Успех российской физики: чёрные дыры и расширение Вселенной

Этой медали ранее удостаивались всемирно известные учёные Нильс Бор, Макс Планк, Альберт Эйнштейн. Столь высокую оценку получили работы нашего соотечественника в области астрофизики и космологии, внёсшие фундаментальный вклад в понимание свойств ранней Вселенной и чёрных дыр. Какие теории лежат в основе этих работ и какими новыми знаниями они обогащают мировую науку – в материале STRF.ru.

Академик Рашид Сюняев удостоился одной из самых престижных наград по физике – медали Бенджамина Франклина – за работы в области астрофизики и космологии

Справка STRF.ru:

Рашид Сюняев родился в Ташкенте в 1943 году. Окончил с отличием Московский физико-технический институт и Институт прикладной математики АН СССР. Был учеником известного советского физика Якова Зельдовича, работал с ним в течение 22-х лет. Свой научный путь начал с теоретических исследований космоса. Среди полученных им результатов, впоследствии вошедших во все учебники и курсы по астрофизики, – стандартная теория дисковой аккреции на чёрные дыры и нейтронные звёзды (Шакура и Сюняев, 1973 г., 1976 г.), формула Сюняева-Титарчука (1980 г.) для спектра излучения, формирующегося при комптонизации низкочастотных фотонов в горячей плазме, эффект Сюняева-Зельдовича (1972 г.), позволяющий использовать скопления галактик в качестве мощного инструмента наблюдательной космологии.

Кроме того, Рашид Сюняев руководил группой, строившей орбитальные обсерватории «Рентген» и «Гранат» и управлявшей ими. Обсерваторией «Рентген» впервые в истории науки было зафиксировано жёсткое рентгеновское излучение, исходящее от сверхновой звезды. Среди наиболее важных результатов обсерватории «Гранат» – детальные карты центральной области Галактики, широкополосные спектры аккрецирующих чёрных дыр и нейтронных звёзд, открытие десятков новых рентгеновских источников, в том числе первого в Галактике микроквазара.

В настоящее время Рашид Сюняев занимает должности ведущего научного сотрудника Института космических исследований РАН и управляющего директора Института астрофизики общества Макса Планка в Гархинге (Германия). С 1992 года Рашид Сюняев – академик РАН

Единственный способ наблюдать чёрную дыру

Наибольшую известность среди научных работ Рашида Сюняева получила теория аккреционных дисков Шакуры-Сюняева, которая давно стала общепринятой при описании переноса вещества и энерговыделения в тесных двойных системах и при аккреции на сверхмассивные чёрные дыры. Это одна из двух самых цитируемых среди почти миллиона статей в современной мировой астрофизике. В ней описывается, каким образом можно наблюдать чёрные дыры – таинственные области в пространстве-времени, притягивающие всё с невероятной силой. «Заглянуть» в эти дыры – было бы несомненным успехом для мировой науки.

Но, разумеется, напрямую, с помощью телескопов, рассмотреть их невозможно – они не излучают электромагнитных волн (за исключением неуловимого гипотетического излучения Хокинга), именно поэтому их и называют чёрными. Но так как они дыры, в них иногда что-то падает. Процесс падения вещества на космическое тело из окружающего пространства называется аккрецией. При аккреции на чёрные дыры вещество, падая по спирали под действием гравитационного поля дыры, разгоняется до околосветовых скоростей, образуя сверхгорячий аккреционный диск – мощный рентгеновский и гамма-источник. Обнаружив подобный источник, можно предположить, что наблюдаемый астрономический объект и есть чёрная дыра. Единственная трудность заключается в том, что точности современных рентгеновских телескопов не достаточно для того, чтобы твёрдо обнаружить различия между аккреционным излучением чёрных дыр и нейтронных звёзд, вблизи которых происходит похожее явление. Отличие же заключается в том, что вещество, сталкиваясь с поверхностью нейтронной звезды, мощно излучает. При падении на чёрные дыры столкновения и сопутствующей вспышки нет, поскольку у чёрных дыр нет твёрдой поверхности. Внешнему наблюдателю из-за искажения пространства-времени вблизи чёрной дыры и релятивистской скорости падения вещества кажется, что вещество падает на дыру вечно, а излучение просто слабеет. Собственно, Сюняев и доктор физико-математических наук Николай Шакура описали свойства аккреционного диска и возникающего излучения, что дало астрофизикам возможность наблюдать чёрные дыры по мощному рентген - излучению.

К моменту появления этой теории науке уже были известны способы поиска чёрных дыр, но все они основывались на наблюдении «патологий» в поведении близких к дыре звёзд, объясняемых присутствием массивной чёрной дыры (изменение траекторий, скоростей, превышающее стандарт отношение массы галактики к её светимости).

Первое измерение постоянной Хаббла

Другой получивший мировое признание результат – открытый в 1970 году в сотрудничестве с академиком Яковом Зельдовичем эффект, названный в честь учёных эффектом Сюняева-Зельдовича. За несколько десятилетий он превратился из красивой теоретической идеи в один из наиболее продуктивных методов наблюдательной космологии, открывающий возможность определить фундаментальные космологические параметры, в том числе понять роль тёмной энергии в развитии Вселенной и непосредственно измерить постоянную Хаббла, которая в определённом смысле является скоростью расширения Вселенной в модели Большого взрыва. Говоря строго по-научному, эффект Сюняева - Зельдовича описывает изменения интенсивности реликтового фона из-за обратного эффекта Комптона на горячих электронах межзвёздного и межгалактического газа. Если же объяснять популярно и подробно, то… пожалуй, лучше начать рассказ об этом открытии издалека.

Реликтовое излучение – это фотография Вселенной в далёком прошлом. Известно, что, наблюдая за Солнцем, из-за ограниченной скорости света мы видим то, что происходило на нашей главной звезде больше восьми с половиной минут назад. А ближайшая к Солнцу звезда – Проксима Центавра – предстаёт перед нами моложе на четыре с лишним года, чем она есть в момент наблюдения. Человечек, вооружившись мощнейшим телескопом и «вглядываясь вдаль», в её самую границу, дальше которой наблюдения не возможны, может подсмотреть, что происходило с Вселенной в самом далёком прошлом, например сразу после её рождения. Благодаря этим наблюдениям, к настоящему времени учёным удалось установить, что в момент зарождения нашей Вселенной было очень горячо, температура была бесконечно большой, но в результате расширения реликтовое излучение (электромагнитное излучение, заполняющее наблюдаемую часть Вселенной) охладилось до -270,4 градуса по Цельсию.

Безусловно, в этой гипотетической модели зарождения Вселенной остаётся много загадок, одной из которых долгое время была неоднородность температуры реликтового фона в зависимости от направления наблюдения.

Эффект Сюняева - Зельдовича показал, что, наблюдая этот фон в направлении скоплений галактик, можно определить, что температура из-за взаимодействия с быстрыми электронами в межгалактическом пространстве будет ниже обычной.

Измерив величину этого охлаждения, благодаря открытию Сюняева и Зельдовича, можно измерить скорость движения галактик относительно реликтового фона, так называемую пекулярную скорость. А это впервые позволяет измерить постоянную Хаббла, которая служит важнейшим космологическим параметром.

В модели Большого взрыва наша Вселенная расширяется, причём скорость удаления друг от друга двух объектов пропорциональна расстоянию между этими объектами. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости и называют постоянной Хаббла. Её точное измерение позволяет многое узнать об эволюции Вселенной, например по обратной величине постоянной Хаббла оценивают время жизни Вселенной. Сейчас на изучение различных проявлений «эффекта» нацелены сотни обсерваторий по всему миру.