Моя жизнь в астрономии

Как математик, Р. Пенроуз в начале 1960‑х годов заинтересовался общей теорией относительности и поставил перед собой задачу разобраться в глобальной структуре пространства-времени. Для достаточно большой массы вещества ОТО предсказывает гравитационный коллапс с образованием сингулярности в центре, где плотность материи формально бесконечно велика. Согласно ОТО, эта сингулярность окружена горизонтом событий, на котором, с точки зрения далекого наблюдателя, ход времени останавливается. Наличие сингулярности смущало многих физиков, в том числе самого Эйнштейна, создателя ОТО. Эйнштейн полагал, что появление сингулярности, главной особенности черной дыры, есть следствие идеальной сферической симметрии при коллапсе. Он считал, что в реальном мире неизбежные отклонения от сферической симметрии приведут к остановке гравитационного коллапса, например к быстрому вращению частиц материи в центре коллапсирующего тела. А астрофизик Артур Эддингтон, создатель основ теории внутреннего строения звезд, в 1930‑х годах утверждал: «Я думаю, что должен существовать закон Природы, который бы не допускал, чтобы эволюция звезды шла столь абсурдным способом» (с коллапсом в черную дыру). В 1965 году Р. Пенроуз доказал теорему о том, что сингулярность при гравитационном коллапсе неизбежно возникает при любых, необязательно сферически-симметричных начальных условиях. Тем самым была доказана теоретическая возможность существования черных дыр в Природе. Астрофизики А. Гез и Р. Генцель в 1992–1995 годах начали заниматься систематическими наблюдениями за движениями индивидуальных звезд вблизи сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики. Это очень трудная задача, поскольку центр Галактики испытывает громадное межзвездное поглощение газово-пылевой средой, расположенной в плоскости Галактики. Поэтому наблюдения должны вестись не в оптическом, а в инфракрасном диапазоне спектра, где влияние межзвездного поглощения значительно уменьшается. Кроме того, угловой размер ближайших окрестностей сверхмассивной черной дыры, где звезды от центрального скопления подвержены значительному влиянию центральной черной дыры, весьма мал, менее 1 секунды дуги (одна угловая секунда на расстоянии до центра Галактики 8 килопарсек соответствует 0,04 парсека, или примерно 8 тысяч астрономических единиц). Поэтому А. Гез и Р. Генцель использовали самые передовые технологии астрономических наблюдений на крупнейших наземных телескопах. Р. Генцель применял технику спекл-интерферометрии, а А. Гез – систему адаптивной оптики.

К 2020 году, то есть за четверть века наблюдений, авторы смогли построить орбиты ряда звезд вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Галактики и с помощью третьего закона Кеплера определили массу центральной черной дыры с точностью лучше 10%: М_ЧД = (4,31 ± 0,36) · 10⁶ М_☉. Это наиболее надежная оценка массы сверхмассивной черной дыры. Для одной из звезд скопления (звезда S2) авторам удалось отнаблюдать почти два орбитальных периода P_orb ≈ 15,6 года и по движению звезды S2 изучить релятивистские эффекты, которые полностью согласуются с ОТО.

Таким образом, центр нашей Галактики представляет собой уникальную естественную физическую лабораторию. Использование этой лаборатории позволит ученым получить новые результаты по проверке фундаментальных физических теорий.

Отметим, что в формулировке Нобелевского комитета отмечается, что премия дается за открытие компактного объекта в центре нашей Галактики. Подчеркнем, что за открытие не черной дыры, а компактного объекта. Есть две возможности для объяснения такой осторожной формулировки.

Во-первых, А. Гез и Р. Генцель дали наиболее точное и убедительное определение лишь массы сверхмассивного компактного объекта, но не его размеров, что необходимо, чтобы окончательно идентифицировать этот объект с черной дырой. Размеры этого объекта были оценены позднее с использованием комплекса из четырех 8,2‑метровых телескопов Европейской южной обсерватории, которые с помощью приемной системы GRAVITY связаны в единый интерферометр с базой около 130 метров и работают в инфракрасном диапазоне. В этих исследованиях с угловым разрешением 10^-3 секунды были обнаружены движения газа со скоростями ~ 100 000 км/с на расстоянии в несколько Шварцшильдовских радиусов от центральной сверхмассивной черной дыры.

Во-вторых, под «компактным объектом» можно понимать не только черную дыру, но и кротовую нору. Как уже отмечалось выше, поиск кротовых нор запланирован на будущем российском космическом интерферометре «Миллиметрон».