ВходРегистрация
*— обязательные для заполнения поля
Войти через социальные сети
Нобелевская премия – за черные дыры и экзопланеты

Нобелевская премия – за черные дыры и экзопланеты

Нобелевская премия – за черные дыры и экзопланеты

Роджер Пенроуз, Райнхард Генцель и Андреа Гез названы лауреатами Нобелевской премии 2020 года по физике. Как пишет издание «The Nobel Prize», главной научной премии мира этим исследователи удостоились за открытие, суть которого состоит в том, что образование черных дыр может служить надежным предсказанием общей теории относительности. Кроме того, эти ученые открыли супермассивный компактный объект в центре Млечного Пути. Церемония награждения лауреатов должна была по традиции состояться в Стокгольме 10 декабря,  в день кончины основателя Нобелевских премий — шведского предпринимателя и изобретателя Альфреда Нобеля (1833−1896), однако, как с сожалением подтвердили в Нобелевском фонде, в нынешнем году из-за пандемии церемонию вручения пришлось отменить, медали и дипломы будут переданы лауреатам в шведских посольствах, либо их передадут лауреаты Нобелевской премии прошлых лет. Сумма премии – 10 миллионов шведских крон, или 87,7 миллиона рублей по нынешнему курсу.

Эта страшная черная дыра

Чёрная дыра – это область пространства-времени с колоссальным гравитационным притяжением, из-за чего покинуть черную дыру не смогут и движущиеся со скоростью света объекты, и даже кванты самого света. Черные дыры – действительно колоссальные объекты. Например, для того, чтобы звёзды двигались в галактике М87, масса центральной чёрной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс!

На сегодняшний день к черным дырам причисляют около тысячи объектов в нашей  Вселенной, а всего в Космосе могут существовать десятки миллионов таких объектов. Черная дыра втягивает в себя все, что попадает в поле ее притяжения, и способна «сожрать» целые солнечные системы. Нашей Галактике это, слава Богу, в обозримом, да и в необозримом будущем не грозит, - ближайшие к нам кандидаты в черные дыры находятся слишком далеко от Земли. Так, один из компонентов тройной системы HR 6819 (QV Телескопа), отделен от нашего Солнца расстоянием в 1120 световых лет, а двойная система A0620-00 (V616 Единорога) и вовсе удалена от нас на 6070 световых лет. А это солидные расстояния даже по космическим масштабам. Считается, что черные дыры находятся в центре всех, спиральных и эллиптических галактик. И в центре нашей Галактики находится огромная чёрная дыра Стрелец A, но, если верить астрофизикам, эта черная дыра нам тоже не угрожает.  

Теоретически возможность существования черных дыр исходит из нескольких уравнений Альберта Эйнштейна, но кто именно изобрел этот термин, точно неизвестно. Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары», от английского «collapsed stars», реже их называли «frozen stars», или «застывшие звёзды». Принято считать, что первым термин «черные дыры»  пустил в обиход Джон Арчибальд Уилер в цикле своих популярных лекций, а конкретно – в прочитанной 29 декабря 1967 года лекции «Our Universe: the Known and Unknown» («Наша Вселенная: известное и неизвестное»).

«Свет не может покинуть это тело»

Но, если говорить о черной дыре как о массивном космическом теле с огромным гравитационным притяжением, то впервые гипотезу о существовании таких объектов высказал в 1784 году британский математик Джон Мичелл. Он направил в Королевское общество свои расчеты, показывавшие, что для тела с радиусом в 500 солнечных радиусов и с плотностью Солнца вторая космическая скорость на его поверхности будет равна скорости света. «Таким образом, свет не сможет покинуть это тело, и оно будет невидимым, - писал Мичелл. – Исходя из этого, можно предположить, что в Космосе может существовать множество подобных недоступных наблюдению, но доступных вычилению, объектов».

Гипотеза Мичела произвела такое впечатление на самого известного в те времена математика Лапласа, что через двенадцать лет, в 1796 году, он включил письмо коллеги в собственный труд «Exposition du Systeme du Monde». Правда, после смерти Лапласа упоминание гипотезы Мичела из книги таинственным образом исчезло, но научный мир к тому времени уже знал о существовании черных дыр.

Сегодня обнаруживать черные дыры и столкновение нейтронных звезд между собой помогают гравитационные телескопы, умеющие «видеть» мощное гравитационное излучение черных дыр. Так 11 февраля 2016 года американские астрофизики сообщили об обнаружении гравитационных волн, возникших при слиянии двух чёрных дыр массами около 30 солнечных масс на расстоянии около 1,3 миллиарда  световых лет от Земли. Столкновения черных дыр со звездами можно наблюдать и в рентгеновском диапазоне. В марте 2011 года именно таким образом впервые в истории группа американских и японских астрофизиков зафиксировала момент гибели звезды, «съеденной» черной дырой. А первая «фотография» сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики Messier 87, находящейся на расстоянии 54 миллионов световых лет от Земли, была получена 10 апреля 2019 года участниками проекта Национального научного фонда США «Event Horizon Telescop», включающего в себя восемь мощных радиотелескопов, установленных в разных концах Земли. По мнению астрофизиков, эта «картинка» - еще одно подтверждение правильности теории относительности Эйнштейна.  

Сквозь пространство и время

Открытие  новых Нобелевских лауреатов Пенроуза, Генцеля и Геза приоткрывает завесу тайны над сценарием образования черных дыр. До сих пор  в научном обиходе существует четыре основных таких сценария. Согласно первому, черные дыры возникают при  гравитационном коллапсе, а проще говоря, - при сжатии гигантской звезды. По второй теории, в возникновении черной дыра «виноват» коллапс центральной части Галактики или сильное сжатие протогалактического газа. Есть еще две теории, которые, скорее, можно назвать гипотезами: о формировании первичных чёрных дыр сразу после Большого Взрыва, и о возникновении черных дыр в результате ядерных реакций высоких энергий.

Один из нынешних Нобелевских лауреатов, профессор математики и физики Роджер Пенроуз, отдавший долгие годы изучению различных систем физических полей, по праву считается крупнейшим авторитетом в области исследований черных дыр, - в частности, он многое сделал для развития теоремы «No hair theorem» об «отсутствии волос» у чёрной дыры. Название, конечно, экзотическое, но суть тут в том, что у стационарной чёрной дыры нет внешних характеристик, помимо массы, момента импульса и определённых зарядов. То есть, даже радиуса у черной дыры нет!

Разумеется, фантасты сразу ухватились за «чернодырную» тему и бросились на поиски некоего «моста в другое пространство и время», существование которого якобы было предсказано Альбертом Эйнштейном. Дело в том, что внутри чёрной дыры действительно есть область, получившая в науке название «мост Эйнштейна — Розена». По мнению Эйнштейна, гипотетический наблюдатель, движущийся медленнее света,  не сможет попасть во «вторую вселенную», но зато в промежуток времени между пересечением горизонта и попаданием на сингулярность он сможет… увидеть её! Такая структура пространства-времени и породила фантазии о параллельных мирах и возможности путешествия во времени сквозь «кротовые норы» черных дыр. Самое интересное, что эти фантазии оказались весьма стойкими не только в литературе, но и в научном мире: многие ученые и сегодня ищут пути преодоления пространства-времени через «кротовые норы»…

Внесолнечные планеты

Открытия Нобелевских лауреатов-2020 по физике впечатляют, но не менее значимыми для науки были и открытия их коллег, получивших Нобелевские премии по физике в прошлом году. Среди лауреатов-2019 были астрофизик Мишель Майор и астроном Дидье Кело. Как отмечал тогда Нобелевский комитет Королевской шведской академии наук, «Майор и Кело удостоены премии за открытие в 1995 году первой экзопланеты на орбите солнцеподобной звезды — 51 Пегаса b». Именно это открытие сделало изучение эволюции экзопланет одним из фундаментальных направлений в современной астрономии.

Экзопланеета (от древнегреческого ἔξω, - «вне», «снаружи»), или» внесолнечная планета», — это, как следует из названия, планета, находящаяся вне Солнечной системы. Долгое время люди не могли обнаружить планеты возле других звёзд, тем более что ближайшая к нам «посторонняя» звезда находится на расстоянии 4,24 световых года от нашей Солнечной системы, и разглядеть на таком расстоянии едва освещенную местным солнцем планету было невозможно и в самые мощные телескопы. Первые экзопланеты были обнаружены лишь в конце 80-х годов прошлого века благодаря непрямым методикам детектирования.  

Астрономы достаточно давно разработали классификацию экзопланет. Их делят на газовые и планеты земного типа. К газовым планетам относятся холодный юпитер; горячий юпитер; рыхлая планета; холодный нептун; горячий нептун; гелиевая планета; водный гигант; ледяной гигант; супер-юпитер, и даже - эксцентрический юпитер. Экзопланеты земного типа - суперземля; мегаземля; миниземля; планета-океан; хтоническая планета; безъядерная, железная и углеродная планета; планета, покрытая лавой, и, наконец, пустынная планета.
Первым человеком, предположившим существование космических двойников Земли, был  астроном Мадрасской обсерватории, капитан британской армии Уильям Джейкоб. В 1855 году он сообщил: «Очень высока вероятность существования планетарного тела, похожего на Землю, в двойной системе 70 Змееносца». Джейкобу не поверили, но через много лет, в 1890 году, американский астроном Томас Дж. Дж. Си из Чикагского университета и его коллеги из Военно-морской обсерватория США подтвердили догадку капитана: в системе 70 Змееносца обнаружено несветящее тело, некий невидимый спутник тамошнего Солнца. Американцам удалось даже вычислить период обращения этого спутника – 36 лет. Увы, современная наука так и не признала существование планетной системы у звезды 70 Змееносца.

Зато в 1916 году астроном Эдуард Барнард обнаружил маленькую красную звёздочку, которую так и назвали – «звезда Барнарда». Масса открытой Барндардом звезды в семь раз меньше массы нашего Солнца, и астрономы предположили, что рядом с этой звездой есть планеты, на нее влияющие. Планета и впрямь нашлась, - в 1962 году астрофизик Питер Ван де Камп поведал миру, что вокруг красной звездочки «бегает» огромный спутник, похожий на Юпитер. Это вызвал настоящий переполох, а потом и скандал в научном мире, - особенно после того, как другой астрофизик, Джордж Гейтвуд, опубликовал в 1973 году статью, из которой следовало, что, раз «звезда Барнарда»  движется без колебаний, значит, никакого «Юпитера» возле нее нет. И только в 2018 году ученые обнаружили рядом с этой звездой колоссальную суперпланету с массой, более чем в три раза превышающей массу Земли.

С тех пор астрономы и астрофизики начали соревноваться в обнаружении экзопланет, измеряя скорости ближайших к нашему Солнцу звезд с помощью высокоточных спектрометров. И в 1988 году канадские астрономы Бенжамин Кэмпбелл, Гарри Уолкер и Стивен Янгом нашли-таки экзопланету возле оранжевого субгиганта Гамма Цефея Альраи. Однако и им не верили вплоть до 2002 года  когда с помощью современной аппаратуры было подтверждено существование этой планеты. Но первые подтвержденные экзопланеты были обнаружены  в другом конце Космоса, у нейтронной звезды PSR 1257+12, их открыл астроном Александр Вольшчан. А в 1995 году канадские  астрономы Мишель Майор и Дидье Кело нашли планету у звезды 51 Пегаса. Увы, вряд ли люди когда-нибудь поселятся на этой планете, которую сразу отнесли к категории «горячих юпитеров». Не будет поселенцев и на планетах типа «горячий Нептун»: например, в системе звезды Жертвенника есть планета, на поверхности которой температура достигает + 627 градусов по Цельсию, а масса этого гиганта составляет 15 масс Земли. Так что, еще до того, как человек сгорит на такой планете, его расплющит в лепешку чудовищная гравитация…  


Космические аксакалы
Только 20 декабря 2011 года телескопом «Кеплер» у звезды Кеплер-20 были обнаружены первые экзопланеты, похожие на Землю, - Kepler-20е и Kepler-20f : они чуть меньше Земли, но масса их очень близка к земной. А за два года до этого астрофизикиГарвард-Смитсоновского центра открыли планету-океан GJ 1214 b, находящуюся на расстоянии 40 световых лет от Земли. Жить там тоже было бы не очень весело, - если, конечно, не научиться дышать водородно-гелиевой смесью и гулять при температуре в 240 градусов по Цельсию. Остается только надеяться, что семь планет, близких по размеру к Земле, и обнаруженных в феврале 2017 года американскими астрофизиками вокруг звезды TRAPPIST-1, окажутся более подходящими для жизни человека.
Сегодня экзопланеты отыскивают с помощью специальных телескопов, вроде «Kepler» и  COROT, «SuperWASP», высокоточного спектографа  HARPS, и прочих ультрасовременных устройств. Правда, открывший 132 экзопланеты «Kepler» приказал долго жить в мае 2013 года, но поиски продолжаются: например, в НАСА уверены, что с помощью таких телескопов и выведенных на орбиту космических обсерваторий типа
«Gaia» и TESS, можно открыть еще примерно 2740 экзопланет.
Интересна история присвоения названий экзопланетам. Первые найденные в Космосе объекты назвали прописными буквами PSR 1257+12 B и PSR 1257+12 C. Сейчас вновь открытым экзопланетам присваиваются названия, состоящие из названия звезды, около которой обращается планета, и дополнительной строчной буквы латинского алфавита, начиная с буквы «b» - например, 51 Пегаса b. Следующей планете присваивается буква «c», потом «d» и так далее по алфавиту. А вот буква «a» в названии не используется, так как такое название подразумевало бы собственно саму звезду. Названия экзопланетам присваиваются в порядке их открытия, то есть планета «с» может быть ближе к звезде, чем планета «b», просто открыта она была позднее. А если планеты в одной системе были открыты одновременно, название ей дают в порядке отдаления от звезды. Впрочем, есть у экзопланет и «клички». Скажем, планету 51 Пегаса b астрофизики между собой называют «Беллерофонт». В 2015 году Международный астрономический союз даже организовал всемирное голосование, и тогда астрономы дали имена 14 звездам и 31 экзопланете вокруг этих звезд.
Уже достоверно подтверждено существование 4335 экзопланет в 3202 планетарных  системах, из которых в 710 имеется более одной планеты. Однако после исследований в рамках проекта «Кеплер», на январь нынешнего года числилось ещё 2420 кандидатов в экзопланеты, а участники проекта «TESS» тогда же говорили еще о 1082 таких планетах, похожих на Землю. Некоторые из них сравнительно недалеко, - опять же, по космическим меркам. Среди экзопланет есть свои «аксакалы», - например, экзопланетам звезды HIP 11952, - HIP 11952 b и HIP 11952 c, стукнуло уже 12,8 миллиарда лет. На втором месте среди открытых планет-старушек - PSR B1620-26 b, ей уже 12,7 миллиарда лет. А замыкает тройку старейших планетная система звезды Каптейна, живущая 11,5 миллиардов лет.

Планета-алмаз и стеклянный дождь
Общее количество экзопланет только в нашей галактике Млечный Путь оценивается не менее чем в 100 миллиардов, и до 20 миллиардов этих планет могут оказаться «землеподобными». Конечно, не на всех из них возможна привычная нам земная жизнь, - если верить астрофизикам, большинство известных сегодня экзопланет действительно больше напоминают Юпитер и Марс, чем Землю. А если мы попадем на  экзопланету HD 189733b, нам придется спасаться там от дождей из стекла, раскаленного до полужидкого состояния.ю стекла. На планете CoRoT-7b придется спасаться от каменного «снега». Жутковато будет обитать на планетах HD 189733b и Tres-2b, где светит кроваво-красное Солнце;  еще страшнее - 5 Cancri е, где на сумеречной стороне всегда ночь, а на освещенной стороне почва больше напоминает жидкую лаву. А вот планета с многоговорящим названием «Полтергейст», астрономы знают ее как  PSR 1257 + 12 с, - эта сумеречная планета вращается вокруг потухшего солнца и вся ее поверхность радиоактивна, как чрево реактора чернобыльского типа. И уж точно, мы, люди, не смогли бы жить ни на «гелиевой» GD 66 b, ни на раскаленной планете Kepler-70b, - температура на ее поверхности превышает 6800 градусов по Цельсию. А Kepler-10 b — в полном смысле слова железная планета, ее плотность составляет 8,8 г/см³.
Есть, конечно, и куда более приятные эксзопланеты: например, на планете Ипсилон Андромеды d  и на 55 Рака e есть и жидкая, и газообразная вода. Кстати, и луна у Ипсилон Андромеды – это спутник-океан. А «углеродная» планета PSR J1719-1438 b, - просто сплошной алмаз, летящий в Космосе...
Как бы то ни было, но на сегодняшний день вне Солнечной системы существуют 216 планет, которые точно можно считать «двойниками» нашей Земли, - с воздухом, которым можно дышать без скафандра, с солеными океанами и пресными реками. Правда, сила тяжести там может быть совсем не земная: где-то будущие поселенцы будут порхать по воздуху из-за малой силы гравитации, и в третьем поколении люди будут уже меньше ростом и значительно легче; а где-то, на планетах-гигантах, придется обзаводиться кибермускулами, и жить на таких планетах смогут только настоящие богатыри.
Пока самой похожей на Землю считается Глизе 581 c. Теплой эту планету не назовешь – температура там колеблется о т 0 до 40 градусов мороза. Но жить можно, тем более что астрофизики говорят о наличии там больших запасов жидкой воды.
А не встретим ли на этих планетах разумную жизнь? Очень может быть. Ученые с вероятностью в 97 процентов предполагают существование до 40 тысяч потенциально обитаемых миров только в нашей галактике Млечный Путь. Но здесь речь идет вообще о жизни, а не только о цивилизациях: экзопланета может быть населена, например, красивыми гигантскими червями, но не факт, что это будут разумные черви.
Можно долго рассуждать о жизни на экзопланетах, близких по условиям к Земле, но одно ясно точно: рано или поздно, землянам придется распрощаться с третьей планетой от Солнца, и переселиться новые миры.  Остается надеяться, что хомо сапиенс и там не начнет уничтожать новый мир с энтузиазмом, с каким люди уничтожают сегодня свою Землю.
Оценить статью
(0)
Добавить комментарий
Получать ответы на почту
Получать ответы на почту