Путь к Нобелевке пролег через черные дыры

Нобелевскую премию по физике 2020 г. получили Роджер Пенроуз, Райнхард Генцель и Андреа Гез
Лауреатов Нобелевской премии по физике 2020 г. объявили 6 октября /Reuters

Альберт Эйнштейн не верил, что черные дыры действительно существуют. Через 10 лет после его смерти, в январе 1965 г., британский физик и математик Роджер Пенроуз доказал, что черные дыры – это реальность. Его выкладки базировались на общей теории относительности Эйнштейна. Пенроуз стал таким же активным популяризатором науки, как Стивен Хокинг. Не удивительно, что ему отойдет половина Нобелевской премии по физике – около $0,5 млн. Остальные полмиллиона поделят поровну немец Райнхард Генцель и американка Андреа Гез.

Генцель и Гез возглавляли группу астрономов, которая с начала 1990-х гг. исследовала область Стрелец A* в центре Млечного Пути. Они разработали методы, позволяющие компенсировать искажения, вызванные атмосферой Земли, и видеть сквозь огромные облака межзвездного газа и пыли. Наблюдая за орбитами самых ярких звезд в центре Млечного Пути, оба ученых пришли к выводу, что там есть некий чрезвычайно тяжелый невидимый объект, который может быть только черной дырой размером не больше нашей Солнечной системы и массой 4 млн наших Солнц.

Чего не понять нобелевскому лауреату

Если вам не давалась математика в школе, не отчаивайтесь – это не помешает стать гениальным физиком. «Я всегда был очень медленным. Я хорошо разбирался в математике, но не обязательно хорошо сдавал тесты», – рассказывал ВВС Пенроуз.

Роджер Пенроуз /Wikimedia

Пенроуз родился в 1931 г. в Англии. Ему повезло, что на время войны семья переехала в Канаду. Там ему попался хороший школьный учитель, который понял, что у ребенка получится решить все примеры, если его не торопить. Так что в Университетском колледже Лондона, а затем в Кембридже Пенроуз был звездой математики. Впрочем, братья у него тоже не промах: Оливер Пенроуз также известный физик, а Джонатан Пенроуз – шахматный гроссмейстер.

Больше всего Пенроуза привлекала топология – раздел математики, изучающий свойства фигур и пространств при их деформации. В 1950-х гг. он попал на выставку нидерландского художника Маурица Эшера, известного оптическими иллюзиями в своих картинах. Пенроуз с отцом разработали в подражание ему несколько геометрических фигур, которые можно нарисовать на бумаге, но невозможно воспроизвести в реальности, – они известны как лестница Пенроуза и треугольник Пенроуза.

Бесконечная лестница Пенроуза /Wikimedia

Судьбы Пенроуза и Хокинга оказались во многом похожими. Пенроуз входил в диссертационный совет, когда Хокинг защищал докторскую в Кембридже. В конце 1960-х и в 1970-х они работали вместе под началом Денниса Сиамы, научного руководителя Хокинга. Оба привлекли к себе внимание публики благодаря научно-популярной литературе. Для Хокинга прорывом стала «Краткая история времени» (1988), а для Пенроуза – «Новый ум короля» (1989). Но не по всем научным вопросам парочка соглашалась друг с другом, да и авторский стиль у них различается. Например, Хокинг всеми силами избегал уравнений в своих книгах, а Пенроуз любит рассыпать их по страницам.

Пенроуз работал во многих известных университетах, от Принстона до Оксфорда. Труды по общей теории относительности и космологии в 1994 г. принесли ему титул рыцаря. Но у него немало других идей. Он даже попытался объяснить, как работает мозг человека. Однако есть одна вещь, которую он вряд ли когда-нибудь сможет постичь, признавался Пенроуз ВВС. Это презентации в PowerPoint: «Я ненавижу PowerPoint. Я использую его время от времени, и это всегда катастрофа». Когда надо дополнить его выступление картинками, он предпочитает использовать диапроектор.

Как соперничали Райнхард Генцель и Андреа Гез

Нобелевская премия, разделенная пополам, – всего лишь эпизод (хотя эпизод, конечно, значимый) долгого соперничества немца Генцеля и американки Гез. Астрономы сходились во мнении, что Вселенная изобилует черными дырами – где-то далеко от нас. Но еще в 1971 г. английские астрофизики Дональд Линден-Белл и Мартин Рис предположили, что дыра есть и в нашей галактике. Они подозревали, что именно она и кроется в 26 000 световых лет от Земли, в центре Млечного Пути, где находится слабый источник радиошума под названием Стрелец A*. Последние десятилетия две команды ученых независимо друг от друга пытались доказать или опровергнуть эту теорию. Одну команду возглавил Генцель, и они использовали обсерваторию в Чили. Другую – Гез, они работали с телескопами на Гавайях.

Генцель родился в 1952 г. в небольшом немецком городке Бад-Хомбурге в семье профессора физики. В молодости он был одним из лучших метателей копья в Германии и даже тренировался с национальной сборной на Олимпийских играх 1972 г. в Мюнхене.

Райнхард Генцель /Mahdi Zamani / ESO

Он изучал физику в Фрайбургском и Боннском университетах, но по-настоящему увлекся черными дырами, когда в 1980-х работал в Калифорнийском университете в Беркли под руководством физика Чарльза Таунса, лауреата Нобелевской премии и изобретателя лазеров. «Я считаю себя его младшим сыном», – признался Генцель The New York Times (NYT).

В 1986 г. он вернулся в ФРГ, где в конце концов стал директором Института внеземной физики Макса Планка в Гархинге. Также он работает профессором Калифорнийского университета в Беркли (США).

Гез – четвертая женщина, получившая Нобелевскую премию по физике, которую прежде присуждали Марии Кюри в 1903 г., Марии Гепперт Майер в 1963 г. за исследование атомного ядра и Донне Стрикленд в 2018 г. за разработки в лазерной физике.

Гез родилась в Нью-Йорке в 1965 г. и выросла в Чикаго. После высадки американцев на Луну мечтала стать астронавтом, но в итоге занялась астрофизикой, окончила Массачусетский технологический институт и Калифорнийский технологический институт. Сейчас она профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA).

Андреа Гез /Courtesy of the John D. and Catherine T. MacArthur Foundation via Wikimedia Commons

Про свою работу она говорила NYT: «В этой области можно получить так много удовольствия!» Чтобы объяснить то же самое простыми словами, она с соавторами написала детскую книжку «Вы можете стать женщиной-астрономом» (1995).

«Вам нужны данные минимум за 20 лет, чтобы вступить в гонку», – говорит Гез о поисках черной дыры. Примерно столько потребовалось командам, чтобы собрать необходимые данные. Например, одна из звезд, которую Гез окрестила S0-2, а Генцель – S2, раз в 16 лет проходит всего в 17 млрд км, или 17 световых часах, от предполагаемого расположения черной дыры. Если дыра существует, в этот момент должны наблюдаться некие странности. Но чтобы их выявить, надо с высокой точностью вычислить орбиту звезды и проанализировать многолетние наблюдения за ней.

Генцелю и Гез приходилось наперегонки друг с другом изобретать способы, как повысить качество наблюдений. Например, как убрать вносимое атмосферой Земли искажение, которое мешает наблюдать звезды даже нам: невооруженному глазу кажется, что звезда мерцает. Или как увидеть невидимое, исследуя инфракрасное излучение космических объектов. Последний метод позволил команде Генцеля обнаружить газовые облака, которые фактически носятся в центре Млечного Пути. Каждые 45 минут или около того они совершают круг в 240 млн км со скоростью около 30% от скорости света. Объяснение этому было одно: их притягивает объект, равный по массе 4 млн наших Солнц. А если телескопы не видят, чтобы он излучал свет, – значит, это черная дыра.

В 2012 г. Генцель и Гез уже разделили премию Крафорда, которую часто называют Нобелевкой по астрономии. И вот теперь дело дошло до настоящей Нобелевки.