Во вторник, 6 октября, были объявлены лауреаты Нобелевской премии по физике. В 2020 году награду разделили между двумя группами ученых, занимающихся изучением черных дыр. Половину премии присудили английскому физику и математику Роджеру Пенроузу за теоретическое описание черных дыр, а вторую половину премии (по 25%) — астрофизикам Райнхарду Генцелю (Германия) и Андреа Гез (США), которые экспериментально подтвердили существование такого объекта в центре Млечного пути.
Существование какой сверхмассивной черной дыры подтвердили астрофизики?
С 1960-х годов физики подозревают, что внутри большинства крупных галактик, включая Млечный путь, находятся сверхмассивные черные дыры. К концу десятилетия стало известно, что центр нашей галактики, вокруг которого вращаются все ее звезды, занимает Стрелец А* (Sgr A*), мощный источник радиоволн.
Райнхард Генцель и Андреа Гез возглавляют отдельные исследовательские группы, которые с начала 1990-х годов занимаются изучением центра Млечного пути. Обе группы астрономов обнаружили, что невидимый и чрезвычайно тяжелый объект управляет орбитами звезд в центре галактики. Нобелевский комитет принял решение присудить им премию «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики».
На сайте Нобелевского комитета сообщается, что эта невидимая масса в центре нашей галактики эквивалентна примерно четырем миллионам солнечных масс, сжатых вместе в области, которая не превышает Солнечную систему. Согласно современной теории гравитации, единственный возможный объект, который заставляет с огромной скоростью вращаться звезды в центре Млечного пути, — это сверхмассивная черная дыра.
Как астрофизики подтвердили существование черной дыры в центре Млечного пути?
Так как черная дыра не выпускает из себя ни свет, ни материю, установить ее свойства можно только косвенно, зафиксировав гравитационное влияние на другие объекты. Астрофизики наблюдали за траекториями самых ярких звезд, которые находятся ближе всего к радиоисточнику в центре галактики. Это дало возможность показать, что орбиты этих звезд сформировались в результате гравитационного воздействия сверхмассивного объекта в центре Млечного пути.
Увидеть звезды в центре нашей галактики, которые при наблюдении с Земли скрывают огромные облака межзвездного газа и пыли, можно только через самые большие телескопы в мире. Рейнхард Генцель и его группа первоначально использовали новый технологический телескоп NTT, установленный на горе Ла-Силья в Чили. Затем они перенесли исследования в обсерваторию на горе Серро-Параналь в Чили и стали использовать очень большой телескоп VLT. Он имеет самые большие в мире монолитные зеркала, диаметр которых составляет более восьми метров.
Андреа Гез и ее исследовательская группа наблюдают за центром галактики через телескоп обсерватории Кека, расположенной на вулкане Мауна-Кеа на Гавайях. Зеркала этого телескопа имеют диаметр почти 10 метров. Каждое из них состоит из 36 шестиугольных сегментов, похожих на соты. Ими можно управлять по отдельности, чтобы лучше фокусировать звездный свет.
Как поясняет научно-популярный портал N+1, ученые измеряли очень короткие сигналы от звезд длительностью менее одной секунды. Сложность заключалась в том, чтобы выделить нужный сигнал среди посторонних источников шума: атмосферы Земли, межзвездной пыли и пр. Измерения проводили в ближнем инфракрасном диапазоне с длиной волны около 2,2 мкм и с выдержкой около 0,1 секунды.
Группы Генцеля и Гез смогли измерить параметры нескольких звезд, которые вращаются вокруг радиоисточника Sgr A*, и нанести их эллиптические орбиты на карты. Результаты обеих групп, полученные независимо друг от друга на двух различных телескопах, достаточно сильно совпали. В частности, стало известно, что звезда S2 совершает оборот вокруг центра галактики менее чем за 16 лет. Это очень короткое время, поэтому астрономы и смогли составить карту всей орбиты небесного тела. Для сравнения: Солнцу требуется более 200 миллионов лет, чтобы сделать оборот вокруг центра Млечного пути.