Нобелевскую премию 2020 года по физике решено было присудить трем исследователям черных дыр. Половина премии досталась знаменитому британскому математику Роджеру Пенроузу (Roger Penrose) «за открытие того, что формирование чёрных дыр является не допускающим возражений следствием из общей теории относительности». Другую половину разделили астрономы Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) из Германии и Андреа Гез (Andrea Ghez) из США «за открытие супермассивного компактного объекта в центре нашей Галактики». Премией отмечены работы Пенроуза, сделанные в середине 1960-х, и исследования Генцеля и Гез, выполненные в 1990-х годах.
Возможность существования столь массивного тела, что скорость, необходимая для преодоления его притяжения, будет превышать скорость света, поэтому такое тело будет невидимым, обсуждалась еще в XVIII веке английским физиком и геологом Джоном Митчеллом и французским математиком Пьером-Симоном Лапласом. Митчелл предполагал, что благодаря этому в космосе существует множество небесных тел, которые нельзя увидеть. Но фундаментальное обоснование такой возможности было получено лишь в начале XX века после появления общей теории относительности Эйнштейна. Немецкий астроном и физик Карл Шварцшильд, ознакомившись с этой теорией в ноябре 1915 года, уже в начале следующего года, находясь в военном госпитале на восточном фронте, написал статью, в которой привел первые точные решения полевых уравнений общей теории относительности (представляющих собой систему нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных) для невращающегося сферического тела. Предложенное им решение предсказывало существование черных дыр. 11 мая 1916 года Шварцшильд умер от тяжелой болезни в возрасте всего 42 лет. Но его работы получили продолжение у других авторов, которые предложили решения уравнений для вращающихся и имеющих электрический заряд черных дыр.
Из решений Шварцшильда и последующих ученых вытекали главные свойства черных дыр. В частности, наличие у них «горизонта событий» — пространственно-временной границы, за которой любой объект будет находиться только внутри черной дыры и не сможет выйти в окружающее пространство. Для сферической черной дыры, случай которой рассматривал Шварцшильд, горизонт событий называют часто «сферой Шварцшильда», а радиус такой сферы для физического тела данной массы — радиусом Шварцшильда или гравитационным радиусом. Например, для массы Солнца шварцшильдский радиус равен 2,95 километра, то есть если бы мы могли сжать Солнце до такого размера, оно стало бы черной дырой. Для Земли радиус Шварцшильда составляет 8,87 миллиметра. Другое понятие, появившееся благодаря решениям полевых уравнений общей теории относительности, — сингулярность, то есть состояние, когда кривизна пространства-времени обращается в бесконечность. Сила тяготения вблизи сингулярности стремится к бесконечности. У неподвижных сферических черных дыр область сингулярности представляет собой точку, у вращающихся — кольцо.
Первоначально и сам Эйнштейн, и другие физики считали черные дыры исключительно теоретическим объектом и не предполагали их существования в реальной Вселенной. Так продолжалось до 1960-х годов. Однако со временем появились предположения, что черные дыры могут возникнуть в результате гравитационного коллапса массивных звезд. Когда звезда исчерпает запас топлива для термоядерных реакций, сила давления перестает уравновешивать гравитацию и звезда начинает сжиматься. При этом звезды массой менее 1,4 масс Солнца (предел Чандрасекара) превращаются в белые карлики, звезды массой 2,01 до 2,16 масс (предел Оппенгеймера–Волкова) Солнца превращаются в нейтронные звезды, а более тяжелые объекты должны становиться черными дырами.
Именно на этом этапе развития теории черных дыр в нее внес существенный вклад Роджер Пенроуз, опубликовавший в январе 1965 года статью, где при помощи новаторских топологических методов продемонстрировал на основе общей теории относительности, как черные дыры будут возникать в ходе гравитационного коллапса звезд, и доказал неизбежность этого события. Для его работы и дальнейших работ по физике пространства-времени оказалось очень важным введенное Пенроузом понятие trapped surfaces (в русской литературе — «захватывающие (ловушечные, улавливающие) поверхности»), ставшее удачным математическим инструментом для описания черных дыр.
С 1960-х годов астрономы находили всё больше объектов, которые они были склонны признать черными дырами. Но, так как саму черную дыру наблюдать невозможно, их существование определялось по поведению окружающих объектов, так что при строгом подходе все эти объекты следовало бы назвать «возможными черными дырами».
Самая распространенная ситуация, позволяющая обнаружить присутствие кандидата в черные дыры, встречается в тесных двойных системах. Один из компонентов этой системы — черная дыра — поглощает вещество с другого компонента (звезды), при этом выпадающее на поверхность черной дыры вещество формирует аккреционный диск и разогревается до высоких температур. При этом выделяется огромное количество энергии. Источник этой энергии астрономы могут наблюдать и по его характеристикам судить о параметрах объекта, вызвавшего аккрецию (это может быть не только черная дыра, но и нейтронная звезда). Такие двойные системы с черными дырами представляют собой яркие источники излучения преимущественно в рентгеновском диапазоне. Массы черных дыр в двойных системах, по данным наблюдений, составляют обычно от пяти до десяти масс Солнца. Модель дисковой аккреции была разработана в начале 1970-х годов, среди ее авторов такие физики, как Рашид Сюняев, Николай Шакура, Игорь Новиков и Кип Торн. Совсем недавно ученым стал доступен новый способ обнаружения черных дыр — детекция гравитационных волн, образующихся при их слиянии. Впервые это удалось сделать в сентябре 2015 года.
В 1960-е и 1970-е годы астрофизики значительно продвинулись в теории черных дыр, но данные наблюдений поставляли им всё новые и новые загадки. В конце 1950-х годов были впервые замечены объекты, которые потом получили название «квазары» («квазизвездные радиоисточники»). Они отличались сильным излучением в радиодиапазоне и очень малыми угловыми размерами, так что их сперва сочли аналогом звезд. В оптическом диапазоне квазары были видны слабо или вовсе не обнаруживались. Однако спектры квазаров выглядели очень странно, в них не удавалось определить спектральные линии химических элементов. Загадку квазаров решил в 1963 году астроном Мартин Шмидт из Нидерландов, который определил, что в спектрах квазаров присутствует настолько сильное красное смещение, что расстояние, отделяющие их от наблюдателя, огромно. Квазары — не звезды нашей галактики, а объекты, находящиеся далеко за ее пределами, но тем не менее способные служить сильным источником излучения. Сейчас известно, что расстояние до квазаров может достигать миллиардов световых лет.
В том же году Александру Шарову и Юрию Ефремову впервые удалось обнаружить переменность блеска квазаров. По характеру переменности ученые сделали вывод, что квазары — сравнительно небольшие объекты, размером примерно с Солнечную систему. Что же дает им энергию для излучения, сравнимого с излучением целых галактик? Объяснить это смогли Яков Зельдович и Эдвин Солпитер, которые предположили, что квазары представляют собой черные дыры, только не звездной массы, а существенно бóльшие. Непосредственн источником их излучения служит, как и у черных дыр в двойных системах, аккреция падающего на черную дыру вещества. Размер черной дыры массой в 50 миллионов масс Солнца будет равен примерно одной астрономической единице (расстоянию от Земли до Луны), что вполне годится для масштабов квазаров. Поэтому, согласно современному определению, квазары — это активные ядра галактик, где сверхмассивная черная дыра окружена аккреционным диском из поглощаемого ею вещества.
Следить за сверхмассивными черными дырами можно, наблюдая за поведением объектов (звезд, облаков газа) в их окрестностях. Такие наблюдения позволяют с довольно высокой точностью определить массу черной дыры. Астрономам известны сверхмассивные черные дыры с массами от нескольких тысяч до нескольких миллиардов масс Солнца. Рекорд на данный момент принадлежит сверхмассивной черной дыре в галактике NGC 4889 — 27 миллиардов солнечных масс.
В апреле 2019 года удалось получить первое прямое изображение черной дыры — это была как раз сверхмассивная черная дыра, находящаяся в центре галактики M87. Ее масса — около 6,5 миллиардов масс Солнца. Диск из ионизированного газа вокруг этой черной дыры вращается со скоростью около 1000 километров в секунду, а его диаметр равен примерно 0,39 световых лет.
Сейчас ученые предполагают, что сверхмассивная черная дыра имеется в центре любой галактики с достаточно крупным балджем — центральным округлым утолщением. Не стала исключением и наша галактика — Млечный путь. Тут мы, наконец, подошли к исследованиям, которыми занимались двое оставшихся лауреатов премии: Райнхард Генцель и Андреа Гез. Они возглавляют две исследовательские группы, изучающие центр нашей галактики. Интерес к нему подогревал тот факт, что еще в 1960-е астрономы выяснили, что в центре Млечного пути находится мощный радиоисточник. Он получил название Стрелец А* (Sagittarius A*, Sgr A*). Наблюдать его в оптическом диапазоне, к сожалению, невозможно, так как центральную часть нашей галактики закрывают облака межзвездного газа и пыли. Но телескопы, работающие в инфракрасном и радиодиапазоне, позволяют увидеть звезды, близкие к центру.
Положение объекта Sagittarius A* и Солнца в Млечном пути
Андреа Гез из Калифорнийского университета руководила наблюдениями в Обсерватории Кека на горе Мауна-Кеа (Гавайи). Райнхард Генцель из Института внеземной физики Общества Макса Планка работал с телескопами, входящими в состав Европейской Южной обсерватории в Чили. В 1992 году он использовал инструмент SHARP на телескопе NTT (New Technology Telescope) в Ла-Силья, затем — Очень Большой Телескоп и интерферометр в Паранальской обсерватории.
Райнхард Генцель в Паранальской обсерватории. ESO
Исследователи отслеживали орбиты примерно тридцати звезд в центре галактики. Одна звезда совершает оборот вокруг центра галактики меньше чем за 16 лет, поэтому астрономы смогли нанести на карту всю ее орбиту (для сравнения, Солнцу требуется для этого более 200 миллионов лет).
К 2008 году длительные наблюдения за орбитами звезд дали ученым доказательства, что там находится сверхмассивная черная дыра. Расстояние от этой черной дыры до Солнечной системы составляет 26 тысяч световых лет. Масса Sgr A* равна 4,31 миллиона солнечных, радиус ее составляет не более 45 астрономических единиц. Окружает черную дыру газовое облако размером 1,8 парсека.
Орбиты звезд вблизи центра Млечного пути. ESO/L. Calçada/spaceengine.org
Звезда S2 стала особенно интересным объектом для изучения. Она дважды давала ученым возможность подтвердить положения общей теории относительности. В 2018 году большая группа исследователей во главе с Райнхардом Генцелем обнаружила в излучении этой звезды эффект гравитационного красного смещения. Очень сильная гравитация черной дыры растягивает световые волны, испускаемые звездой. Изменение длины волны света, приходящего от S2, в точности согласуется с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна.
Прохождение звезды S2 вблизи сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути в представлении художника. Когда звезда приближается к черной дыре, очень сильное гравитационное поле заставляет излучение звезды немного покраснеть. ESO/M. Kornmesser
«Розетка». Прецессия орбиты S2. ESO/L. Calçada
В 2020 году ученые сообщили, что и орбита этой звезды полностью соответствует предсказаниям общей теории относительности. В ближайшей точке своей орбиты она подходит к сверхмассивной черной дыре на расстояние менее 20 миллиардов километров (что в сто двадцать раз больше расстояния между Солнцем и Землей) и достигает огромной скорости свыше 25 миллионов километров в час, что составляет почти три процента скорости света. Из-за влияния сильнейшей гравитации черной дыры орбита S2 подвержена прецессии Шварцшильда, то есть положение точки ее наименьшего удаления от сверхмассивной черной дыры с каждым оборотом меняется. Каждый следующий виток орбиты поворачивается по отношению к предыдущему на определенный угол, и ее многолетний путь образует своеобразную «розетку». Общая теория относительности точно предсказывает, насколько сдвигается орбита, и последние измерения, выполненные учеными, в точности совпали с теоретическими данными.
