Чорні діри у Всесвіті стають світлішими

Цього року лауреатами Нобелівської премії з фізики стали Роджер Пенроуз з Великоъ Британії, Райнхард Генцель з Німеччини і Андреа Гез із США.

Згідно з офіційним формулюванням Нобелівського комітету вони удостоєні нагороди «за відкриття, що утворення чорної діри є надійним прогнозом загальної теорії відносності». Зазначимо, що минулого року премія була присуджена Джеймсу Піблсу — за теоретичні відкриття в галузі фізичної космології, а також Мішелю Майору і Дідьє Кело — за відкриття екзопланети, що обертається навколо зірки сонячного типу. Тим самим наголошується, що революційні відкриття у фізиці дедалі більше відбуваються при вивченні космосу, причому далекого.

Роджеру Пенроузу 89 років і він вважається сучасним універсальним вченим, хоча таких практично не залишилося. За професією він математик. Ще будучи студентом 1955 року він запровадив узагальнення оберненої матриці в лінійній алгебрі, відоме як псевдообернення Мура-Пенроуза.

Нинішнього нобелівського лауреата завжди цікавили математичні проблеми фізики, зокрема загальної теорії відносності Ейнштейна (ЗТВ).

1965 року у своїй статті на трьох сторінках він сформулював у математичній формі процес колапсу зірок і перетворення їх на так звані чорні діри.

У зірці, наприклад у нашому Сонці, відбувається безперервний ядерний вибух. Його тиск стримує гравітаційне поле. З вигоранням ядерного палива відбувається старіння зірки, наявна відносна рівновага порушується і масивна зірка стрімко зменшується в розмірах у свого роду точку — в сингулярність. Важлива складова відкриття Пенроуза полягала в тому, що це дозволяло не вирішувати нелінійні рівняння ОТО, що являє собою дуже складне й часто нездійсненне завдання, а досліджувати властивості рішень рівнянь не вирішуючи їх безпосередньо.

Тим самим було математично доведено, що випливає з рівнянь ЗТВ, існування чорних дір. Науковий світ зустрів це відкриття з певним скептицизмом. Математичні рівняння Пенроуза були бездоганними, залишалося всього лише знайти ці самі чорні діри.

Як випливає з визначення, чорні діри — це об’єкти з неймовірно потужним тяжінням. На певній відстані від центру чорної діри — горизонті подій — все, що наблизилося, зокрема й кванти світла, назавжди залишається в чорній дірі без можливості вирватися з неї.

1967 року Пенроуз розробив теорію твісторів — математичний апарат опису чотиривимірного комплексного векторного простору-часу у потужному полі тяжіння. І це теж стосувалося чорних дір.

Узагалі, нобелівський лауреат вніс великий вклад у різні науки. Так, наприклад, 1974 року він винайшов мозаїку Пенроуза, яка дозволяє всього лише двома плитками простої форми покрити нескінченну площину неперіодичним візерунком. 1984 року такі структури були знайдені в розташуванні атомів квазікристалів.

У 1990-х рр. брав участь у розробці теорії квантового нейрокомпьютингу Хамероффа-Пенроуза, що дозволила просунутися у вивченні роботи головного мозку й дала старт новому напрямку в теорії інформації.

2012 року Пенроуз відвідав Київ і прочитав дві лекції в Київському університеті та КПІ.

Генцель і Гез отримали премію «за відкриття надмасивного компактного об’єкта в центрі нашої Галактики». Цей об’єкт — небесне тіло Стрілець А * і є першою відомою людству чорною дірою.

Колективам вчених, до яких входили Генцель і Гез, вдалося виявити за допомогою складних спостережень на найпотужніших телескопах рух кількох яскравих зірок навколо дуже масивного й компактного тіла в центрі нашої галактики, яке, ймовірно, є надмасивною чорною дірою. Це дозволило як визначити, з доброю точністю, масу передбачуваної чорної діри, яка виявилася трохи більшою чотирьох мільйонів мас Сонця, так і перевірити деякі передбачення ЗТВ. Теорія Ейнштейна цю перевірку пройшла відмінно.

2017 року Нобелівська премія була присуджена Райнеру Вайссу, Кіпу Торну і Баррі Берішу за відкриття гравітаційних хвиль, які утворилися в результаті злиття пар чорних дір з масою з кілька десятків мас Сонця.

Присудження цього року означає свого роду ренесанс астрофізики чорних дір.

Дослідження космосу з теоретичної та практичної точки зору дуже важливі. Зауважимо, що звична нам система позиціонування, зокрема GPS, можлива тільки на основі застосування рівнянь ЗТВ.

Ресурси нашої планети обмежені, тому вивчення фізичних процесів у космосі важливі для підтвердження фізичних теорій.

Уже доведено, що правильна й навіть дуже абстрактна теорія обов’язково здобуде практичне використання. Це вже завдання інженерів.