И все-таки они существуют

Нобелевский комитет в этом году присудил премию по физике за работы, посвященные черным дырам. Половина премии ушла современному классику общей теории относительности Роджеру Пенроузу (Roger Penrose) с формулировкой «за открытие, что образование черных дыр является строгим следствием общей теории относительности». Вторую половину премии поделили между собой астрофизики Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) и Андреа Гэз (Andrea Ghez) — «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре Галактики».

Фактически, Нобелевский комитет поделил премию между теоретическим описанием черных дыр (строгое математическое доказательство существования сингулярности в центре дыр и исследование процесса их образования) и экспериментальным подтверждением существования такого объекта в центре Млечного Пути.

Черные дыры

Изначально черная дыра — чисто теоретическая концепция, существовавшая исключительно в рамках общей теории относительности. Это область пространства-времени, которую ни материя ни свет не могут покинуть из-за слишком сильного гравитационного притяжения. То, что подобные объекты возможны, стало ясно сразу же после того, как в 1915 году были сформулированы уравнения Эйнштейна.

Уже в январе 1916 года Карл Шварцшильд предложил точное решение уравнений, которое описывает кривизну пространства-времени вокруг невращающегося сферически-симметричного массивного объекта. Это решение допускает возможность существования черных дыр и фактически вводит понятие горизонта событий — поверхности, расположенной на определенном расстоянии (которое называют радиусом Шварцшильда) от центра объекта и разделяющей две области пространства-времени. Снаружи от горизонта любые две точки пространства-времени можно соединить светоподобными линиями (то есть два события можно связать друг с другом лучом света), а вот с точкой под горизонтом событий никакую точку за его пределами так связать нельзя. Это фактически и означает, что свет или вещество, попавшие внутрь черной дыры (то есть преодолев горизонт событий), уже не могут ее покинуть.

По этой же причине любая информация о том, что происходит со светом или веществом внутри черной дыры, недоступна для наблюдателя: информационные сигналы из черной дыры просто не могут вырваться наружу. Единственный способ «общения» черной дыры с абстрактным наблюдателем — с помощью гравитационного поля и искривления пространства-времени.

Сингулярности внутри

В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер предположили, что в геометрии Шварцшильда в результате гравитационного коллапса сферического пылевого облака должны возникать сингулярности — точки, где кривизна пространства и плотность становятся бесконечными. Гравитационные и квантовые эффекты при приближении к центру объекта искривляют пространство-время и разрушают изначальную геометрию. Пенроуз расширил рассмотрение подобных объектов на общий случай и в 1965 году опубликовал работу, за которую сейчас фактически и получил Нобелевскую премию.

Ученый сформулировал теорему о сингулярностях. Он рассмотрел эволюцию объектов с горизонтом событий (то есть фактически черных дыр) и показал, что внутри таких объектов возникновение сингулярностей неизбежно. При этом плотность материи в момент формирования горизонта событий еще может быть и не слишком большой — не больше плотности Земли или Солнца. Фактически эта работа — строгое математическое доказательство с помощью метода конформного преобразования, что ничто в черной дыре не может предотвратить гравитационный коллапс и появление сингулярности.

«Сформулировать теорему Пенроуза можно так, — объясняет академик РАН Валерий Рубаков. — Если у вас получилась поверхность типа горизонта событий (то есть область, из которой световые лучи не могут выйти наружу), то в будущем обязательно сформируется сингулярность — область с бесконечной плотностью энергии и бесконечной кривизной пространства. А значит, в любой черной дыре обязательно образуется сингулярность. Пенроуз доказал, что это не просто свойство конкретного решения, а общая ситуация».

К решению Нобелевского комитета Рубаков относится неоднозначно: «Решение дать премию Пенроузу мне кажется странноватым, потому что сингулярность никто не видел, и никто ее не увидит. Поэтому прав он или нет — это неизвестно, экспериментально это не доказано, и не будет доказано. А обычно премию давали за нечто, что доказано в эксперименте».

Несколькими годами позже Пенроуз вместе со Стивеном Хокингом показали, что аналогичные результаты верны не только для сингулярности внутри черной дыры, но и для космологической сингулярности — аналогичного состояния пространства-времени на определенном этапе развития Вселенной.

В более поздних исследованиях Пенроуз поставил вопрос невозможности наблюдения сингулярности внутри черной дыры. В 1969 году он сформулировал принцип космической цензуры, который постулирует, что сингулярность может проявляться только в тех областях пространства-времени, которые недоступны для наблюдателя (в том числе под горизонтом событий черной дыры). После Пенроуза физики-теоретики опровергали эту гипотезу и оправдывали ее вновь, но так или иначе, она все равно не решает проблемы существования точек сингулярности с бесконечной кривизной и бесконечной плотностью, что и вызывает определенный скепсис некоторых ученых.

Например, профессор Сколтеха Анатолий Дымарский также не очень понимает решение Нобелевского комитета:

«Это очень странное, необычное решение. Результат Пенроуза важен, но важен наравне с сотнями — не с десятками, а с сотнями! — других настолько же важных работ. Нобелевскую премию ему дали за математический результат, за доказательство существования решения общей теории относительности, которое приводит к [гравитационному] коллапсу и формированию черной дыры. Вообще говоря, удивительно: эта работа очень теоретическая, можно даже сказать математическая, где теория относительности выступает как некий раздел римановой геометрии. Я не могу припомнить ни одного другого случая, когда за чисто теоретический результат, тем более математический, давали бы Нобелевскую премию по физике».

«Если бы работа Пенроуза предсказывала существование массивных черных дыр в центре Галактики, это был бы другой вопрос, — продолжает Дымарский. — Но работа Пенроуза не предсказывала, она говорила о принципиальной возможности существования таких объектов. Есть разница между принципиальной возможностью и предсказанием существования таких объектов, скажем, в центре нашей Галактики».

Эргосфера

Помимо вопросов, связанных с сингулярностями, Роджер Пенроуз занимался и другими особенностями структуры пространства-времени вблизи вращающейся черной дыры. Например, он исследовал эргосферу — область вокруг черной дыры, находясь в которой объекты вращаются вместе с дырой и не могут противостоять этому вращению. Пенроуз показал, что эргосферу можно использовать в качестве источника энергии. Так, если в эргосферу попадает объект с определенной энергией, то он может расколоться пополам: одна половина останется в эргосфере вращаться вокруг черной дыры, а вторая — может покинуть область вращения с энергией большей, чем у начального объекта, то есть фактически украв часть энергии у черной дыры.

Математические модели, которые предложил Пенроуз для описания черной дыры, затем активно использовались другими учеными: например, для исследования термодинамики черных дыр или их излучения. А на сформулированные Пенроузом принципы и закономерности физики ориентируются при разработке теории квантовой гравитации, которая должна согласовать общую теорию относительности с квантовой механикой.

Млечный Путь

Вторую половину Нобелевской премии по физике в 2020 году получили астрофизики за значительно менее абстрактное исследование. Поскольку черная дыра не выпускает из себя ни свет, ни материю, то все возможные способы черной дыры как-то проявиться — косвенные, по ее гравитационному влиянию на другие объекты. За обнаружение и наблюдение одного из таких доказательств премию и получили Райнхард Генцель и Андреа Гэз.

Райнхард Генцель во второй половине 1990-х годов возглавлял группу в Институте внеземной физики Общества Макса Планка, и проводил наблюдения на телескопах Европейской южной обсерватории в Чили (в частности на телескопе VLT — Very Large Telescope). В то же самое время Андреа Гэз руководила лабораторией Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Ее группа проводила наблюдения на телескопах Обсерватории Кека на Гавайях. Обе группы проводили наблюдения в районе радиоисточника Стрелец A* (Sgr A*) в центре Млечного Пути.

Астрономы наблюдали за траекториями нескольких звезд как можно ближе к радиоисточнику, чтобы показать, что эти траектории сформировались в результате гравитационного воздействия сверхмассивного объекта в центре Млечного Пути (фактически, черной дыры). Основная сложность этих наблюдений — необходимость выделения нужного сигнала с достаточным пространственным разрешением в присутствии большого количества источников шума: атмосферы Земли, межзвездной пыли, сигналов от соседних источников.

Фактически ученым приходилось измерять очень короткие сигналы длительностью менее одной секунды. Для этого измерения проводились в ближнем инфракрасном диапазоне (с длиной волны около 2,2 микрометра) с очень короткой выдержкой (около одной десятой секунды). Чтобы подавить искажения сигнала в земной атмосфере, ученые использовали адаптивную оптику и спекл-интерферометрию — статистический анализ случайных интерференционных картин. В первую очередь, достижение обеих групп состоит в отработке техники измерений траекторий звезд вблизи черных дыр.

Ученым удалось измерить параметры нескольких эллиптических орбит, которые вращаются вокруг радиосточника Sgr A* и фактически подтверждают существование сверхмассивной черной дыры с массой около 4 миллионов масс Солнца центре галактики. При этом результаты двух групп, полученные независимо на двух различных телескопах, сошлись с очень хорошей точностью.

Пока полученные данные не дают возможность исследовать объекты, находящиеся ближе нескольких сот радиусов Шварцшильда от сверхмассивного компактного объекта, хотя отдельные короткие вспышки в непосредственной близи к объекту ученым удавалось поймать в инфракрасной части спектра.

На решение присудить Нобелевскую премию Генцелю и Гэз ученые тоже отреагировали неоднозначно. Например, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга Сергей Попов говорит:

«Возникает впечатление, что в оргкомитете Нобелевской премии по каким-то причинам сформировалось решение, что пора дать за черные дыры и начался мучительный поиск тех, кто подходит под эти критерии: какая у нас самая достоверная черная дыра? В центре Галактики. И кто больше всех сделал измерений? Группы Генцеля и Гэз. Это скорее количественный результат».

При этом значение этого результата, по словам Сергея Попова, носит скорее «инструментальный» характер:

«Самая большая черная дыра в Галактике — это для нас прототип сверхмассивной черной дыры вообще и полигон для проверки теории гравитации. Что это дает фундаментальной физике? Астрофизики постоянно ищут и измеряют эффекты — в основном, эффекты общей теории относительности в чем-нибудь, движущемся вокруг Sgr A*. Работы Генцеля и Гез позволили откалибровать этот инструмент, мы получили такую огромную естественную лабораторию».

Несмотря на несколько скептическое отношение научного сообщества к решению Нобелевского комитета, понять это решение, конечно, можно. Те аргументы, которые высказываются против него, в каком-то смысле работают и в обратную сторону. Во-первых, до этого года Нобелевские премия за исследования черных дыр не присуждались, а по своей важности для современной физики они вполне могут поспорить, например, с гравитационными волнами.

Конечно, основные достижения Пенроуза носят скорее абстрактный математический характер, но не зря агентство Thomson Reuters еще в 2008 году назвало его одним из кандидатов на получение премии. Без его работ и идей общую теорию относительности сейчас представить невозможно. Ценность этих идей для разработки теории квантовой гравитации оценить сложнее, но важные предпосылки для нее, конечно, были созданы в том числе и работами Пенроуза.

Логично и разделение премии между ученым-теоретиком и астрономами-экспериментаторами. Да, работы Генцеля и Гэз — лишь одни из многих. Но именно их вклад, если выбирать среди остальных астрономов, можно назвать наиболее существенным. Их работа — решение нетривиальной технической задачи, которое привело к экспериментальному подверждению существования сверхмассивного объекта в центре нашей галактики.

В прошлом году Нобелевскую премию присудили по похожей схеме: половина досталась физику-теоретику Джеймсу Пиблсу, который исследовал свойства реликтового излучения (при этом не открыл и не предсказал его), а вторая половина досталась экспериментаторам Мишелю Майору и Дидье Кело, открывшим первую экзопланету на орбите солнцеподобной звезды. Конечно, важное отличие состоит в том, что теорему Пенроуза, в отличие от спектра реликтового излучения, в принципе невозможно проверить экспериментально.