Общий вид на Вселенную: за что дали Нобелевскую премию по физике

Фото Getty Images
Нобелевская премия по физике 2019 года была присуждена ученым, расширившим наше понимание структуры Вселенной и того места, которое мы в ней занимаем

Премия по физике была в этом году разделена на две равные части, доставшиеся ученым, которых объединяют достижения в области исследований Вселенной. Согласно формулировке Нобелевского комитета, премия присуждена «за вклад в наше понимание эволюции Вселенной и места Земли в космосе».

Первую половину премии получил Джеймс Пиблз — физик-теоретик и космолог, предложивший в конце прошлого века теоретическую основу наших современных представлений о бесконечной и расширяющейся Вселенной. Вторую половину разделили между собой два швейцарских астронома, Мишель Майор и Дидье Кело, углубивших человеческие представления о космосе: именно они в середине 1990-х установили, что наша Солнечная система — не исключение, а, как окончательно установлено к настоящему времени, очень типичный космический объект.

Плоский и вечный мир

Космология, сложившаяся к середине ХХ века, рассматривает Вселенную как объект, описываемый эйнштейновской Общей теорией относительности. У этого объекта есть два принципиальных параметра: скорость расширения и геометрические свойства пространства. Скорость расширения Вселенной зависит от плотности материи в ней: если материи слишком мало, Вселенная будет расширяться бесконечно, однако если плотность велика, то расширение неизбежно сменится сжатием.

От плотности материи зависит и геометрия пространства. При некоторой определенной («критической») плотности это пространство будет «эвклидовым», то есть будет иметь ту геометрию, к которой мы привыкли. В нем параллельные прямые никогда не пересекаются, а сумма углов треугольника — как бы далеко в космосе не располагались его вершины — всегда будет равна 180о. При более высокой плотности пространство будет иметь «положительную кривизну»: в таком пространстве параллельные прямые сближаются, как земные меридианы, а сумма углов треугольника больше 180о, как если бы он был нарисован на сфере (например, на поверхности Земли). Если плотность меньше критической, кривизна будет отрицательной, и параллельные будут расходиться.

Ко 1980 годам наблюдательные данные астрономии свидетельствовали, что наше пространство с большой точностью являются эвклидовым (его кривизна равна нулю). При этом видимая материя — то есть все галактики и межгалактический газ — никак не могла составлять больше 5% от критической плотности. Это был серьезный вызов для космологии: во Вселенной недоставало 95% плотности, необходимой для того, чтобы пространство было таким, какое наблюдается в реальности. Парадокс пытались разрешить, предположив существование «темной материи», состоящей из нейтрино, однако эта гипотеза имела множество проблем и не выдерживала проверки наблюдательными данными.

В 1982 году Джеймс Пиблз предположил существование иного типа темной материи, состоящей из холодных и тяжелых частиц. Такая материя могла объяснить видимое движение звезд в галактиках. Однако количество обычной и темной материи в сумме все равно составляло бы лишь 31% от критической плотности, необходимой для поддержания «плоской Вселенной» (то есть пространства с нулевой кривизной).

К 1984 году группа теоретиков, включая Пиблза, решила вернуться к идее, которую когда-то предлагал Эйнштейн: ввести в уравнения Общей теории относительности дополнительный параметр. Этот параметр описывает свойство пустого пространства — давление, как бы расталкивающее его изнутри. Параметр получил название «темной энергии». Темная энергия — это свойство вакуума, побуждающее его к расширению. А поскольку в теории Эйнштейна энергия всегда эквивалентна массе, темная энергия прибавляет к плотности те самые недостающие 69%, так что суммарная плотность «всего на свете» становится в точности равна критической. Таким образом, три компонента — обычная видимая материя, «темная материя» и «темная энергия» — вместе создают такую плотность, чтобы пространство, в котором мы живем, оставалось «плоским» и эвклидовым, подчиняющимся законам школьной геометрии.

«Темная энергия» гарантирует, что расширение Вселенной будет продолжаться вечно и «Большой Взрыв» не сменится в конце времен «Большим схлопыванием». Эта теоретическая идея была подтверждена в 1998 году, когда ученые обнаружили, что скорость расширения Вселенной возрастает со временем. За это открытие в 2011 году Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рис были удостоены Нобелевской премии, а восемь лет спустя высокая награда нашла и автора концепции — Джеймса Пиблза.

Множественность миров

Трудно поверить, но еще 40 лет назад существовала гипотеза, что планетная система вокруг нашего Солнца — уникальное для космоса явление, и вокруг других звезд никаких планет быть не может. Из этого следовала бы и уникальность жизни на Земле, и исключительное положение человеческой цивилизации во Вселенной (вопрос об инопланетянах был бы закрыт навсегда).

В конце 1980-х начали появляться первые данные о том, что у других звезд все же могут быть планеты. В 1988-м канадские астрономы получили данные о существовании планеты возле оранжевого гиганта в созвездии Цефея, а в 1991 году польский астроном Александр Вольшчан обнаружил планету у нейтронной звезды в созвездии Девы. Однако только в 1995 году двое швейцарских астрономов — Дидье Кело и Мишель Майор — доложили на конференции о своем открытии планеты возле звезды солнечного типа.

С помощью спектрометра, то есть по сдвигам в частоте света, астрономы обнаружили небольшие колебания звезды 51 в созвездии Пегаса, находящейся в 50 световых годах от Солнца. Колебания были вызваны гравитационным взаимодействием с обращающейся вокруг звезды планетой размером примерно с Юпитер, раскаленной примерно до 1000℃. Несмотря на то, что сама планета совершенно не похожа на нашу, это открытие было окончательным подтверждением, что Солнечная система не уникальна и вокруг подобных Солнцу звезд где-то в космосе обращаются планеты.

Как правило, экзопланеты не имеют собственных имен, однако для планеты 51 Пегаса b, ввиду важности ее в истории астрономии, было сделано исключение: на следующий год после открытия астроном Джеффри Марси предложил назвать ее Беллерофон в честь греческого героя, укротившего Пегаса. В 2015 году Международный астрономический союз официально присвоил планете другое имя — Димидий.

К настоящему времени открыты сотни экзопланет. В 2011 году телескоп «Кеплер» обнаружил у звезды Кеплер-20 две планеты, близкие по размерам к Земле. В 2017 году возле звезды TRAPPIST-1 обнаружено целых семь землеподобных планет.

Открытию новых экзопланет посвящено несколько масштабных проектов. В ходе работы космического телескопа Kepler открыто 132 экзопланеты и более 2000 потенциальных кандидатов. Затраты на проект составили более $0,5 млрд. В 2013 году запущена на орбиту космическая обсерватория Gaia, которая может открыть, согласно некоторым оценкам, до 10 000 экзопланет. Стоимость проекта составляет около €577 млн. В 2018 году запущен космический телескоп TESS, предназначенный для открытия экзопланет транзитным методом. На этот проект NASA выделено около $200 млн.

Новости партнеров