Место во Вселенной

Нобелевская премия по физике за 2019 год была присуждена за исследования в двух, с первого взгляда, совершенно не связанных областях астрономии. Половина награды достанется Джеймсу Пиблсу за «теоретические открытия в области космологии», а вторую часть поделят поровну Мишель Майор и Дидье Кело за «открытие экзопланеты на орбите вокруг солнцеподобной звезды». Вроде бы космология с ее максимально большими масштабами занимается Вселенной в целом, а экзопланеты связаны с наблюдениями звезд в окрестности Солнца, ближе них только сама Солнечная система… Есть ли какая-то связь между столь разными научными достижениями?

Во-первых, это далеко не первый случай, когда Нобелевскую премию по физике присуждают за разные открытия. Например, в 1978 году половину премии получил Пётр Капица за «фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур», а другую — Арно Пензиас и Роберт Вильсон за «открытие микроволнового реликтового излучения» (о чем мы еще поговорим далее).

Во-вторых, в этом году Нобелевский комитет придумал оригинальную мотивацию для объединения разных работ — они показывают наше место во Вселенной. С этим невозможно поспорить, и давайте разберемся, почему это так.

Уникальность

Космология — это раздел астрономии, изучающий Вселенную в целом. Исторически физическая космология как наука началась после публикации в 1920-х годах работ Александра Фридмана, который вывел первые решения уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, описывающих эволюцию Вселенной.

У этой области исследований сложная судьба. С одной стороны, предмет ее изучения дан в единственном экземпляре, что затрудняет применение стандартной методологии научного исследования, а с другой, на протяжении бóльшей части ее столетней истории она оставалась сугубо теоретической наукой, не опиравшейся на широкую экспериментальную базу.

Космологические концепции, в разное время высказывавшиеся разными учеными, настолько разнообразны и взаимно противоречивы, что это позволило нобелевскому лауреату Льву Ландау обронить известную фразу: «Космологи часто ошибаются, но никогда не сомневаются».

К числу ключевых событий нового этапа развития космологии уже как полноценной науки относятся открытие реликтового излучения (Нобелевская премия по физике за 1978 год) и его свойств, в первую очередь анизотропии (Нобелевская премия по физике за 2006 год).

Фактически лишь с началом регистрации анизотропии реликтового излучения появилась возможность говорить о становлении точной космологии, в рамках которой можно делать детальные и проверяемые предсказания.

Однако ценность этих экспериментальных достижений можно понять только в контексте теории, предсказывающей параметры наблюдаемых явлений и позволяющей их анализировать. Соответствующая теория активно развивалась в течение всего послевоенного времени, причем параллельно как в СССР, так и в США.

В становлении этой теории приняло участие множество именитых ученых. Далеко не исчерпывающий список, если говорить только о нашей стране, должен включать Якова Зельдовича и его многочисленных учеников (Андрея Дорошкевича, Игорь Новикова, Рашида Сюняева), а также Андрея Сахарова. Со стороны американцев в него входят Георгий Гамов, Роберт Херман, Ральф Альфер, Роберт Дикке и Джеймс Пиблс.

Первая известная работа Пиблса вышла в мае 1965 года в The Astrophysical Journal Letters. В этом выпуске были опубликованы сразу две важные для развития космологии статьи: одна рассказывала про обнаружение реликтового излучения Пензиасом и Уилсоном, а вторая теоретически объясняла этот феномен. Вторую статью написали Пиблс и его научный руководитель Дикке в соавторстве с коллегами.

Реликтовое излучение, также называемое космическим микроволновым фоном, — это заполняющие всю Вселенную электромагнитные волны небольшой энергии. В современную эпоху они выглядят так, как будто их излучило равномерно нагретое до температуры 2,73 кельвина абсолютно черное тело — физически абстрактный объект, поглощающий все падающее излучение.

Существование реликтового излучения следовало из работ коллектива ученых под руководством Георгия Гамова, который к тому моменту уже перебрался из СССР в США. Гамов и его коллеги заложили фундамент теории горячего Большого взрыва, говорившей об эволюции Вселенной из более плотного и горячего состояния к более разреженному и холодному.

Изначально вещество находилось в состоянии плазмы и было непрозрачно для излучения. Примерно спустя 400 тысяч лет после Большого взрыва его температура упала настолько, что стало возможно образование атомов водорода, которые взаимодействуют с электромагнитными волнами намного хуже свободных зарядов плазмы.

В результате среда стала прозрачной, и излучение отделилось от вещества. Именно эти волны мы сегодня регистрируем в виде реликтового излучения.

Еще со времен работ Фридмана стало понятно, что Вселенная должна либо расширяться, либо схлопываться, и сегодня мы точно знаем, что она увеличивается. Следовательно, реликтовое излучение в прошлом должно было быть намного горячее. Но насколько? Этого в середине XX века ученые не знали, поэтому некоторые считали, что обнаружить его в принципе невозможно.

Здесь необходимо отметить потенциал для возможной критики в адрес Нобелевского комитета: работа Пиблса о свойствах реликтового излучения была не первой — за год до этого, в 1964 году, вышла статья Дорошкевича и Новикова, где также предсказывалась возможность наблюдения реликтового излучения с температурой на уровне нескольких кельвинов.

Также стоит упомянуть, что ведущий космолог того времени в СССР — Яков Зельдович — развивал альтернативную концепцию холодного Большого взрыва, при котором никакого реликтового излучения не возникало. Впрочем, результаты Пензиаса и Уилсона его переубедили.

Нобелевский комитет в пояснительном документе отмечает, что заслуга Пиблса и его соавторов заключается не столько в предсказании наблюдаемости реликтового излучения, сколько в объяснении его связи с количеством возникающего в результате первичного нуклеосинтеза гелия.

Действительно, уже в самостоятельных работах Пиблс описал этот процесс и высказал гипотезу, что практически никакие элементы тяжелее гелия в ранней Вселенной сформироваться не могли. До публикации его работ это считалось возможным.

Еще одна важная заслуга Пиблса связана с акустическими пиками в анизотропии реликтового излучения. Анизотропия, то есть неоднородность микроволнового фона, связана с неоднородностями плотности первичной плазмы, существовавшей спустя 400 тысяч лет после Большого взрыва. Различия в плотности приводят к возникновению акустических волн.

Эти волны впервые подробно рассмотрел Андрей Сахаров, хотя и в ограниченном случае. Пиблс и Цзе-Тай Юй (и независимо от них Зельдович и Сюняев в СССР) изучили акустические волны в ранней Вселенной более глубоко.

Заслуга американского коллектива заключается в использовании численных методов, позволивших сделать конкретное предсказание о наблюдаемом явлении — периодических колебаниях в спектре мощности реликтового излучения. Иными словами, Пиблс и Юй научились предсказывать доли энергии, заключенной в возмущениях определенного масштаба на карте анизотропии. Эти колебания уверенно наблюдаются сегодня.

Другие достижения Пиблса в космологии связаны с темной материей. Этот компонент Вселенной впервые был теоретически описан еще до Второй мировой войны в работах Кнута Эмиля Лундмарка и Фрица Цвикки.

Эти ученые предположили существование неизвестной формы вещества, так как динамика движений галактик не соответствовала наблюдениям: объекты двигались с такой скоростью, что гравитация видимой материи не должна была их удерживать, но, тем не менее, они формировали устойчивое скопление. Однако идея Лундамарка и Цвикки не сразу получила широкое распространение.

К 1980-ым годам в космологии наметился полноценный кризис. Вычисления, сделанные в рамках предположения о бесконечно расширяющейся Вселенной, предсказывали высокий уровень анизотропии реликтового излучения, который уже должен был бы обнаружиться в эксперименте, но на деле никак себя не проявлял.

С другой стороны, если следовало считать верным предположение о том, что расширение Вселенной постоянно замедляется, полностью прекращаясь в будущем, то галактик, подобных Млечному Пути, просто не должно было бы существовать. Теория показывала, что у них не хватило бы времени для образования.

Пиблс предложил концепцию холодной темной материи, которая существенно отличалась от большинства рассматриваемых до него моделей, в которых, как правило, частицей темной материи считалось нейтрино с чрезвычайно малой массой, что делало их совокупность «горячей».

С помощью холодной темной материи Пиблс смог примирить возраст Вселенной и существование галактик, так как такое вещество не препятствовало бы началу группирования обычной материи еще до отделения реликтового излучения. Исходя из этой идеи, в своей важной работе 1982 года ученый предсказал анизотропию реликтового излучения на уровне 5 × 10⁻⁶, что в целом согласуется с зарегистрированным спустя 10 лет значением.

Стоит отметить, что в подробном научном обосновании, сопровождающем решение Нобелевского комитета о присуждении премии по физике в 2019 году, упоминаются заслуги всех вышеназванных ученых. При этом нельзя сказать, что объяснения ключевой роли Пиблса во всех случаях выглядят убедительно.

Заурядность

Человечество с древних времен задавалось вопросом, существуют ли миры, подобные нашему. Уже в самых ранних достоверно дошедших до нас обсуждениях этой темы высказываются диаметрально противоположные точки зрения — от единственности и уникальности до полного отсутствия любой примечательности в бесконечном ряду подобных.

Из относительно недавних мыслителей, повлиявших на становление современной науки, можно назвать философа Джордано Бруно, который постулировал множественно обитаемых миров, сравнивал звезды с Солнцем и размышлял о наличии у них собственных планет. Впрочем, Бруно не был ученым, и к его концепциям стоит относиться скорее как к художественному и философскому предсказанию существования экзопланет.

Подобную роль можно отвести и поэме «Эврика» американского писателя Эдгара По. Здесь в литературной форме изложены многие космологические идеи, в том числе и верные, хотя на тот момент еще и не подтвержденные научно обоснованными фактами.

Строго научной формулировка вопроса о существовании подобных миров стала с тех пор, как была однозначно определена структура Солнечной системы, управляющие движениями планет законы и родство Солнца с другими светилами.

Считается, что астроном XVIII века Уильям Гершель назвал планетарными туманностями уже известные на тот момент тусклые размытые объекты. Он думал, что они состоят из материала, который впоследствии сформирует планетную систему, подобную нашей.

Как выяснилось впоследствии, Гершель ошибался, но это показывает, что ученые всерьез задумывались о возможности существования подобных Земле планет еще несколько сот лет назад.

Впервые научную оценку потенциального непосредственного обнаружения планет у других звезд в 1952 году осуществил Отто Струве. Тогда же стало понятно, что перед астрономией стоят колоссальные технические трудности, на преодоление которых может уйти неясное количество времени.

Серьезные попытки зарегистрировать такие объекты стали предприниматься лишь в 1980-х годах. В статьях того времени фигурируют термины «субзвездные» или «маломассивные компаньоны», что подчеркивает скепсис научного сообщества как по отношению к реализуемости таких проектов, так и к их ценности для астрономии.

Первые исследования использовали способ, предложенный еще Струве. Сегодня его называют методом радиальных скоростей. Он заключается в поиске небольших смещений спектральных линий излучения звезды, вызванных движением вокруг общего с планетой центра масс.

В результате такого движения у светила появится траектория, соответствующая небольшому кругу, и, в случае расположения орбиты не в плоскости неба, в течение половины своего периода оно будет приближаться к наблюдателю, а в течение другой половины — отдаляться.

Из-за этого движения вдоль луча зрения свет звезды будет испытывать то красное, то фиолетовое смещение, которое можно зафиксировать точным спектрографом по движению узких линий. С точки зрения теории это очень простое явление, но проблема заключается в величине эффекта.

Например, если наблюдать Солнечную систему издалека, то для обнаружения Юпитера необходимо будет зафиксировать колебания скорости Солнца на уровне 12 метров в секунду с периодом в 12 лет. Соответствующее смещение линий составит 4 × 10⁻⁸, которое надо измерить инструментом, сохраняющим стабильность на протяжении такого немалого отрезка времени.

К 1995 году, спустя более десятилетия активных поисков несколькими коллективами, единственной с уверенностью зарегистрированной планетой был объект у пульсара PSR1257+12.

Однако это чрезвычайно специфическая ситуация, ведь пульсар — это нейтронная звезда, то есть остаток сиявшего прежде крупного светила, которое прошло через взрыв сверхновой. Обнаружить планеты у пульсара гораздо проще, так как стабильное вращение звездного остатка можно использовать в качестве счетчика времени, на темп хода которого сложно повлиять.

В то же время поиск планет у подобных Солнцу обычных звезд подобным методом невозможен. Теперь мы также знаем, что пульсарные планеты весьма редки, ведь компаньоны найдены подобные лишь у нескольких нейтронных звезд из более чем 2000, известных нам.

Прорыв на этом направлении как раз из совершили лауреаты этого года Мишель Майор и Дидье Кело, работавшие в Обсерватории Верхнего Прованса на юге Франции. Вместе с коллегами они построили новый спектрограф ELODIE, позволявший наблюдать сразу множество звезд благодаря использованию передачи света через оптоволокно и отдельный канал для опорного спектра от ториевой лампы.

Это было важное новшество, так как в рамках прежде применявшихся подходов источник с известной длиной волны ставили перед входом в спектрограф, что загораживало часть света и ограничивало возможные наблюдения лишь самыми яркими звездами из непосредственного окружения Солнца.

Майор и Кело запустили наблюдательную программу по изучению 142 звезд, что было намного больше, чем во всех предыдущих попытках. Их усилия были вознаграждены в 1994 году, когда они заметили соответствующие наличию планеты сдвиги в спектре звезды 51 Пегаса.

Правда, параметры обнаруженной планеты оказались крайней необычными: при массе, сравнимой с Юпитером, она делала один оборот вокруг звезды всего за 4 дня, то есть должна была находиться к звезде примерно в 100 раз ближе, чем Юпитер к Солнцу.

Сегодня мы называем такие экзопланеты горячими юпитерами, но в середине 90-х годов ученым был известен только
один пример планетной системы — Солнечной. В нашем случае подобных планет нет, а также прослеживается четкий порядок: некрупные каменные планеты внутри, затем газовые гиганты, затем ледяные гиганты.

Многие ученые думали, что нечто подобное должно быть и вокруг других звезд, хотя и существовали модели, предсказывающие миграции гигантов ближе к родительским звездам.

А после того, как Майор и Кело открыли экзопланету 51 Пегаса b, начался взрывной рост новой области наблюдательной астрономии и теоретической астрофизики. Перед учеными впервые возникла необходимость строить новые модели образования планет, а их проверка стала возможна экспериментально.

Сегодня известно уже свыше 4000 экзопланет различных типов, формирующие системы у примерно 3000 звезд. Горячие юпитеры, бывшие в начале поисков наиболее многочисленной категорией, уже уступили первенство меньшим объектам: мининептунам или суперземлям.

Помимо метода радиальных скоростей, испытано и несколько других, в том числе методы затмений, микролинзирования и прямого обнаружения. На орбите Земли несколько лет отработал специально созданный для поиска экзопланет спутник «Кеплер», а сейчас собирает данные его сменщик — телескоп TESS.

Имеющаяся статистика показывает, что планеты весьма распространены в нашей Галактике и, видимо, во всей Вселенной. Вместе с тем систем, подобных Солнечной, до сих пор не найдено.

Однако было бы неправильным сразу делать вывод о нашей исключительности, ведь с помощью имеющихся технологий мы пока и не смогли бы найти ничего, что уступало бы в размерах Юпитеру, будь наше Солнце удалено от нас на расстояние в парсеки.

Вместе с тем, многие вопросы о формировании планет остаются без ответа. Мы только начали изучать протопланетные диски — предшествующую возникновению компактных тел стадию. Плохо понятен рост зародышей планет в этих образованиях, а без полноценной теории этого процесса мы не сможем ответить на вопрос, насколько Солнечная система необычна по сравеннию с другими.

Поиск своего места

Если говорить с формальной точки зрения, то исследования, отмеченные в этом году Нобелевской премией по физике, очень разные. Если же взглянуть на них философски, то они, напротив, весьма близки.

Космология показывает невероятные масштабы уникальной Вселенной, процессы в которой иногда можно описать парой достаточно простых уравнений.

Поиск экзопланет демонстрирует огромное разнообразие объектов в рамках небольшого кусочка обычной галактики, в то время как мы ожидали найти подтверждение непримечательности собственной звездной системы.

Стоит отметить, что открытие экзопланет не было, по большому счету, неожиданностью для ученых, и пока что исследования в этой области не привели к значимым изменениям в физических парадигмах. Недаром многие специалисты даже сомневались, отметит ли когда-нибудь Нобелевский комитет эти безусловно важные научные работы.

Так что премию по физике в этом году можно смело назвать нестандартной. Она напоминает нам, как много непознанного еще содержит в себе Вселенная, частью которой мы являемся.

Тимур Кешелава