Так за открытие чего премию дали Пенроузу?

Формулировка Нобелевского комитета напоминает какой-то птичий язык: жюри присудило живому классику общей теории относительности Роджеру Пенроузу половину от десяти миллионов крон за «открытие того, что образование черных дыр является строгим следствием общей теории относительности».

Что это значит? Пенроуз открыл черные дыры? И если нет, то кто вообще это сделал? Ответ на этот вопрос содержит больше интриги, чем многие детективы. Строго говоря, черные дыры никто не открыл (все еще), но вот само предположение, что они возможны, сформулировано около века назад.

Часто говорят, что на теоретическую возможность существования черных дыр в 1915—1916 годах указала теория Эйнштейна, а также решение уравнения этой теории немецким физиком Карлом Шварцшильдом. Почти сразу после того, как он нашел свое решение, ученый умер от болезни, которую подхватил, воюя на Восточном фронте (свое открытие он сделал несмотря на участие в боевых действиях).

Однако на деле ни Эйнштейн, ни Шварцшильд не являются первооткрывателями черных дыр. Когда Нобелевский комитет говорит, что «образование черных дыр является строгим следствием общей теории относительности», он несколько упрощает, и, по правде сказать, довольно сильно.

На практике существование объектов, гравитация которых настолько сильна, что свет не может вырваться из ее гравиполя, вытекало еще из ньютоновской теории гравитации. Обнаружил это физик Джон Мичелл в 1784 году, то есть столетия назад. По его расчетам, для тела в 500 раз больше Солнца и с плотностью Солнца вторая космическая скорость — нужная, чтобы преодолеть тяготение небесного тела, — будет равна световой, из-за чего тело совершенно перестанет излучать само, а любой свет, что достигнет его, будет полностью поглощен без малейшего отражения. Ученый предположил, что в космосе таких тел должно быть довольно много, но изучить их в телескопы не получится — опять же потому, что они совсем не излучают свет. Мичелл назвал описанный им объект «черной звездой», а название «черная дыра» стало модным только в 1960-е.

Теория Эйнштейна на время сделала ситуацию более запутанной: в ней рассчитывать возникновение таких объектов надо было по‑новому, на более сложном уровне, чем у Мичелла. Кроме того, в общей теории относительности (ОТО) получалось, что такая дыра должна сильно искажать пространство и время близ себя. Например, падающий в нее объект с точки зрения внешнего наблюдателя — удаленного от дыры — должен был падать туда бесконечно долго. В то же время с точки зрения самого падающего весь процесс происходил бы мгновенно. Экзотические предположения, вытекавшие из расчетов в рамках ОТО, вызывали инстинктивное недоверие, и ученым потребовалось немало времени, чтобы разобраться в том, нет ли здесь какой-то ошибки — либо в теоретической части, либо в вычислениях.

Тем не менее к середине XX века устоялось общее понимание: черные дыры возможны не только в ньютоновской гравитации, но и в эйнштейновской. Поверхность, за которую ничто из пределов черной дыры не может вырваться наружу, назвали горизонтом событий.

Черные дыры и аккреционные диски — одни из важнейших объектов нашей Вселенной NASA
Черные дыры и аккреционные диски — одни из важнейших объектов нашей Вселенной

Естественно, всех немедленно заинтересовало, что же там внутри. Никаких способов исследовать этот вопрос нет: если бы ученые и могли туда отправиться, то только в один конец. Чтобы прояснить вопрос, молодой в те годы британский физик Роджер Пенроуз попробовал выяснить это на основании одних только уравнений теории относительности: у западных физиков такой подход часто называют «Заткнись и вычисляй!». Обычно так говорят про ситуации, которые только вычислениями и можно как-то прояснить.

Вычисления Пенроуза позволили ему сформулировать теорему о том, что при любом гравитационном коллапсе массивной звезды в черную дыру «внутренности» этой дыры должны сжиматься под действием гравитации до «сингулярности» — точки с нулевыми размерами. Получалось, что черная дыра — это фактически «полое» небесное тело, границей которого служит горизонт, а где-то в середине этого тела находится такая точка (сингулярность). У невращающейся черной дыры эта точка всегда в центре, а у вращающейся — слегка «летает» в плоскости вращения всей ЧД, но тоже остается нулевого размера. При этом, по уравнениям, вне этой точки никакой массы в черной дыре нет. Выходит, внутри горизонта событий пусто, а в центре лежит точка с бесконечной плотностью. Точнее, даже не совсем бесконечной — в числителе у этой сингулярности масса ЧД, а в знаменателе ноль. Так что при желании сингулярность можно назвать как бесконечно плотной, так и точкой, к которой бессмысленно применять понятие «плотность».

Решение Пенроуза не очень разделяется многими учеными. У науки на сегодня нет никаких уравнений, которые бы позволяли понять, какие процессы идут в сингулярности. Таким образом, если теорема Пенроуза о сингулярности в черных дырах верна, то дальнейшее научное изучение вопроса на этом закрывается.

Неудивительно, что награждение его половиной Нобелевской премии вызвало недоумение у некоторых исследователей. Академик Валерий Рубаков сказал прямо: «Решение дать премию Пенроузу мне кажется странноватым, потому что сингулярность никто не видел, и никто ее не увидит. Поэтому прав он или нет — это неизвестно, экспериментально это не доказано, и не будет доказано. А обычно премию давали за нечто, что доказано в эксперименте».

Здесь Рубаков затрагивает очень чувствительную тему. Дело в том, что до 2020 года Нобелевку по физике никогда не давали за чисто теоретические работы без экспериментального или наблюдательного подтверждения. Шведские эксперты именно этим объясняли тот факт, что ее не дали Хокингу — несмотря на то, что как физик-теоретик он явно не уступал Пенроузу. Теперь же выходит, что подтверждения не надо, достаточно теоретического вклада. Выходит, про Хокинга в свое время просто забыли?

Подытожим: Нобелевку-2020 не дали «за черные дыры». Ее дали за теоретическое предсказание некоей точки с нулевыми размерами и огромной массой. Причем, как показал сам Пенроуз в своем принципе космической цензуры, если сингулярность и может существовать на практике, то только в местах, где ее в принципе никогда не сможет увидеть ни один живой наблюдатель — например, за горизонтом событий черной дыры.

Но мы бы не стали слишком жестко критиковать Нобелевский комитет. В конце концов, физики-теоретики тоже люди, и не вполне правильно, что за чисто теоретические работы, не получившие подтверждения наблюдениями или экспериментом, никогда ранее не награждали.

Сверхмассивное открытие или награждение непричастных?

Вторую половину премии поделили между собой астрофизики Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) и Андреа Гез (Andrea Ghez) — «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре Галактики». Кстати, тут есть некая связь с Пенроузом — в своих теоретических работах 1960-х он отмечал, что в центрах галактик могут находиться крупные черные дыры, образовавшиеся при слиянии черных дыр, оставшихся после слияний обычных звезд.

Астрофизики Генцель и Гез в 2002—2008 годах наблюдали за центром нашей Галактики, пытаясь разглядеть сверхмассивную черную дыру в ее центре. Тогда уже было понятно — из наблюдений других галактик, — что в галактических центрах находятся очень массивные черные дыры.

Но в далеких галактиках черные дыры крайне активны, пожирают массу материи, а перед этим раскаляют ее в аккреционных дисках — огромных «лентах», вращающихся вокруг черных дыр, откуда вещество и падает в нее. А вот в Млечном Пути, где живем мы, ситуация совсем иная. Последние пару миллионов лет наша сверхмассивная черная дыра почти не поглощает материю. Вдобавок в центре Галактики очень много звезд, и понять, от кого идет излучение — от окрестностей черной дыры или разогретого газа, планеты или звезды, — часто сложно. Дистанция до этого места от Земли — 26 тысяч световых лет, поэтому в таких наблюдениях нет ничего легкого.

С большим трудом удалось выявить, что орбита звезды S2, вращающейся близко к центру Млечного Пути, искажена так, как должна быть искажена близ массивной черной дыры. К 2008 году группы Генцеля и Гез выяснили, что речь об объекте в миллионы раз массивнее Солнца. Сегодня известна и точная цифра — сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути, носящая имя Стрелец А*, имеет массу в 4,3 миллиона раз больше Солнца. Тогда же Генцель заявил, что это открытие — одно из лучших подтверждений существования черных дыр. Мол, никакой другой объект не имел бы такой массы при такой компактности, чтобы изменить траекторию движения звезды S2 таким же образом, что наблюдали астрономы.

Сверхмассивная черная дыра Стрелец А* в центре нашей Галактики NASA
Сверхмассивная черная дыра Стрелец А* в центре нашей Галактики

Однако с этим очень сложно согласиться. Без сверхмассивных черных дыр точно так же нельзя объяснить ярко светящиеся центральные области далеких галактик, которые мы с Земли видим как квазары. Квазар — это ядро далекой галактики, где сверхмассивная черная дыра так активно пожирает материю, что нагревает ее до огромных температур — и та начинает ярко излучать свет. Квазары наблюдают более полувека, за десятки лет до открытия групп Генцеля и Гез. Выходит, что и окрестности сверхмассивных черных дыр наблюдают все это время. Получается, ничего уж совсем принципиально нового два сополучателя Нобелевки по физике не открыли.

Дорога Нобелевка к обеду

В каком-то смысле ситуация грустная. Ясно, что Нобелевский комитет хотел кого-то наградить за открытие черных дыр. Но получилось классическое «награждение непричастных» — теоретики открыли черные дыры еще в XVIII веке, а посмертно Нобелевки не дают. Астрономы-наблюдатели открыли квазары очень давно, но долго не знали, что это именно черные дыры — им это объяснили теоретики, но те, что уже давно умерли, отчего их, опять же, не наградить.

Нобелевский комитет пал жертвой своей же нерасторопности. Награждать за черные дыры надо было во времена Эйнштейна, Керра, Шварцшильда — тех ученых, которые показали их возможность в рамках общей теории относительности. Тогда же жили и те, кто связал черные дыры с квазарами. Но в ту пору в Стокгольме черные дыры рассматривали как некую экзотику, простое частное следствие теории относительности.

Тогда никто и понятия не имел о том, что известно науке сегодня: черных дыр во Вселенной не просто много, а невероятно много, причем как внутри галактик, так и за их пределами. И ряд ученых даже предполагает, что именно такие внегалактические скопления черных дыр средних масс и отвечают за пресловутую темную материю.

Сегодня ученым известно и другое: сверхмассивные черные дыры в центре каждой галактики в каком-то смысле были ядром — их тяготение удерживало в галактических центрах много газа и позволило образоваться галактикам как таковым. А без галактик было бы немыслимо образование и звезд, и планет вокруг них, и, чего уж греха таить, — нас, людей.

Черные дыры стали одним из главных открытий последних ста лет — но с премией за них Нобелевский комитет сильно запоздал NASA
Черные дыры стали одним из главных открытий последних ста лет — но с премией за них Нобелевский комитет сильно запоздал

Все это поместило черные дыры в центр современной космологической и астрофизической картины мира. Разумеется, теперь Нобелевский комитет вынужден искать ученых, которых можно было бы наградить «за черные дыры». Иначе получится, что главная научная премия просто опоздала наградить тех, кто открыл эту столь важную часть окружающего нас мира.