Все новости
Нобелевская премия - 2019

Понятные миры в непонятной Вселенной. За что дали Нобелевскую премию по физике в 2019 году

© Claudio Bresciani/TT News Agency/via REUTERS
Нобелевский комитет в этом году дал премию, в которой предельно понятное каждому человеку астрономическое открытие сочетается с теоретическими работами по космологии, показывающими, что во Вселенной — плоской и когда-то "взорвавшейся" — велика доля (и роль) непонятных материй

Швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Кело открыли в 1995 году первую в истории экзопланету (планету за пределами Солнечной системы) на орбите "звезды солнечного типа" — в этот момент нам всем стало ясно, что вокруг звезд, подобных Солнцу, раскаленных газовых гигантов, вращаются тела, подобные планетам Солнечной системы. Вторую половину Нобелевской премии отдали космологу Джиму Пиблсу — за теоретические работы, которые лежат в основании современной космологии. То есть за понимание того, что Вселенная, в которой есть так много других звезд и, соответственно, так много других планет, — крайне удивительная вещь. Она плоская, она лишь на 5% заполнена видимым нам веществом, она однажды возникла при Большом взрыве, она продолжает расширяться, все быстрее и быстрее. Что именно в этом виновато, мы до сих пор не знаем. Но это точно происходит, и происходит именно так, как это описывают космологи. Так, как это описывает Джим Пиблс.

Другие миры

О существовании других планет человечество знает очень-очень давно. О том, что эти планеты — тела, подобные тому миру, в котором живем мы с вами, мы тоже поняли несколько веков назад. Еще в XVIII веке Кант допускал, что другие планеты населены иными разумами. И эта мысль, в общем-то, встречала понимание у современников.

К 1995 году человек уже ступил на Луну, "Вояджеры" летели к границам Солнечной системы, другие космические аппараты побывали на Марсе и Венере. Мы знали, что это такие же тела, что и Земля, — шарообразные, находящиеся на орбите Солнца, имеющие спутники. С ними все было понятно. 

Знали мы и то, что далекие звезды — это тела, в общем-то, похожие на наше Солнце. Шарообразные газовые гиганты, в недрах которых идет термоядерный синтез. Но вот есть ли у них свои планеты? Или в этом отношении наша система совершенно уникальна — и именно поэтому мы до сих пор ни повстречались с "зелеными человечками", ни приняли какого-то сигнала из другой галактики?

И вот, в 95 году это изменилось. Мишель Майор и Дидье Кело совершили крайне понятное каждому человеку на этой планете открытие. Они нашли планету на орбите звезды. Звезда — 51 Пегаса — была, в общем-то, похожа на наше Солнце. Планета — 51 Пегаса b — оказалась похожа на наш Юпитер. Мир в тот день изменился очень понятным образом: оказалось, что Солнечная система не уникальна в том смысле, что вокруг других звезд тоже вращаются планеты. И следовательно, есть основания ожидать, что некоторые из них будут похожи на Землю и на каких-то из них могла (или может) зародиться жизнь.

На самом деле первые экзопланеты открыли в 1992 году. Но не их первооткрыватели получили Нобелевскую премию.

В том, что именно Майору и Кело должна достаться премия, если ее вообще когда-либо дадут за открытие экзопланет, однако, сомнений не было никаких, подтвердил в разговоре с ТАСС астрофизик Сергей Попов из Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ. Их же в качестве возможных лауреатов несколько лет назад называли и специалисты Clarivate Analytics (компания занимается наукометрией и публикует за несколько недель до вручения Нобелевских премий шорт-лист "самых влиятельных" ученых на планете).

"Откуда [в формулировке Нобелевского комитета] взялись слова про звезду солнечного типа? — говорит астрофизик Сергей Попов. — Они взялись, чтобы убрать других претендентов. В 1992 году были открыты три экзопланеты у нейтронных звезд. Звезда солнечного типа тут не означает, что это звезда, похожая на Солнце. Это значит, что это нормальная звезда, а не нейтронная".

Нейтронные звезды — это звезды, совсем не похожие на Солнце. Они очень-чень маленькие (диаметром всего несколько десятков километров), но при этом очень и очень плотные и массивные (масса сопоставима с массой Солнца). На Полтергейст, открытый в начале 90-х, постоянно падает мощнейший поток ионов от пульсара PSR 1257+12 — это смертельные для человека условия. Сравнивать эту систему с Солнечной невозможно: слишком другая звезда и слишком другая планета. Как отмечает сам Нобелевский комитет, сейчас мы знаем, что планеты возникают у таких звезд крайне редко и лишь у немногих из известных пульсаров планеты вообще есть.

Сегодня экзопланеты открывают, без особенного преувеличения, десятками в месяц. Число открытых миров исчисляется тысячами, и темпы открытий недавно выросли, после того как в космос вывели телескоп TESS, который летит вслед за Землей и делает панорамные снимки неба. Открыть экзопланету может даже любитель, достаточно просто начать просматривать данные астрономических наблюдений, которые NASA выкладывает в открытый доступ.

Теперь экзопланеты открывают обыкновенно транзитным методом: по тому, что яркость звезды на серии снимков падает, когда между наблюдателем (телескопом) и самой звездой проходит планета, которая вращается вокруг нее. Не надо быть астрономом с глубокой технической подготовкой, чтобы заметить "яму" на графике данных светимости.

Однако Майор и Кело сделали свое открытие до того, как подобные телескопы появились. Более того, говорит Попов, то, что транзитный метод работает, проверяли на планетах, которые к тому моменту открыли методом допплеровской спектроскопии, то есть метода Майора и Кело.

Их открытие было сделано при помощи спектрографа. Ученые обнаружили, что спектрограмма одной из наблюдавшихся ими звезд, 51 Пегаса, колеблется с периодом около четырех дней. Это значило, что она становится то чуть ближе, то чуть дальше по отношению к Земле. Чем можно было объяснить подобное? Тем, что она вращается вокруг общего центра масс с каким-то достаточно массивным объектом — подобно тому, как, например, вращаются вокруг одной точки Плутон и его спутник Харон. Планета "раскачивает" свою звезду, вызывая таким образом регулярные колебания спектра звезды: она "краснеет", удаляясь, и "синеет", приближаясь.

Как мы знаем теперь, Майор и Кело открыли планету прежде неизвестного, но крайне распространенного типа — так называемый горячий юпитер: массивный газовый гигант, орбита которого находится очень близко от звезды, как если бы наш Юпитер оказался еще ближе к Солнцу, чем Меркурий. Температура на поверхности этой планеты — около 1300 градусов Кельвина, это в 10 раз жарче, чем на Юпитере.

Через год после того, как Майор и Кело опубликовали свою статью, были открыты и другие экзопланеты: горячие юпитеры у 70 Девы и 47 Большой Медведицы. К 2000 году известных планет за пределами Солнечной системы стало уже 34. Сейчас это число перевалило за 4 тыс. Новости об их открытии уже перестали быть чем-либо удивительным. Настолько, что журналисты их даже не всегда освещают.

За непонятную Вселенную

Вторая половина Нобелевской премии была присуждена Джиму Пиблсу с формулировкой "за теоретические открытия в физической космологии". И открытия, которые можно приписать Пиблсу, в некотором смысле находятся на другом конце спектра, чем столь понятные и даже немного привычные нам экзопланеты.

В майском номере журнала The Astrophysical Journal Letters 1965 года радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон отчитались о том, что it starts with a bang — им удалось услышать эхо Большого взрыва.

Примечательно, что Пензиас и Вильсон не ставили перед собой столь грандиозной задачи. Вообще-то они собрались заниматься наблюдениями межгалактического пространства, получив в свое распоряжение ставшую ненужной Лабораториям Белла (крупнейшей телекоммуникационной компании того времени, ныне принадлежащей Nokia) радиоантенну — прежде та использовалась для связи со спутником "Эхо", которому на смену запустили другой.

Ученые "проапгрейдили" установку и попытались произвести, собственно, наблюдение. Но их измерениям постоянно мешал микроволновой шум, источник которого они не могли определить. Гипотез у астрономов было несколько: сначала они думали, что это "засоряет эфир" Нью-Йорк, затем — что где-то неподалеку проходит какой-то военный эксперимент. Потом и вовсе обнаружили, что антенна загажена голубями, и предположили, что дело в этом.

Антенну помыли, голубей перестреляли. Не помогло.

Помогли, однако, коллеги-астрофизики — группа Роберта Дикке, которая искала экспериментальное подтверждение теории Большого взрыва. Взглянув на данные Пензиаса и Вильсона, Дикке с коллегами понял, что их охота за реликтовым излучением окончена, не начавшись: вот оно, мешает ничего не подозревающим радиоастрономам разглядеть далекую звезду.

Статья группы Дикке, дающая космологическое объяснение данным Вильсона и Пензиаса, вышла в том же самом номере "Астрофизического журнала". Более того, утверждение того, что в данных радиоастрономов из "Белла" видно именно реликтовое излучение — давно искомое "эхо" Большого взрыва, — сделали как раз теоретики, в статье Пензиаса и Вильсона так и пишется: "Возможное объяснение наблюдаемому шуму в температурных данных дается в статье Дикке, Пиблса, Ролла и Вилькинсона".

В своей работе теоретики показывали, как данные радиоастрономов укладываются в космологическую модель "горячей Вселенной" Георгия Гамова. Гамов в 48-м году продемонстрировал, что для того, чтобы Вселенная со всеми теми элементами, которые в ней существуют, вообще могла появиться, ей необходимо было в самом начале своей истории быть разогретой до нескольких тысяч градусов Кельвина. И предсказывал, что "эхо" этого состояния должно быть наблюдаемо до сих пор: грубо говоря, у Вселенной — у любой точки Вселенной — должна быть ненулевая температура. Температура пустоты. Она, по оценкам Гамова, должна была быть лишь на 3 градуса Кельвина выше абсолютного нуля. Его-то и поймали Вильсон и Пензиас, а Дикке с Пиблсом определили.

Пиблс был вторым автором этой статьи, а в действительности — главным "паровозом" всей теоретической работы: свежеиспеченный нобелевский лауреат двигался в фарватере идеи своего научного руководителя. Экспериментаторы Вильсон с Пензиасом стали лауреатами Нобелевской премии в 1978 году (кстати, вторую половину премии того года дали Петру Капице за физику сверхнизких температур). Теоретики за реликтовое излучение премий не получали — до сегодняшнего дня.

В той же самой статье ученые оценили, какова должна быть доля привычной нам формы материи, барионной, во Вселенной — той самой, большую часть которой мы с вами наблюдаем. Хотелось бы сказать, что барионная материя — эта вся та, что не темная, но мы в этом не совсем уверены, и если барионы входят в состав темной материи, то мы обязательно их рано или поздно поймаем. В том же году Пиблс пишет статью, где уже говорит о том, что "критически важным фактором в формировании галактик может быть наличие излучения черного тела во Вселенной (black body-radiation content in the universe)". Вы слышали когда-нибудь про темную материю и темную энергию? Да, Пиблс говорит тут как раз про них.

Современный стандарт представлений о Вселенной называется моделью ΛCDM (читается как "лямбда-сидиэм"). Работы теоретика Пиблса имеют самое прямое отношение к фундаменту этой модели. Он один из тех, кто доводил ее до современного состояния — и многие теоретические предсказания, которые астрофизика подтвердила в последние десятилетия, принадлежали именно его перу.

Мы знаем, что наблюдаемое нами вещество составляет около 5% от всего содержимого Вселенной. Вещественны звезды, туманности и все объекты меньшего масштаба, включая нас с вами.

А дальше, собственно, начинается вся эта "лямбда-сидиэм", т.е. все остальные 95%.

Помимо "обыкновенной" материи, Вселенная наполнена темной энергией (69%) и холодной темной материей (26%).

Когда-то Вселенная возникла, и это событие называется Большим взрывом. "Эхо" Большого взрыва — это реликтовое излучение, отличная от абсолютного нуля температура, размазанная по всему пространству расширяющейся Вселенной. "Взрывающаяся" Вселенная была горячей и расширялась неоднородно — собственно, поэтому где-то вещества в ней больше, а где-то нет. 

Вселенная расширяется, причем со все возрастающим ускорением — в этом виновата темная энергия, "лямбда". И это не просто константа: потому что, судя по всему, ускорение этого расширения неоднородно, т.е. отличается в разных точках Вселенной.

Холодная темная материя (cold dark matter, CDM) "темна" потому, что почти не взаимодействует с обычным веществом, и поэтому все никак не может быть зарегистрирована нашими приборами, а "холодна" оттого, что двигается со скоростью меньшей, чем скорость света. И именно потому, что она "холодна" и медленна, галактики увеличивались, набирая вещество и массу, а не представляют собой осколки огромного "нечто".

И последнее. Все быстрее расширяющаяся Вселенная, возникшая из Большого взрыва и состоящая из вещества, темной материи и темной энергии, — почти плоская. И потому будет расширяться все быстрее и быстрее, быстрее и быстрее — бесконечно.

В описании всей этой картины участвовало огромное число ученых-теоретиков, и среди них немало наших соотечественников. Помимо Пиблса в этом ряду такие фамилии, как Фридман, Гамов, Зельдович, Сюняев, Лифшиц. Пиблс сегодня, в некотором смысле, получил премию сразу за всех — просто потому, что активно работал практически надо всеми фундаментальными вопросами современной космологии и внес свой вклад в каждую из них. Но, конечно, мы не живем во Вселенной, которую "придумал" один только Джим Пиблс: он не только стоял "на плечах гигантов", он стоял в одной шеренге с другими. Но сделал что-то и там, и там, и там. Разговаривая этим утром по телефону с представителями Нобелевского комитета и журналистами, Пиблс сказал, что в конкретную заслугу ему поставить что-то одно сложно: "Это была работа длиною в жизнь".

Мы до сих пор мало что понимаем в том, как именно со Вселенной происходит то, что происходит. Ускорение ее расширения, согласно разным методам наблюдения, различается — в районе нашей галактики оно, кажется, быстрее, а в других медленнее. Так быть не должно, но таковы данные. Поймать частицу темной материи — и выяснить, что же она такое — нам до сих пор не удалось.

Но мы знаем, что она расширяется. Мы знаем, что что-то расталкивает галактики в разные стороны, причем сильнее и сильнее. Мы знаем, что что-то отличное от известной нам материи, существует. А еще лучше знаем как обстоят дела с доступными нашему наблюдению 5% материи. К ним, например, относятся планеты, что вращаются вокруг звезд. И эти планеты — не уникальное для Солнечной системы явление. Они такие же, как наши. И значит, возможно, не мы одни ломаем голову над устройством Вселенной.

Иван Шунин