”.

Кроме того, Валерий Рубаков заявил, что подобное решение шведских академиков — «совершенно новое и очень удивительное для меня явление в истории присуждения Нобелевских премий. Но будет ли это прецедентом или нет — этого я сказать, конечно, не могу».

Впрочем, шведские академики действительно постарались придать максимальное подобие убедительности своему весьма нестандартному решению по части «теоретической половинки», написав следующий вводный комментарий: «Даже Альберт Эйнштейн, отец общей [теории] относительности, не думал, что черные дыры действительно могут существовать. Однако через десять лет после смерти Эйнштейна, в 1965 году, британский теоретик Роджер Пенроуз продемонстрировал, что черные дыры могут образовываться, и описал их свойства. В основе черных дыр лежит сингулярность, пограничная область, где разрушаются все известные законы природы… Его открытия до сих пор считаются важнейшим вкладом в развитие теории относительности после исследований Альберта Эйнштейна».

 

А может, куболл?

Экспериментальная половинка Нобелевской премии присуждена за многолетние кропотливые астрономические наблюдения и анализ загадочных физических процессов, наблюдавшихся в регионе Стрелец А* в центре Млечного Пути (этот регион — самый мощный радиоисточник в нашей галактике, который ярко излучает и в других диапазонах длин волн). Эта работа осуществлялась с конца 1990-х независимо друг от друга двумя исследовательскими командами — Райнхарда Генцеля и Андреа Гез.

Райнхард Генцель и его группа первоначально использовали NTT, новый для того времени телескоп на горе Ла-Силла в Чили. Но в итоге они перенесли свои наблюдения на очень большой телескоп VLT, расположенный на горе Паранал (тоже в Чили). В свою очередь Андреа Гез и ее исследовательский коллектив использовали обсерваторию Кек (Keck Observatory), расположенную на гавайской горе Мауна Кеа.

Благодаря высочайшему техническому мастерству и изобретательности, проявленным командами Генцеля и Гез (в частности, им удалось создать новые методы и приборы для компенсации искажений, вызываемых атмосферой Земли), исследователи смогли не только с большой точностью рассчитать орбиты и скорости ярчайших звезд, находящихся в непосредственной близости от центра Млечного Пути, но и установить примерную массу самого сверхкомпактного объекта в нем — порядка 4 млн масс нашего Солнца при общем размере региона Стрелец А*, сопоставимом с размерами Солнечной системы (Валерий Рубаков уточнил, что особенно технически сложным был процесс вычисления этой общей массы).

Однако ключевое утверждение о том, что этот центральный объект является именно черной дырой, а не чем-либо иным, все-таки проходит по пресловутой категории highly likely, и, как иронично отметил академик Рубаков, формальная логика выстраивается по аналогии с классической цепочкой рассуждений «слепого дегустатора»: «Если нечто по форме напоминает пудинг, пахнет как пудинг и на вкус похоже на пудинг — значит, скорее всего это пудинг».

При этом он с готовностью признает, что этот «сверхмассивный компактный объект» в центре нашей галактики скорее всего действительно является, в соответствии с исходными постулатами ОТО, черной дырой, но все-таки уточняет, что и «другие экзотические варианты» объяснения этого феномена пока не исключаются. В частности, Валерий Рубаков упомянул, что его ученик, известный российский физик-теоретик Сергей Троицкий, работающий в настоящее время в Институте ядерных исследований РАН в Троицке, «в свое время предположил, что в центре Млечного Пути может находиться нечто, что на нашем профессиональном жаргоне называется “куболлом”, то есть также очень массивный несветящийся объект, который тем не менее не является черной дырой (то есть не имеет горизонта событий). Причем его размеры должны быть заметно больше, чем у теоретически рассчитанной черной дыры. И эта его гипотеза, как, впрочем, и ряд других альтернативных объяснений, тоже пока совершенно не противоречит ничему из выявленного экспериментальными расчетами в центре нашей галактики».

А на наш прямой вопрос, реально ли вообще доказать экспериментально существование черных дыр, академик Рубаков дипломатично ответил, что «это вопрос очень сложный. Ведь для этого, по сути, нужно доказать, что существует некий темный объект, поглощающий весь свет, внутри которого нет никакой поверхности. И я далеко не уверен, что сделать это вообще будет когда-либо возможно».