-36 секунды). В эту эпоху из‑за рождения частиц происходили сильные деформации метрики пространства-времени, что приводит к формированию гравитационных волн. Будущий международный космический гравитационно-волновой эксперимент LISA нацелен на поиск таких гравитационно-волновых фоновых излучений.
Совсем недавно, в 2023 году, пришла сенсационная новость: стохастический фон гравитационного излучения от слияния сверхмассивных черных дыр с большой уверенностью обнаружен с помощью наблюдений стабильности периодов вращения ряда миллисекундных пульсаров. Идея наблюдать миллисекундные пульсары с целью обнаружения фонового гравитационно-волнового излучения принадлежит замечательному астрофизику из ГАИШ профессору Михаилу Васильевичу Сажину, а в авторском коллективе, обнаружившем длинноволновой фон гравитационного излучения, присутствуют ученые из ГАИШ, включая директора ГАИШ К. А. Постнова.
Еще один новый аспект – поиск, наряду с черными дырами, кротовых нор. Возможность существования кротовых нор предсказывает ОТО. Поскольку черные дыры открыты, а справедливость ОТО тщательно проверена, в частности, методами гравитационно-волновой астрономии, к возможности существования кротовых нор следует относиться со всей серьезностью.
Кротовая нора, в отличие от черной дыры, не имеет горизонта событий и сингулярности в центре. Поэтому, в принципе, внутри кротовой норы можно свободно перемещаться в пространстве и во времени. С кротовыми норами ученые связывают надежды на создание машины времени. Пока кротовые норы не открыты.
Проблема кротовых нор состоит в обеспечении стабильности их существования и предотвращении их коллапса в черную дыру. ОТО предсказывает существование стабильных кротовых нор при условии, что «горловина» кротовой норы (размеры которой сравнимы с гравитационным радиусом) заполнена так называемой экзотической материей, у которой давление отрицательное, что порождает антигравитацию. Причем отрицательное давление, которое, согласно ОТО, порождает силы гравитационного отталкивания, удерживающие кротовую нору от коллапса в черную дыру, должно соответствовать так называемому фантомному уравнению состояния (связи между давлением и плотностью энергии).
Не все ученые верят в возможность существования такой экзотической материи с фантомным уравнением состояния, поэтому идея кротовых нор пока не является, в отличие от черных дыр, общепризнанной. В этой связи следует отметить, что и идея черных дыр в конце 1960‑х – начале 1970‑х годов также для многих ученых казалась чисто математической абстракцией, не имеющей отношения к реальности. Однако сейчас, более полувека спустя, как уже отмечалось, черные дыры завоевали «права гражданства» среди классических объектов Вселенной. Это вселяет в нас оптимизм в связи с поисками кротовых нор. В программу российского проекта космического радиоинтерферометра «Миллиметрон» (руководителем проекта был академик Н. С. Кардашев, а в настоящее время руководителем является член-корреспондент РАН И. Д. Новиков), который обеспечит угловое разрешение до 10-8 секунды, поиск кротовых нор в ядрах галактик включен как отдельная важная задача. Следует подчеркнуть, что благодаря работам группы И. Д. Новикова и Н. С. Кардашева удалось выявить различия в наблюдательных проявлениях черных дыр и кротовых нор, что делает проблему поиска кротовых нор весьма перспективной.
Еще одна Нобелевская премия по физике была присуждена в 2019 году профессорам М. Майору, Д. Келосу и Дж. Пиблесу «за открытие экзопланет и теоретические основы космологии». Как уже упоминалось выше, в 1995 году М. Майор и Д. Келос открыли экзопланету около звезды 51 Пегаса. К настоящему времени исследование экзопланет вокруг звезд превратилось в отдельное направление астрономии, открыты многие тысячи (свыше 5 тысяч) экзопланет разных масс – от нескольких масс Юпитера до массы Земли. Изучаются атмосферы экзопланет с целью поиска признаков жизни на них (биомаркеров) в виде линий кислорода, озона, метана, углекислого газа, паров воды и т. п.
Пионерские работы Дж. Пиблса по исследованию реликтового излучения, крупномасштабной структуры Вселенной и связи этой структуры с темной материей и темной энергией широко известны и получили всемирное признание в виде присуждения ему Нобелевской премии по физике в 2019 году.
В 2020 году Нобелевская премия по физике была присуждена Р. Пенроузу «за открытие, что образование черных дыр является надежным предсказанием общей теории относительности» и А. Гез и Р. Генцелю «за открытие компактного сверхмассивного объекта в центре нашей Галактики».
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%: МЧД = (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 Porb ≈ 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».
Интересно отметить, что за последние тринадцать лет были получены четыре Нобелевские премии по физике в области астрономии: за открытие ускоренного расширения Вселенной (премия 2011 года), за открытие гравитационных волн (2017), за открытие экзопланет и космологические исследования (2019) и за теоретические и наблюдательные исследования черных дыр (2020). Это свидетельствует о бурном прогрессе в современной астрономии, который обещает привести нас к новым выдающимся открытиям. И действительно, как уже отмечалось выше, ученым в 2019 году удалось построить изображение тени от черной дыры в центре галактики М87, а в 2022 году было построено изображение тени от черной дыры в центре нашей Галактики. Это еще одна выдающаяся научная работа в области астрономии, достойная присуждения очередной Нобелевской премии по физике. С 2013 года был осуществлен ряд уникальных космических экспериментов. Отметим важнейшие из них (с моей точки зрения).