Nobel Prize in Physics Awarded for Researching Black Holes

Нобелевская премия по физике вручена за исследование чёрных дыр
			
			
  
    
  
  
    
  
  
  7.10.2020АртёмКоржиманов
  
  космос
  


		Нобелевскую премию по физике в 2020 году разделили между тремя учёными. Половину премии получит известный физик-теоретик Роджер Пенроуз, остальное поделят поровну между астрономами Райнхардом Генцелем и Андреей Гез. В формулировке нобелевского комитета Пенроуз награждён за «открытие того, что образование чёрных дыр является точным предсказанием общей теории относительности», а Генцель и Гез — за «открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики».
Премия второй год подряд вручена за достижения в области астрофизики — в прошлом году отметили открытие планет, обращающихся вокруг далёких звёзд. Можно вспомнить, что более того всего три года назад нобелиатами стали астрофизики, впервые зарегистрировавшие гравитационные волны от слияния чёрных дыр.
Ещё одна характерная особенность награждённых работ, это их возраст. Основополагающая статья Пенроуза о чёрных дырах датирована 1965 годом! Сам учёный буквально два месяца назад отметил 89-летие. Два других лауреата моложе, но и их наблюдения, приведшие к вручению премии, были проведены ещё в 1990-х годах.
Тем не менее, теоретическое предсказание существования чёрных дыр и непосредственное наблюдение космических объектов, обладащих всеми свойствами, характерными для этих изначально гипотетических объектов, безусловно, является одним из важнейших достижений в астрофизике и заслужило высокую награду. Какой же вклад в это достижение внёс каждый из лауреатов?
Как зародилась идея чёрных дыр
Роджер Пенроуз к середине 1960-х годов успел отметиться серией сильных математических работ и дорос до статуса профессора прикладной математики в Биркбекском колледже Лондонского университета. В 1964 году он узнаёт от известного космолога Джона Уилера о проблемах математической теории чёрных дыр, и приступает к их решению.
Вообще, идея существования объектов столь массивных, что силу их притяжения не может преодолеть даже свет, по меркам современной физики стара. Ещё в 18 веке её независимо друг от друга высказали англичанин Джон Мичелл и француз Пьер-Симон Лаплас. Их рассуждения, однако, опирались на законы Ньютона, которые, как оказалось позже, неприменимы к свету и сверхмассивным телам.
Правильную теорию притяжения для тел любой массы и справедливую также и для света создал в 1915 году Альберт Эйнштейн. Эта теория получила название общей теории относительности. Именно она сейчас считается основной теорией гравитации и широко используется как для описания отдельных космических тел, так и для описания всей Вселенной. Уже в 1916 году для уравнений этой теории Карл Шваршильд получил математическое решение, описывающее самую простую чёрную дыру.

		© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
	

	
	
		
			
	
	

	
        В центре чёрной дыры находится сингулярность, а её границей считается горизонт событий — зависящая от наблюдателя поверхность, из-под которой не может выбраться ни одно материальное тело и даже свет. При пересечении горизонта событий линия в пространстве становится линией во времени, унося всё, что пересекает горизонт, к сингулярности.
    В дальнейшие годы проблема существования чёрных дыр не привлекала большого внимания, хотя и были получены отдельные интересные результаты. Проблема заключалась в том, что все они были получены в простейших идеализированных случаях, и многие учёные сомневались, что формирование чёрной дыры в реалистичных условиях возможно.
Как Пенроуз сделал чёрные дыры реальными
Тем временем в начале 1960-х годов были открыты удивительные космические объекты, получившие название квазары. По оценкам их яркость превышает яркость тысяч галактик, а плохо видны они только потому что находятся на огромном расстоянии от нас, где-то ближе к краю видимой Вселенной. Такой яркий объект не мог быть простой звездой, поскольку известно, что чем ярче звезда, тем короче её жизнь, поскольку она быстро сжигает весь запас водорода, необходимого для термоядерного горения. Поэтому была выдвинута гипотеза, что квазары на самом деле являются чёрными дырами сверхбольшой массы, которые поглощая окружающее их вещество высвечивают часть энергии этого вещества в виде ярких потоков излучения.

		© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
	

	
	
		
			
	
	

	
        Чёрная дыра формируется при коллапсе звезды. При этом в некоторый момент времени образуется сингулярность, вокруг которой начинает расти горизонт событий. Как показал Пенроуз, под горизонтом для любой замкнутой гиперповерхности все пересекающие её траектории, обращены своими временными конусами внутрь, не давая ничему выйти из объёма, ограниченного поверхностью. Причём это справедливо и для несимметричного распределения массы.
    Именно в связи с этой гипотезой учёные вернулись к проблеме более строгого математического обснования возможности формирования чёрных дыр. И именно Роджеру Пенроузу удалось её решить. Применив хитроумный математический аппарат, он показал, что уравнения общей теории относительности Эйнштейна имеют решения, описывающие формирование чёрных дыр даже в далёких от идеальных условиях. Это доказательство вкупе с наблюдением квазаров убедило большинство астрофизиков в реальности существования подобных экзотических объектов. Собственно, и сам термин «чёрная дыра» прочно вошёл в обиход только после этих работ.
Как найти чёрную дыру?
Вскоре после этого была выдвинута гипотеза, что сверхмассивные чёрные дыры существуют не только в далёких квазарах, но и в центре почти любой галактики. В том числе и той галактики, в которой живём мы, – Млечного Пути. Их масса не так велика, как масса квазаров, поэтому они не такие яркие, но как тогда их обнаружить?
Разрешающей силы телескопов до самого последнего времени никак не хватало, чтобы разглядеть непосредственно окрестность даже самых больших чёрных дыр. Только с запуском сети телескопов Event Horizon Telescope в прошлом году удалось, наконец, получить изображение «тени чёрной дыры». Группы, возглавлявшиеся  Райнхардом Генцелем и Андреей Гез, действовали другим методом.
Они решили измерить скорость движения звёзд, вращающихся вокруг центра нашей галактики — астрономы по историческим причинам называют его объектом Стрелец A* («Стрелей А со звёздочкой») — на небольшом расстоянии от него. Если в центре имеется относительно небольшой массивный объект, то скорость вращающихся вокруг него звёзд должна быть тем ниже, чем дальше расположена звезда, — это следует из хорошо известных законов Кеплера и аналогично тому, как скорость планет в Солнечной системы тем ниже, чем дальше планета от Солнца. Если же в центре нет компактного объекта, а вся масса распределена по большому объёму, то скорость звёзд менялась бы с расстоянием как-то по-другому.

		© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
	

	
	
		
			
	
	

	
        Так схематично выглядит наша Галактика со стороны. Объект Стрелец A* расположен в её центре, а Солнечная система на окраине в одном из рукавов. Расстояние от нас до центра составляет около 26 000 световых лет.
    Первая проблема с подобным наблюдением заключается в том, что в центре галактики очень много звёзд и ещё больше межзвёздного газа и пыли. То есть центр галактики просто плохо виден. Решить эту проблему удалось, проводя наблюдения не в видимом свете, а в инфракрасном диапазоне — такие волны значительно слабее поглощаются.
Другая проблема заключалась в том, что звёзды двигаются по небу медленно, и чтобы  измерить их скорости, наблюдать за ними надо долго. Это делает наблюдения с помощью космических телескопов, например, знаменитого телескопа имени Хаббла непрактичными — ведь другие наблюдения тоже требуют времени. По этой причине пришлось использовать наземные телескопы.
Но с наземными телескопами есть другая проблема: им мешает атмосфера земли. Когда астрономы пытаются рассмотреть мелкие детали на небе, даже небольшие колебания воздуха, вызванные ветрами или неравномерным нагревом, приводят к сильным искажениям. Именно решение этой технической проблемы и привело группы Гензеля и Гез к открытию.
Как разглядели чёрную дыру в центре нашей галактики?
использовали малое время экспозиции, то есть открывали объектив камеры на долю секунды. За это время на плёнку камеры падало незначительное количество света, поэтому был разработан специальный сверхчувствительный детектор.
Во-вторых, из-за движения воздуха изображения звёзд на разных снимках были смещены друг относительно друга, поэтому астрономы применили специально разработанный метод их выравнивания, называемый спекл-визуализацией.
Наконец, в-третьих, обе группы проводили свои измерения независимо в течение нескольких лет. Гензель — в Чили в обсерватории Ла-Силья, а Гез — на Гавайях в обсерватории Кека. Затем они сравнили друг с другом свои наблюдения и обнаружили отличное совпадение результатов. Скорости звёзд идеально совпали с законами Кеплера, что явилось доказательством наличия в центре галактики компактного объекта чрезвычайно большой массы.
Дальнейшие наблюдения с помощью более совершенных методов только подтвердили первоначальные выводы, а кроме того, позволили получить более сильные аргументы в пользу того, что этот массивный объект действительно является чёрной дырой. В частности, ещё в 1992 году была обнаружена звезда S2, которая делает полный оборот вокруг центра всего за 16 лет. То есть за время наблюдения она уже успела больше одного оборота. Оказалось, что её движение не может быть описано законами Ньютона, но прекрасно согласуется с общей теорией относительности Эйнштейна. Ну и, как уже говорилось выше, буквально в прошлом году с помощью уже целой сети телескопов удалось разглядеть непосредственные окрестности центра галактики, и показать, что их изображение совпадает с тем, что ожидалось увидеть от сверхмассивной чёрной дыры.
Чёрные дыры являются одним из самых экзотических объектов во Вселенной. Но интересны они не только тем, что их не может ни один объект, даже свет, а с их теорией связано большое количество иногда сложно разрешимых парадоксов. Чёрные дыры – это объекты, в которых, как считают учёные, существует область, где перестают работать современные физические теории, и для полноценного их описания требуется создание абсолютно новой теории – квантовой гравитации, которая объединила бы законы микромира, квантовую физику, и законы гравитационного притяжения тел, которые управляют миром звёзд.
Это авторский вариант статьи, опубликованной изначально в «Медузе»

		Читайте также
	Астрономы обнаружили чёрную дыру всего в тысяче световых лет от Земли
    8.06.2020
Движение звезды вокруг чёрной дыры подтвердило теорию Эйнштейна
    16.04.2020
Kepler не нашёл чёрных дыр тёмной материи
    1.11.2013

			 чёрные дыры
			
				 нобелевская премия
			
				 

The Nobel Prize in Physics in 2020 was split between three scientists. The famous theoretical physicist Roger Penrose will receive half of the prize, and the rest will be divided equally between astronomers Reinhard Genzel and Andrei Gez. In the formulation of the Nobel Committee, Penrose was awarded for “the discovery that the formation of black holes is an accurate prediction of general relativity”, and Hantzel and Geuze – for “the discovery of a supermassive compact object in the center of our galaxy.”

For the second year in a row, the award was presented for achievements in the field of astrophysics – last year celebrated the discovery of planets orbiting distant stars. It can be recalled that moreover, only three years ago astrophysicists became Nobeliates, who for the first time registered gravitational waves from the merger of black holes.

Another characteristic feature of the awarded works is their age. Penrose’s seminal paper on black holes dates from 1965! The scientist himself celebrated his 89th birthday just two months ago. The other two laureates are younger, but their observations leading to the presentation of the award were carried out back in the 1990s.

Nevertheless, the theoretical prediction of the existence of black holes and the direct observation of cosmic objects with all the properties characteristic of these initially hypothetical objects is undoubtedly one of the most important achievements in astrophysics and has earned a high award. What contribution did each of the laureates make to this achievement?

How the idea of ​​black holes was born

Roger Penrose, by the mid-1960s, had a series of strong mathematical papers and rose to the status of professor of applied mathematics at Birkbeck College, University of London. In 1964, he learns from the famous cosmologist John Wheeler about the problems of the mathematical theory of black holes, and proceeds to solve them.

In general, the idea of ​​the existence of objects so massive that even light cannot overcome the force of their attraction, is old by the standards of modern physics. Back in the 18th century, it was independently expressed by the Englishman John Michell and the Frenchman Pierre-Simon Laplace. Their reasoning, however, was based on Newton’s laws, which, as it turned out later, are not applicable to light and supermassive bodies.

Albert Einstein created the correct theory of attraction for bodies of any mass and is also valid for light in 1915. This theory is called the general theory of relativity. It is she who is now considered the main theory of gravity and is widely used both to describe individual cosmic bodies and to describe the entire Universe. Already in 1916, for the equations of this theory, Karl Schwarshild obtained a mathematical solution describing the simplest black hole.


There is a singularity in the center of the black hole, and its boundary is the event horizon – a surface depending on the observer, from under which no material body and even light can escape. When the event horizon is crossed, a line in space becomes a line in time, carrying everything that crosses the horizon to the singularity.

In subsequent years, the problem of the existence of black holes did not attract much attention, although some interesting results were obtained. The problem was that they were all obtained in the simplest idealized cases, and many scientists doubted that the formation of a black hole in realistic conditions is possible.

How Penrose made black holes real

Meanwhile, in the early 1960s, amazing space objects were discovered, called quasars. According to estimates, their brightness exceeds the brightness of thousands of galaxies, and they are poorly visible only because they are at a huge distance from us, somewhere closer to the edge of the visible Universe. Such a bright object could not be a simple star, since it is known that the brighter the star, the shorter its life, since it quickly burns up the entire supply of hydrogen necessary for thermonuclear combustion. Therefore, it was hypothesized that quasars are in fact super-large mass black holes, which, absorbing the surrounding matter, emit part of the energy of this matter in the form of bright fluxes of radiation.


A black hole forms when a star collapses.  In this case, at some point in time, a singularity forms, around which the event horizon begins to grow.  As Penrose showed, under the horizon for any closed hypersurface, all trajectories intersecting it face inward with their temporary cones, preventing anything from leaving the volume bounded by the surface.  Moreover, this is also true for asymmetric mass distribution.

A black hole forms when a star collapses. In this case, at some point in time, a singularity forms, around which the event horizon begins to grow. As Penrose showed, under the horizon for any closed hypersurface, all trajectories intersecting it face inward with their temporary cones, preventing anything from leaving the volume bounded by the surface. Moreover, this is also true for asymmetric mass distribution.

It was in connection with this hypothesis that scientists returned to the problem of a more rigorous mathematical substantiation of the possibility of the formation of black holes. And it was Roger Penrose who managed to solve it. Using an ingenious mathematical apparatus, he showed that Einstein’s equations of general relativity have solutions that describe the formation of black holes even in far from ideal conditions. This evidence, coupled with the observation of quasars, convinced most astrophysicists of the reality of the existence of such exotic objects. Actually, the term “black hole” itself firmly entered into use only after these works.

How to find a black hole?

Soon after, it was hypothesized that supermassive black holes exist not only in distant quasars, but also in the center of almost any galaxy. Including the galaxy in which we live – the Milky Way. Their mass is not as large as the mass of quasars, so they are not as bright, but how then can they be detected?

Until very recently, the resolving power of telescopes was in no way sufficient to see directly the vicinity of even the largest black holes. Only with the launch of the Event Horizon Telescope network last year was it possible to finally get an image of the “black hole shadow”. The groups led by Reinhard Gentzel and Andrei Gez acted in a different way.

They decided to measure the speed of the stars orbiting the center of our galaxy – astronomers for historical reasons call it the object Sagittarius A * (“Arrow A with an asterisk”) – at a short distance from it. If there is a relatively small massive object in the center, then the speed of the stars revolving around it should be the lower, the further the star is located – this follows from the well-known Kepler’s laws and similarly to how the speed of the planets in the solar system is the lower, the further the planet is from The sun. If there is no compact object in the center, and all the mass is distributed over a large volume, then the speed of the stars would change with distance in some other way.


This is how our Galaxy looks schematically from the side.  Object Sagittarius A * is located in its center, and the Solar System is on the outskirts in one of the arms.  The distance from us to the center is about 26,000 light years.

This is how our Galaxy looks schematically from the side. Object Sagittarius A * is located in its center, and the Solar System is on the outskirts in one of the arms. The distance from us to the center is about 26,000 light years.

The first problem with such an observation is that there are a lot of stars in the center of the galaxy and even more interstellar gas and dust. That is, the center of the galaxy is simply poorly visible. This problem was solved by observing not in visible light, but in the infrared range – such waves are much weaker absorbed.

Another problem was that stars move slowly across the sky, and it takes a long time to measure their speeds. This makes observations with space telescopes, such as the famous Hubble Telescope, impractical – other observations also take time. For this reason, we had to use ground-based telescopes.

But there is another problem with ground-based telescopes: they get in the way of the earth’s atmosphere. When astronomers try to see fine details in the sky, even small fluctuations in the air caused by winds or uneven heating result in severe distortion. It was the solution to this technical problem that led the groups of Hänsel and Guez to the discovery.

How did you see the black hole in the center of our galaxy?

used a short exposure time, that is, they opened the camera lens for a split second. During this time, a small amount of light fell on the camera film, so a special supersensitive detector was developed.

Secondly, due to the movement of air, the images of stars in different images were displaced relative to each other, so astronomers used a specially developed method of aligning them, called speckle visualization.

Finally, thirdly, both groups carried out their measurements independently for several years. Hansel is in Chile at the La Silla Observatory, and Guez is in Hawaii at the Keck Observatory. Then they compared their observations with each other and found excellent agreement between the results. The velocities of the stars ideally coincided with Kepler’s laws, which was proof of the presence of a compact object of extremely large mass in the center of the galaxy.

Further observations using more sophisticated methods only confirmed the initial conclusions, and in addition, made it possible to obtain stronger arguments in favor of the fact that this massive object is indeed a black hole. In particular, back in 1992, the star S2 was discovered, which makes a complete revolution around the center in just 16 years. That is, during the observation period, it has already managed more than one revolution. It turned out that its motion cannot be described by Newton’s laws, but it is in excellent agreement with Einstein’s general theory of relativity. Well, as mentioned above, literally last year, with the help of a whole network of telescopes, it was possible to see the immediate vicinity of the center of the galaxy, and show that their image coincides with what was expected to be seen from a supermassive black hole.

Black holes are one of the most exotic objects in the universe. But they are interesting not only because not a single object, even light, can do them, but a large number of sometimes difficult to solve paradoxes are associated with their theory. Black holes are objects in which, according to scientists, there is an area where modern physical theories cease to work, and for their full description it is required to create an absolutely new theory – quantum gravity, which would combine the laws of the microworld, quantum physics, and the laws of gravitational attraction bodies that rule the world of stars.


This is the author’s version of an article originally published in Meduza

Recommended Articles

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *