Нескінченні реінкарнації, або Що приховують чорні діри: Новий нобелівський лауреат розповів, про що йдеться у його роботі, відзначеній Нобелівським комітетом

Ейнштейн вважав передбачення їхнього існування помилкою в своїх розрахунках, але його послідовникам все ж вдалося довести – чорні діри існують насправді, передають Патріоти України. Лауреат Нобелівської премії з фізики 2020 Роджер Пенроуз заявив, що у чорних дірах можна знайти сліди Всесвіту, що існував до Великого вибуху. За його словами, Великий вибух — це «не початок».

Пенроуз довів, що «формування чорної діри є надійним прогнозом Загальної теорії відносності (ЗТВ) Альберта Ейнштейна». Пенроуз математично довів можливість формування чорних дір і докладно описав їх ще у січні 1965-го, через десять років після смерті Ейнштейна.

Його стаття про «надважких монстрів, які приховують сингулярність, порушують всі відомі закони природи і поглинають все, що розташоване навколо них, враховуючи світло» досі вважається найважливішим внеском в ЗТВ.

Після оголошення лауреатів премії Пенроуз дав інтерв'ю британському виданню The Telegraph, у якому заявив, що у чорних дірах можна знайти докази існування іншого Всесвіту, який був ще до Великого вибуху.

У другий день Нобелівського тижня, який цього року випав на 6 жовтня, в Стокгольмі традиційно оголошують лауреатів нагороди в галузі фізики. Цього року її отримали британець Роджер Пенроуз, а також німець Рейнхард Гензель і американка Андреа Гез. Всі вони працювали над дослідженнями загадкових космічних об'єктів – чорних дір. Пенроуз отримає половину нагороду "за відкриття, що утворення чорних дір є надійним прогнозом загальної теорії відносності". Другу половину розділять Генцель і Гец "за відкриття надмасивного компактного об'єкта в центрі нашої галактики". Наводимо вільний переклад пояснення Нобелівського комітету, за що саме були відзначені ці вчені.

Цього року Нобелівську премію з фізики розділили троє вчених, які зробили відкриття, що стосуються одного з найбільш екзотичних явищ у Всесвіті – чорної діри. Роджер Пенроуз показав, що чорні діри є прямим наслідком загальної теорії відносності. А Рейнхард Гензель і Андреа Гез виявили, що невидимий і надзвичайно важкий об'єкт управляє орбітами зірок в центрі нашої галактики – Чумацького Шляху. Надмасивна чорна діра – єдине відоме сьогодні тому пояснення.

Роджер Пенроуз розробив неординарні математичні методи для дослідження загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна. Він показав, що теорія призводить до утворення чорних дір – монстрів простору-часу, які захоплюють все, що в них потрапляє. Ніщо, навіть світло, не може втекти.

Рейнхард Гензель і Андреа Гез окремо очолювали кожен свою групу астрономів, які з початку 1990-х років зосередили увагу на області в центрі нашої галактики – Чумацького Шляху. Зі зростаючою точністю вони нанесли на карту орбіти найяскравіших зірок, розташованих найближче до центру. Обидві групи виявили щось невидиме і важке, що змусило цю купу зірок обертатися навколо себе. Маса цього невидимого об'єкта становить близько чотирьох мільйонів сонячних мас, при цьому він стиснутий до розмірів, що не перевищують Сонячну систему, в якій живемо ми. І що саме може змусити зірки в центрі Чумацького Шляху обертатися з такими вражаючими швидкостями? Згідно з нинішньою теорією гравітації, кандидат тільки один –надмасивна чорна діра.

Прорив за межі ідей Ейнштейна

Навіть батько загальної теорії відносності, видатний фізик Альберт Ейнштейн не думав, що чорні діри можуть існувати насправді. Однак через десять років після смерті Ейнштейна у 1955 році британський теоретик Роджер Пенроуз продемонстрував, що чорні діри можуть утворюватися, і описав їхні властивості. Всередині себе чорні діри приховують сингулярність, на кордоні якої порушуються всі відомі закони природи

Щоб довести, що утворення чорних дір – це стабільний процес, Пенроузу потрібно було розширити методи, використовувані для вивчення теорії відносності, навчитися розв'язувати проблеми теорії за допомогою нових математичних концепцій. Проривна стаття Пенроуза була опублікована в січні 1965 року і досі вважається найважливішим внеском у загальну теорію відносності з часів самого Ейнштейна.

Гравітація тримає Всесвіт у своїх руках

Чорні діри – це, мабуть, найдивніший наслідок загальної теорії відносності. Коли Альберт Ейнштейн представив свою теорію в листопаді 1915 року, вона перевернула всі попередні концепції простору і часу. Теорія дала абсолютно нові підстави для розуміння гравітації, яка формує Всесвіт у повному масштабі. З тих пір ця теорія стала основою для всіх досліджень Всесвіту, а також знайшла практичне застосування в одному з наших найбільш поширених навігаційних інструментів – системі позиціонування GPS.

Теорія Ейнштейна описує, як все у Всесвіті знаходиться у владі гравітації. Гравітація утримує нас на поверхні Землі, вона ж управляє орбітами планет навколо Сонця і орбітою Сонця навколо центру Чумацького Шляху. Вона призводить до народження зірок з міжзоряних хмар і, в кінцевому підсумку, до їх загибелі в результаті гравітаційного колапсу. Гравітація надає форму простору і впливає на плин часу. Велика маса викривляє простір і уповільнює час; надзвичайно велика маса може навіть вирізати і укласти в своєрідну капсулу ділянку космосу, утворюючи чорну діру.

Перший теоретичний опис того, що ми зараз називаємо чорною дірою, з'явився уже через кілька тижнів після публікації загальної теорії відносності. Попри надзвичайну складність математичних рівнянь теорії, німецький астрофізик Карл Шварцшильд зміг представити Ейнштейну рішення, яке описує, як важкі маси можуть викривляти простір-час.

Пізніші дослідження показали, що після утворення чорну діру починає оточувати горизонт подій. Він охоплює масу в її центрі, як завіса. Чорна діра назавжди залишається прихованою всередині свого горизонту подій. Чим більша маса, тим більша чорна діра та її горизонт. Для маси, еквівалентної сонцю, горизонт подій має діаметр майже три кілометри, а для маси, подібної масі Землі, його діаметр становить всього дев'ять міліметрів.

Рішення поза досконалістю

Концепція "чорної діри" знайшла нове значення в багатьох формах культурного самовираження (взяти хоча б фільм Крістофера Нолана "Інтерстеллар"), але для фізиків чорні діри є природною кінцевою точкою еволюції гігантських зірок. Перший розрахунок колапсу масивної зірки був проведений в кінці 1930-х років фізиком Робертом Оппенгеймером, який пізніше керував Манхеттенським проектом зі створення першої атомної бомби. Коли у гігантських зірок, чия маса у багато разів перевершує масу Сонця, закінчується паливо, вони спершу вибухають, як наднові, а потім колапсують у надзвичайно щільні останки з настільки великою масою, що їхня гравітація починає притягувати все і засмоктувати всередину, навіть світло.

Ідея "темних зірок" розглядалася ще в кінці 18 століття у працях британського філософа і математика Джона Мічелла, її висловлював також французький вчений П'єр Симон де Лаплас. Обидва міркували, що небесні тіла можуть бути настільки щільними, що стануть невидимими – навіть швидкості світла буде недостатньою, щоб уникнути їхньої гравітації.

Трохи більше століття потому, коли Альберт Ейнштейн опублікував свою загальну теорію відносності, деякі рішення особливо складних рівнянь теорії описували саме такі темні зірки. Аж до 1960-х років ці рішення розглядалися як чисто теоретичні припущення, що описують ідеальні ситуації, в яких зірки та їхні чорні діри були б ідеально круглими і симетричними. Але у Всесвіті немає нічого ідеального, і Роджер Пенроуз був першим, хто успішно знайшов реалістичне рішення для всієї колапсуючої матерії з її западинами, ямками і природними недосконалостями.

Загадка квазарів

Питання про існування чорних дір знову виникло у 1963 році, разом з відкриттям квазарів – найяскравіших об'єктів у Всесвіті. Протягом майже десятка років астрономів спантеличували радіовипромінювання від загадкових джерел, таких як об'єкт 3C 273 в сузір'ї Діви. Випромінювання у видимому світлі нарешті показало його справжнє місцезнаходження. Виявилося, що 3C 273 знаходиться так далеко, що промені від нього доходять до Землі за більш ніж мільярд років.

Це означає, що, якщо джерело світла знаходиться на такій величезній відстані, воно повинне мати інтенсивність, рівну світлу декількох сотень галактик. Об'єкт отримав назву "квазар" (quasi-stellar – квазізірковий, схожий на зірку). Незабаром астрономи відкрили квазари, які були настільки віддалені від Землі, що віпромінювання від них повинно було виникнути в найбільш ранні періоди існування Всесвіту. Звідки ж відбувалося це неймовірне випромінювання? Існує тільки один спосіб отримати стільки енергії в обмеженому обсязі квазара – з речовини, що падає в масивну чорну діру.

Захоплені поверхні дають ключ до розгадки

Чи можуть чорні діри утворюватися в реальних умовах – це питання, яке спантеличувало англійського математика і фізика Роджера Пенроуза. За його спогадами, відповідь на нього прийшла йому восени 1964 року під час того, як вчений прогулювався з колегою. Пенроуз тоді був професором математики в лондонському коледжі Біркбек. Вчені на якийсь момент перервали бесіду, щоби перейти дорогу, і в цей момент Пенроуза осінило. Він відклав промайнулу думку, щоб обміркувати її пізніше тго ж дня. Своїй ідеї вчений дав назву "захоплена поверхня", і вона виявилася тим самим ключем, який він несвідомо шукав вже довгий час – важливим математичним інструментом, необхідним для опису чорної діри.

Захоплена поверхня змушує всі промені вказувати в центр, незалежно від того, згинається вона назовні або всередину. Використовуючи захоплені поверхні, Пенроуз зміг довести, що чорна діра завжди таїть в собі сингулярність – межу, за якою закінчуються простір і час. Її щільність нескінченна, і поки не існує теорії для того, щоб підійти до цього дивовижного явища у фізиці.

Захоплені поверхні стали центральним поняттям, яке доповнило і завершило теорему про сингулярність Пенроуза. Топологічні методи, які він ввів, тепер неоціненні у вивченні нашого викривленого Всесвіту.

Односторонній рух до кінця часів

Коли матерія починає колапсувати і утворюється захоплена поверхня, ніщо не може зупинити цей колапс. Шляху назад немає, як в історії, розказаній індійським фізиком і лауреатом Нобелівської премії Субраманьяном Чандрасекаром. Це історія про бабок та їхні личинки, які живуть під водою – їх Чандрасекар спостерігав у дитинстві. Коли личинка готова розправити крила, вона немов обіцяє розповісти своїм друзям, на що схоже життя по той бік водної поверхні. Але щойно личинка проходить через поверхню і відлітає, перетворившись на бабку, шляху назад вже немає. Личинки у воді ніколи не почують історії про життя на іншій стороні поверхні.

Точно так само вся матерія може перетинати горизонт подій чорної діри тільки в одному напрямку. Потім час замінює простір, і всі можливі шляхи ведуть тільки всередину, потік часу несе все до неминучого кінця в сингулярності. Ви нічого не відчуєте, якщо впадете за горизонт подій надмасивної чорної діри. З боку ніхто не побачить, як ви падаєте, і ваша подорож до горизонту триватиме вічно. Заглянути в чорну діру неможливо за законами фізики – чорні діри приховують всі свої секрети за горизонтом подій.

Чорні діри керують шляхами зірок

Хоча ми не можемо бачити чорну діру, встановити її властивості можливо, спостерігаючи за тим, як її колосальна гравітація направляє рух навколишніх зірок.

Рейнхард Гензель і Андреа Гез очолюють незалежні одну від одної дослідницькі групи, що досліджують центр нашої галактики, котра має назву Чумацький Шлях. Маючи форму товстого диска діаметром близько 100 000 світлових років, галактика, в якій ми живемо, складається з газу і пилу і декількох сотень мільярдів зірок. Одна з таких зірок – наше Сонце. Якщо спостерігати Чумацький шлях із Землі, гігантські хмари з міжзоряних газу і пилу закривають більшу частину видимого світла, що виходить з центру галактики. Вперше заглянути в нього вченим дозволили інфрачервоні телескопи і радіотехнології.

Використовуючи орбіти зірок як орієнтир, Гензель і Гез надали найбільш переконливі докази того, що в самому центрі Чумацького Шляху ховається невидимий надмасивний об'єкт. Єдино можливий його опис – це чорна діра.

Фокус на центрі

Понад п'ятдесят років фізики припускали, що в центрі Чумацького Шляху може знаходитися чорна діра. З моменту відкриття квазарів на початку 1960-х років, вчені прийшли до висновку, що надмасивні чорні діри можуть бути виявлені всередині більшості великих галактик, включаючи Чумацький Шлях. Однак в даний час ніхто не може пояснити, як утворилися галактики і їхні чорні діри з масою від декількох мільйонів до багатьох мільярдів сонячних мас.

Сто років тому американський астроном Харлоу Шеплі першим визначив центр Чумацького Шляху в напрямку сузір'я Стрільця. Пізніше астрономи виявили там сильне джерело радіохвиль, якому дали назву Стрілець A*. До кінця 1960-х стало ясно, що Стрілець А* займає центр Чумацького шляху, навколо якого обертаються всі зірки галактики.

Лише в кінці дев'яностих великі телескопи і більш потужне обладнання дозволили спостерігати і досліджувати Стрілець А* більш систематично. Рейнхард Гензель і Андреа Гез запустили проекти, метою яких було побачити крізь хмари пилу серце Чумацького Шляху. Разом зі своїми групами вони розробили та вдосконалили методи, створивши унікальні інструменти та присвятивши себе довгостроковим дослідженням.

Щоб дивитися на далекі зірки потрібні найбільші телескопи – чим більше, тим краще. Німецький астроном Рейнхард Гензель і його група спочатку використовували New Technology Telescope (NTT), розташований на горі Ла Сілья в Чилі. А пізніше перебралися на ще більший Very Large Telescope (VLT) на горі Серро-Параналь також в Чилі. Чотири телескопи тутешньої обсерваторії вдвічі перевершують розмірами NTT і оснащені найбільшими в світі монолітними дзеркалами, кожне діаметром понад 8 метрів.

Американська дослідницька група на чолі з Андреа Гез базувалася в обсерваторії Кека, розташованій на гавайській горі Мауна-Кеа. Дзеркала її телескопів мають діаметр майже 10 метрів і в даний час є одними з найбільших у світі. Кожне дзеркало схоже на стільники, що складаються з 36 шестикутних сегментів, якими можна керувати окремо, щоб краще фокусувати зоряне світло.

Зірки вказують шлях

Втім, якими б великими не були телескопи, завжди є межа роздільної здатності, оскільки ми живемо на дні атмосферного моря глибиною майже 100 кілометрів. Великі бульбашки повітря над телескопом, які гарячі або холодніші за навколишнє середовище, діють як лінзи і заломлюють світло на шляху до дзеркала телескопа, спотворюючи світлові хвилі. Ось чому з точки зору землян зірки мерехтять, а їхні зображення так розмиті.

Поява адаптивної оптики зіграла вирішальну роль у вдосконаленні астрономічних спостережень. Тепер телескопи оснащені додатковим тонким дзеркалом, яке компенсує турбулентність повітря і виправляє спотворене зображення.

Протягом майже тридцяти років Рейнхард Гензель і Андреа Гез стежили за зірками у самому центрі нашої галактики. Вони продовжують розвивати і вдосконалювати цю технологію за допомогою більш чутливих цифрових світлових сенсорів і кращої адаптивної оптики, завдяки чому роздільна здатніть зображень поліпшилась у понад в тисячу разів. Тепер дослідники можуть більш точно визначати положення зірок, стежачи за ними ніч за ніччю.

Вчені відстежують близько тридцяти найяскравіших зірок з усієї безлічі. Найбільш швидко зірки рухаються в радіусі одного світлового місяця від центру галактики. Всередині цієї ділянки їхній напружений рух нагадує танець бджолиного рою. З іншого боку від цієї умовної межі зірки слідують за своїми еліптичними орбітами більш впорядкованим чином.

Одна зірка, названа S2 або S-O2, завершує оберт навколо центру галактики менш ніж за 16 років. За астрономічними мірками, це надзвичайно короткий термін, тому дослідники змогли нанести на карту всю її орбіту. Для порівняння, нашому Сонцю для завершення кола навколо центру галактики необхідно понад 200 мільйонів земних років. Це означає, що, коли ми починали наше поточний коло, по Землі ще ходили динозаври.

Теорія і спостереження слідують одне за одним

Узгодженість висновків, до яких прийшли обидві дослідницькі групи, була приголомшливою. За їхніми даними, чорна діра в центрі нашої галактики повинна бути еквівалентна приблизно 4 мільйонам сонячних мас, а розмір – порівнянним із розміром Сонячної системи.

Ймовірно, незабаром ми зможемо подивитися прямо на Стрільця А*. Це наступне завдання у списку астрофізиків, оскільки трохи більше року тому астрономічній мережі Event Horizon Telescope нарешті вдалося отримати зображення найближчого оточення надмасивної чорної діри. Далі в цьому списку йде сфотографоване в минулому році серце галактики, відомої як Messier 87 (M87). Вона розташована в 55 мільйонах світлових років від нас, а в її центрі знаходиться гігантська чорна діра.

Ядро M87 більш ніж в тисячу разів важче за Стрільця A*. Чорні діри, чиє зіткнення викликало нещодавно відкриті гравітаційні хвилі, були значно легшими. Як і чорні діри, гравітаційні хвилі існували тільки як розрахунки в рамках загальної теорії відносності Ейнштейна, перш ніж вони були вперше зафіксовані восени 2015 року детектором LIGO в США (Нобелівська премія з фізики, 2017).

Чого ми не знаємо

Роджер Пенроуз показав, що чорні діри є прямим наслідком загальної теорії відносності, але в нескінченно сильній гравітації сингулярності ця теорія перестає діяти. В області теоретичної фізики ведеться інтенсивна робота зі створення нової теорії квантової гравітації. Це повинно об'єднати два стовпи фізики, теорію відносності та квантову механіку, які зустрічаються в самій глибині чорних дір.

У той же час спостереження підбираються все ближче до чорних дір. Новаторська робота Райнхарда Гензеля та Андреа Гез проклала шлях новим поколінням точних перевірок загальної теорії відносності та її найдивніших прогнозів. Швидше за все, ці вимірювання також зможуть дати ключ до нових теоретичних відкриттів. У Всесвіту є ще багато секретів і загадок, які належить розгадати.