EN

Нобелевская премия по физике 2019 года

Нобелевская премия по физике 2019 года была присуждена трем лауреатам — половина премии космологу Джеймсу Пиблзу (Принстон, США) — «за теоретические открытия в физической космологии» и половина премии — швейцарским астрономам Мишелю Майору и Дидье Кело (Женевский университет) — «за открытие экзопланеты вокруг солнцеподобной звезды».

Сочетание физической космологии и открытия экзопланет на первый взгляд может показаться довольно искусственным, однако не отметить открытие экзопланет астрономическими наблюдениями было нельзя, а успехи современной космологии столь впечатляющи, что половина нобелевской премии по физике за 2019 год одному из лучших американских космологов кажется вполне обоснованной.

Космология как физическая наука берет начало с пионерских работ замечательного российского математика А.А. Фридмана (1922, 1924), который впервые получил зависящее от времени решение уравнений общей теории относительности А. Эйнштейна (1915 г.) применительно к единой Вселенной. Вскоре похожие решения были независимо получены бельгийским ученым — аббатом Дж. Леметром (1927 г.). В конце 20-х годов Э. Хабблом было открыто расширение Вселенной по красным смещениям линий в спектрах далеких галактик z = ??—? : скорость удаления галактики пропорциональна расстоянию до нее, v = Hr, где скорость вычисляется по линейному эффекту Доплера vc = z, а расстояние — по каким-либо индикаторам (пульсирующим звездам — цефеидам, как это впервые сделал Хаббл, или иным источникам с известной мощностью излучения). Это эпохальное открытие (не отмеченное, увы, никакой мировой наградой) легло, таким образом, на хорошо подготовленную теоретическую почву.

Следующий важный этап становления современной космологии, несомненно, связан с выдающимися работами американских физиков Р. Альфера, Р. Хермана и Дж. Гамова, выполненных в конце 40-х гг., в которых впервые было рассчитано обилие химических элементов в ранней Вселенной и введено понятие «Big Bang» (неудачный русский перевод — «Большой Взрыв»). На самом деле, точнее надо говорить о начале классической стадии расширения Вселенной, никакого «взрыва» Вселенной, понятно, не было. Довольно быстро стало ясно, что элементов тяжелее водорода, гелия и легчайших изотопов в расширяющейся однородной изотропной Вселенной произвести не удается (тяжелые элементы — продукт термоядерной эволюции звезд и вспышек сверхновых разных типов). Тем не менее, основная физическая идея о высоких температурах и плотностях в ранней Вселенной совершенно правильная. Эта теория получила название «модель горячей Вселенной», потому что предсказывала высокую удельную энтропию Вселенной на одну частицу, измеряемую отношением куба температуры к плотности барионов. Важнейшим проверяемым предсказанием этой теории было существование остаточного фонового излучения с чернотельным спектром («реликтового» излучения, по меткому выражению И.С. Шкловского), температура которого в наше время должна быть несколько градусов.

Прошло полтора десятилетия, и реликтовое излучение было открыто в 1965 г. сотрудниками лаборатории Bell А. Пензиасом и Р. Уилсоном как фоновое комическое излучение с температурой около 3 К, проявляющее себя как неустранимый шум на рупорной антенне (Нобелевская премия по физике 1978 г.). Так же, как в случае с хаббловским расширением, это открытие ожидалось теоретиками. Так, в 1964 г. в работе И.Д. Новикова и А.Г. Дорошкевича (опубликована в ДАН СССР) были рассмотрены наиболее оптимальные частоты и методы обнаружения гипотетического реликтового излучения, и они указали на рупорную антенну лаборатории Bell как на наиболее оптимальный инструмент для его обнаружения.

В 1965 г. Дж. Пиблз работал в Принстонской теоретической группе и разрабатывал теорию горячей Вселенной. Как только стало известно об открытии Пензиаса и Вилсона, им совместно с соавторами (Р. Дике, П. Роллом и Д. Уилкинсоном) была написана статья (вышедшая в одном номере Astrophysical Journal вслед за статьей Пензиаса и Уилсона), объясняющая открытие 3-градусного космического фонового реликтового излучения в рамках модели «горячей Вселенной» Гамова. Вскоре в 1966 г. на основании модели «горячей Вселенной» Дж. Пиблз рассчитал космическое обилие первичного гелия — точнее, чем это было сделано в пионерских работах Гамова и его сотрудников. Однако самая известная работа Дж. Пиблза вышла в 1970 г. (совместно с Юй Дзе-Таем), в которой были рассчитаны спектры мощности флуктуаций реликтового излучения на небе, которые впоследствии были подтверждены и измерены с высочайшей точностью наземными и стратосферными экспериментами и космическими миссиями «КОБЕ» (НАСА, нобелевская премия по физике 2006 г.), «WMAP» (НАСА) и «Планк» (Европейское космическое агентство). Работы Дж. Пиблза, несомненно, внесли значительный вклад в становление современной прецизионной космологии. Измерения спектра флуктуаций реликтового фона позволили наиболее точно определить количество барионной и невидимой темной материи, а также темной энергии, отвечающей за современное ускоренное расширение Вселенной (Рис. 1).

Рис. 1. Акустические пики в современном спектре мощности флуктуаций реликтового излучения ((С) ESA, Planck Collaboration). Первый пик в масштабе около 1 градуса позволяет измерить пространственную кривизну Вселенной в больших масштабах (порядка 10 28 см) и соответствует нулевой кривизне (т.е. плоскому пространству) с процентной точностью. По положению и амплитуде второго пика измеряется доля барионов (около 5%), а по третьему пику — доля невидимой «темной материи» (около 25%) во Вселенной. Остальные 70% плотности энергии во Вселенной приходятся на «темную энергию», отвечающую за современное ускоренное расширение Вселенной (Astrophys. J. Suppl. Ser. 2013. V. 208. Id. 19.)

Кроме отмеченных работ по реликтовому излучению, Дж. Пиблз внес вклад в изучение образования крупномасштабной структуры Вселенной в результате развития первичных флуктуаций плотности в модели холодной (нерелятивистской) темной материи (1982), а также исследовал связь возможного ускоренного расширения Вселенной из-за наличия космологической постоянной с формированием и свойствами крупномасштабной структуры Вселенной (1984) задолго до его открытия в конце 20 века.

Следует отметить, что в своих работах Дж. Пиблз опирался на физические идеи, параллельно разрабатываемые в 1960 гг. в Советском Союзе: свойства реликтового излучения были предсказаны в 1964 г. в работе И.Д. Новикова и А.Г. Дорошкевича, флуктуации реликтового излучения впервые были предсказаны в работе А.Д. Сахарова в 1965 г., а их физика и наблюдаемые проявления — в работе Я.Б. Зельдовича и Р.А. Сюняева, вышедшей в том же 1970 г. Я.Б. Зельдович был профессором физического факультета МГУ вплоть до своей безвременной кончины в 1987 г. Работы Пиблза по ускоренному расширению Вселенной были во многом инициированы созданием модели инфляционной Вселенной (выпускники физфака А.А. Старобинский, А.Д. Линде и др.) в 1980-х гг. предсказывающей плоскую Вселенную с критической плотностью.

Теперь о второй части премии. Поиском планет у звезд астрономы занимались издавна. Основной метод (кроме прямого наблюдения, которое крайне сложно ввиду малого блеска планеты, отражающей свет гораздо более яркой звезды) — динамический, т.е. использующий измерение периодических вариаций лучевой скорости звезды по доплеровскому смещению линий в ее спектре. По амплитуде и периоду вариаций радиальных скоростей движения звезды можно оценить массу спутника.

Однако даже для планет с массой Юпитера (около одной тысячной массы Солнца) эффект крайне мал — например, в Солнечной системе орбитальное движение Юпитера смещает центр масс Солнца с амплитудой всего 12 м/с (амплитуда скорости центра масс Солнца из-за вращения Земли — 10 см/с). Основная проблема для измерения такой скорости по эффекту Доплера состояла в том, что линии поглощения в спектрах звездных атмосфер значительно уширены из-за турбулентных движений газа, вращения звезды, а также из-за теплового движения атомов (порядка км/с). Для измерения доплеровских смещений линий с требуемой относительной точностью 10-7 в случае широких линий поглощения с конца 1980 гг. в астрономических спектрографах высокого разрешения использовалась кювета с газом — фторидом водорода или парами иода, применявшимися в лазерной спектроскопии в качестве источника опорных линий. Однако для высокоточного измерения лучевых скоростей слабых звезд М. Майор и Д. Кело совместно с французскими коллегами разработали

новый эшелле-спектрограф ELODIE, который позволял регистрировать доплеровские смещения спектральных линий с рекордной точностью около 13 м/с. В качестве опорного спектра использовалась не кювета с парами иода, а ториево-аргонная калибровочная лампа, свет которой подавался на дифракционную решетку по оптоволокну. Спектрограф ELODIE позволял регистрировать лучевые скорости звезд солнечного типа с большим количеством линий поглощения в спектре с точностью 13 м/с.

В конце 1994 г. по движениям линий в спектре солнцеподобной звезды 51 Пегаса с периодом около 4 суток М. Майор и Д. Кело впервые обнаружили планету с массой порядка массы Юпитера (Рис. 2).

Рис. 2. Кривая лучевых скоростей звезды 51 Пегаса. Рисунок из оригинальной работы M.Mayor and D.Queloz, A Jupiter-mass companion to a solar-type star, Nature 378, 355 (1995).

Но главным сюрпризом в этом открытии было то, что эта планета находится на расстоянии в сто раз ближе, чем Юпитер к Солнцу и имеет температуру в 10 раз больше юпитерианской. Это было совершенно неожиданно, так как теория образования планетных систем запрещает образование планет-гигантов на близких расстояниях от звезды. Вскоре последовало открытие других аналогичных экзопланет вокруг звезд типа Солнца, которые обладали похожими свойствами на систему 51 Пегаса. Было предложено объяснение образованию таких экзопланет — «горячих юпитеров» путем динамической «миграции» с периферии планетной системы, где они могут образовываться, на близкие околозвездные орбиты.

В настоящее время известно свыше 4000 зкзопланет и заподозрено свыше 3000 планетных систем вокруг звезд, открываемых различными методами наземными и космическими обсерваториями, и число их постоянно увеличивается. Однако планетных систем — близнецов Солнечной системы, до сих пор не найдено. Таким образом, открытие М. Майора и Д. Кело положило начало новой эре в планетных исследованиях — физике и эволюции планетных систем вокруг звезд, а также поиску следов внеземной жизни на экзопланетах.

Заведующий отделением астрономии физического факультета МГУ директор ГАИШ имени П.К. Штернберга профессор К.А. Постнов

Назад