Черные дыры во Вселенной становятся светлее

В текущем году лауреатами Нобелевской премии по физике стали Роджер Пенроуз из Великобритании, Райнхард Генцель из Германии и Андреа Гез из США.

Согласно официальной формулировке Нобелевского комитета они удостоены награды «за открытие, что образование черной дыры является надежным предсказанием общей теории относительности». Отметим, что в прошлом году премия была присуждена Джеймсу Пиблсу — за теоретические открытия в области физической космологии, а также Мишелю Майору и Дидье Кело — за открытие экзопланеты, вращающейся вокруг звезды солнечного типа. Тем самым отмечается, что революционные открытия в физике все больше происходят при изучении космоса, причем дальнего.

Роджеру Пенроузу 89 лет и он считается современным универсальным ученым, хотя таких практически не осталось. По профессии он математик. Еще будучи студентом в 1955 году он ввел обобщение обратной матрицы в линейной алгебре, известное как псевдообращение Мура-Пенроуза.

Нынешнего нобелевского лауреата всегда интересовали математические проблемы физики, в частности, общей теории относительности Эйнштейна (ОТО).

В 1965 году в своей статье на трех страницах он сформулировал в математической форме процесс коллапса звезд и превращение их в так называемые черные дыры.

В звезде, например, в нашем Солнце происходит непрерывный ядерный взрыв. Его давление сдерживает гравитационное поле. По мере выгорания ядерного топлива происходит старение звезды, имеющееся относительное равновесие нарушается и массивная звезда стремительно уменьшается в размерах в своего рода точку — в сингулярность. Важной составляющей открытия Пенроуза состояло в том, что позволяли не решать нелинейные уравнения ОТО, что представляет собой очень сложную и часто неразрешимую математическую задачу, а исследовать свойства решений уравнений не решая их непостредственно. 

Тем самым было математически доказано, вытекающее из уравнений ОТО, существование черных дыр. Научный мир встретил это открытие с некоторым скептицизмом. Математические уравнения Пенроуза были безупречны, оставалось всего лишь найти эти самые черные дыры.

Как следует из определения, черные дыры — это объекты с невероятно мощным тяготением. На определенном расстоянии от центра черной дыры — горизонте событий — все подходящее, в том числе и кванты света, навсегда остается в черной дыре без возможности вырваться из нее.

В 1967 году Пенроуз разработал теорию твисторов — математический аппарат описания четырехмерного комплексного векторного пространства-времени в сильном поле тяготения. И это тоже относилось к черным дырам.

Вообще нобелевский лауреат внес большой вклад в самые разные науки. Так, например, в 1974 году он изобрел мозаику Пенроуза, которая позволяет всего лишь двумя плитками простой формы покрыть бесконечную плоскость непериодическим узором. В 1984 году такие структуры были найдены в расположении атомов квазикристаллов.

В 1990-х гг. участвовал в разработке теории квантового нейрокомпьютинга Хамероффа — Пенроуза, позволившей продвинуться в изучении работы головного мозга и давшей старт новому направлению в теории информации.

В 2012 году Пенроуз посетил Киев и прочитал две лекции Киевском университете и КПИ.

Генцель и Гез получили премию «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики». Этот объект — небесное тело Стрелец А* и является первой известной человечеству черной дырой. 

Коллективам ученых, в которые входили Генцель и Гез, удалось обнаружить с помощью сложнейших наблюдений на мощнейших телескопах движение нескольких ярких звезд вокруг очень массивного и компактного тела в центре нашей галактики, которое, по всей вероятности, является сверхмассивной черной дырой.  Это позволило как определить, с хорошей точностью, массу предполагаемой черной дыры, которая оказалась чуть больше четырех миллионов масс Солнца, так и проверить некоторые предсказания ОТО. Теория Эйнштейна эту проверку прошла с блеском.

В 2017 году Нобелевская премия была присуждена Райнеру Вайссу, Кипу Торну и Барри Бэришу за открытие гравитационных волн, которые образовались в результате слияния пар черных дыр с массой с несколько десятков масс Солнца.

Присуждение этого года означает своего рода ренессанс астрофизики черных дыр.

Исследования космоса с теоретической и практической точки зрения очень важны. Отметим, что привычная нам система позиционирования, в частности, GPS возможна только на основе применения уравнений ОТО.

Ресурсы нашей планеты ограничены, поэтому изучение физических процессов в космосе  важны для подтверждения физических теорий.

Уже доказано, что правильная и даже очень абстрактная теория обязательно получит практическое использование. Это уже задача инженеров.