Нобелевская премия по физике 2020 года

6 октября 2020 года присуждена Нобелевская премия по физике – Роджеру Пенроузу (половина премии) за «открытие того, что образование чёрных дыр является надёжным предсказанием общей теории относительности», и Райнхарду Генцелю и Андреа Гез (по четверти премии каждому) за «открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики».

89-летний английский математик и физик-теоретик Р. Пенроуз, профессор Оксфордовского университета (Великобритания), в 1965 году впервые доказал, что образование чёрных дыр и наличие пространственно-временной особенности в них является довольно общим следствием уравнений гравитации в рамках теории относительности Эйнштейна-Гильберта (1915) в предположении о положительной плотности энергии. Развитые им универсальный топологический подход к указанной проблеме, метод конформных преобразований (диаграммы Пенроуза) и оригинальная математическая техника замкнутых захваченных поверхностей широко используются для качественного описания решений этих уравнений в условиях возникновения и эволюции сингулярностей пространственно-временной метрики.

Благодаря отмеченной нобелевским комитетом и последующим работам Р. Пенроуза удалось выяснить многие характерные свойства подобных решений в отсутствие какой-либо специальной симметрии распределения материальных тел и согласованных с ними гравитационных полей. В результате представление о возможности существования реальных чёрных дыр стало общепризнанным, преодолев претензии к ограниченным частным симметричным решениям типа стационарной шварцшильдовской (1916) и вращающейся керровской (1963) метрик.

В свою очередь, астрономы-наблюдатели 68-летний немец Р. Генцель, директор Института внеземной физики Макса Планка в Гаршинге (Германия) и профессор Калифорнийского университета в Беркли (США), и 55-летняя американка А. Гез, профессор Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе (США), на основе своих многолетних (с начала 90-х годов) наблюдений движения десятков наиболее ярких звёзд в самом центре Млечного Пути впервые предоставили веские свидетельства в пользу существования там сверхмассивной чёрной дыры. Её масса оценивается в четыре миллиона масс Солнца, а гравитационный радиус Шварцшильда немного больше 10 миллионов километров, т.е. на порядок меньше радиуса орбиты движения Земли вокруг Солнца. Полученные результаты наблюдений дают одно из наиболее сильных подтверждений ставшей общепринятой полвека тому назад (после открытия квазаров, Шмидт (1963)) гипотезы о наличии сверхмассивных чёрных дыр в центре многих, если не большинства, крупных галактик (Салпитер (1964), Зельдович и Новиков (1965), Линден-Белл (1969)). По косвенным оценкам, для различных галактик массы таких чёрных дыр могут составлять от миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца.

Группа Р. Генцеля работала на расположенных в Европейской южной обсерватории в Чили телескопах, сначала NTT, а потом VLT, имеющем четыре самых больших в мире монолитных 8-метровых зеркала. Группа А. Гез использовала 10-метровые зеркала расположенной на Гавайях крупнейшей обсерватории Keck, каждое из которых состоит из 36 гексагональных элементов. Применяя адаптивную оптику, обе группы разработали оригинальные методики и аппаратуру наблюдений в ближнем ИК-диапазоне (на длине волны около 2,2 мкм), позволившие им за четверть века повысить точность определения координат звёзд в тысячи раз (вплоть до стотысячных долей угловой секунды) и преодолеть негативное влияние турбулентного воздуха в земной атмосфере и поглощающих свет пыли и газа в центре Галактики. В итоге были найдены траектории движения нескольких десятков звёзд, периоды обращения которых составляют около 10–100 лет и которые подходят к обнаруженному компактному объекту на расстояния вплоть до миллиарда километров, т.е. всего в несколько раз превышающие радиус земной орбиты. На основе законов Кеплера это дало возможность оценить указанную массу, размеры и плотность центрального объекта (Стрелец А*), который оказался во многие миллиарды раз плотнее известных звёздных скоплений и по современным представлениям не может быть ничем иным, кроме сверхмассивной чёрной дыры.

Вл. В. Кочаровский