Нобелівська премія з фізики за 2019 рік була присуджена за дослідження у двох, з першого погляду, абсолютно не пов'язаних областях астрономії. Половина нагороди дістанеться Джеймсу Піблсу за «теоретичні відкриття в галузі космології», а другу частину поділять порівну Мішель Майор і Дідьє Кело за «відкриття екзопланети на орбіті навколо сонцеподібної зірки». Начебто космологія з її максимально великими масштабами займається Всесвітом в цілому, а екзопланети пов'язані зі спостереженнями зірок в околиці Сонця, ближче них тільки сама Сонячна система... Чи є якийсь зв'язок між такими різними науковими досягненнями?
По-перше, це далеко не перший випадок, коли Нобелівську премію з фізики присуджують за різні відкриття. Наприклад, у 1978 році половину премії отримав Петро Капіца за «фундаментальні винаходи і відкриття в галузі фізики низьких температур», а іншу - Арно Пензіас і Роберт Вільсон за «відкриття мікрохвильового реліктового випромінювання» (про що ми ще поговоримо далі).
По-друге, цього року Нобелівський комітет придумав оригінальну мотивацію для об'єднання різних робіт - вони показують наше місце у Всесвіті. З цим неможливо посперечатися, і давайте розберемося, чому це так.
Унікальність
Космологія - це розділ астрономії, що вивчає Всесвіт загалом. Історично фізична космологія як наука почалася після публікації в 1920-х роках робіт Олександра Фрідмана, який вивів перші рішення рівнянь загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна, що описують еволюцію Всесвіту.
У цій галузі досліджень складна доля. З одного боку, предмет її вивчення дано в єдиному екземплярі, що ускладнює застосування стандартної методології наукового дослідження, а з іншого, протягом більшої частини її столітньої історії вона залишалася суто теоретичною наукою, що не спиралася на широку експериментальну базу.
Космологічні концепції, що в різний час висловлювалися різними вченими, настільки різноманітні і взаємно суперечливі, що це дозволило нобелівському лауреату Льву Ландау обронити відому фразу: «Космологи часто помиляються, але ніколи не сумніваються».
До числа ключових подій нового етапу розвитку космології вже як повноцінної науки належать відкриття реліктового випромінювання (Нобелівська премія з фізики за 1978 рік) і його властивостей, в першу чергу анізотропії (Нобелівська премія з фізики за 2006 рік).
Фактично лише з початком реєстрації анізотропії реліктового випромінювання з'явилася можливість говорити про становлення точної космології, в рамках якої можна робити детальні і перевіряються передбачення.
Однак цінність цих експериментальних досягнень можна зрозуміти тільки в контексті теорії, що пророкує параметри спостережуваних явищ і дозволяє їх аналізувати. Відповідна теорія активно розвивалася протягом усього післявоєнного часу, причому паралельно як в СРСР, так і в США. У становленні цієї теорії взяло участь безліч іменитих вчених. Далеко не вичерпний список, якщо говорити тільки про нашу країну, повинен включати Якова Зельдовича і його численних учнів (Андрія Дорошкевича, Ігоря Новікова, Рашида Сюняєва), а також Андрія Сахарова. З боку американців до нього входять Георгій Гамов, Роберт Херман, Ральф Альфер, Роберт Дікке і Джеймс Піблс.
Перша відома робота Піблса вийшла в травні 1965 року в. У цьому випуску були опубліковані відразу дві важливі для розвитку космології статті: одна розповідала про виявлення реліктового випромінювання Пензіасом і Вілсоном, а друга теоретично пояснювала цей феномен. Другу статтю написали Піблс і його науковий керівник Дікке в співавторстві з колегами.
Реліктове випромінювання, також зване космічним мікрохвильовим фоном, - це ті, що заповнюють весь Всесвіт електромагнітні хвилі невеликої енергії. У сучасну епоху вони виглядають так, ніби їх випромінювало рівномірно нагріте до температури 2,73 кельвіна абсолютно чорне тіло - фізично абстрактний об'єкт, що поглинає все падаюче випромінювання.
Існування реліктового випромінювання випливало з робіт колективу вчених під керівництвом Георгія Гамова, який до того моменту вже перебрався з СРСР до США. Гамов і його колеги заклали фундамент теорії гарячого Великого вибуху, який говорив про еволюцію Всесвіту з більш щільного і гарячого стану до більш розрідженого і холодного.
Спочатку речовина перебувала в стані плазми і була непрозора для випромінювання. Приблизно через 400 тисяч років після Великого вибуху його температура впала настільки, що стало можливо утворення атомів водню, які взаємодіють з електромагнітними хвилями набагато гірше вільних зарядів плазми.
У результаті середовище стало прозорим, і випромінювання відокремилося від речовини. Саме ці хвилі ми сьогодні реєструємо у вигляді реліктового випромінювання.
Ще з часів робіт Фрідмана стало зрозуміло, що Всесвіт повинен або розширюватися, або схлопуватися, і сьогодні ми точно знаємо, що він збільшується. Отже, реліктове випромінювання в минулому повинно було бути набагато гарячіше. Але наскільки? Цього в середині XX століття вчені не знали, тому деякі вважали, що виявити його в принципі неможливо.
Тут необхідно відзначити потенціал для можливої критики на адресу Нобелівського комітету: робота Піблса про властивості реліктового випромінювання була не першою - за рік до цього, в 1964 році, вийшла стаття Дорошкевича і Новікова, де також передбачалася можливість спостереження реліктового випромінювання з температурою на рівні декількох кельвінів.
Також варто згадати, що провідний космолог того часу в СРСР - Яків Зельдович - розвивав альтернативну концепцію холодного Великого вибуху, при якому ніякого реліктового випромінювання не виникало. Втім, результати Пензіаса і Вілсона його переконали.
Нобелівський комітет в пояснювальному документі зазначає, що заслуга Піблса і його співавторів полягає не стільки в передбаченні спостережуваності реліктового випромінювання, скільки в поясненні його зв'язку з кількістю виникаючого в результаті первинного нуклеосинтезу гелію.
Дійсно, вже в самостійних роботах Піблс описав цей процес і висловив гіпотезу, що практично ніякі елементи важчі гелію в ранньому Всесвіті сформуватися не могли. До публікації його робіт це вважалося можливим.
Ще одна важлива заслуга Піблса пов'язана з акустичними піками в анізотропії реліктового випромінювання. Анізотропія, тобто неоднорідність мікрохвильового фону, пов'язана з неоднорідностями щільності первинної плазми, що існувала через 400 тисяч років після Великого вибуху. Відмінності в щільності призводять до виникнення акустичних хвиль.
Ці хвилі вперше детально розглянув Андрій Сахаров, хоча і в обмеженому випадку. Піблс і Цзе-Тай Юй (і незалежно від них Зельдович і Сюняєв в СРСР) вивчили акустичні хвилі в ранньому Всесвіті більш глибоко.
Заслуга американського колективу полягає у використанні численних методів, що дозволили зробити конкретне передбачення про спостережуване явище - періодичні коливання у спектрі потужності реліктового випромінювання. Іншими словами, Піблс і Юй навчилися передбачати частки енергії, укладеної в обуреннях певного масштабу на карті анізотропії. Ці коливання впевнено спостерігаються сьогодні.
Інші досягнення Піблса в космології пов'язані з темною матерією. Цей компонент Всесвіту вперше був теоретично описаний ще до Другої світової війни в роботах Кнута Еміля Лундмарка і Фріца Цвіккі.
Ці вчені припустили існування невідомої форми речовини, оскільки динаміка рухів галактик не відповідала спостереженням: об'єкти рухалися з такою швидкістю, що гравітація видимої матерії не повинна була їх утримувати, але, тим не менш, вони формували стійке скупчення. Однак ідея Лундамарка і Цвіккі не відразу набула широкого поширення.
До 1980-их років у космології намітилася повноцінна криза. Обчислення, зроблені в рамках припущення про нескінченно розширений Всесвіт, передбачали високий рівень анізотропії реліктового випромінювання, який вже мав би виявитися в експерименті, але на ділі ніяк себе не виявляв.
З іншого боку, якщо слід було вважати вірним припущення про те, що розширення Всесвіту постійно сповільнюється, повністю припиняючись у майбутньому, то галактик, подібних до Чумацького Шляху, просто не повинно було б існувати. Теорія показувала, що у них не вистачило б часу для освіти.
Піблс запропонував концепцію холодної темної матерії, яка істотно відрізнялася від більшості розглянутих до нього моделей, в яких, як правило, частинкою темної матерії вважалося нейтрино з надзвичайно малою масою, що робило їх сукупність «гарячою».
За допомогою холодної темної матерії Піблс зміг примирити вік Всесвіту і існування галактик, оскільки така речовина не перешкоджала б початку групування звичайної матерії ще до відділення реліктового випромінювання. Виходячи з цієї ідеї, у своїй важливій роботі 1982 року вчений передбачив анізотропію реліктового випромінювання на рівні 5 ст.110 ‑ 6, що в цілому узгоджується з зареєстрованим через 10 років значенням.
Піблс відомий двокрапковими кореляційними функціями з кластерного аналізу, які він ввів у космологію. Він використовував цей метод для пошуку виділених відстаней і оцінки космологічних параметрів на основі оглядів галактик і їх скупчень. Сьогодні всі активно користуються цим математичним апаратом. Сама премія дана за теоретичні розробки у фізичній космології. На мій погляд, це дивне формулювання. Якщо подивитися на список Нобелівських премій, то вони даються за реально підтверджені ідеї, навіть за експериментальні дані останнім часом. Тема цього року стоїть абсолютно окремо. Я б сказав, що це почесний Оскар заслуженій людині. Піблс був не один, і у нього немає окремого революційного внеску. При цьому треба розуміти, що права засуджувати премію у нас немає, так як це приватна нагорода, яка видається приватними людьми на свій розсуд.
Варто зазначити, що в докладному науковому обґрунтуванні, що супроводжує рішення Нобелівського комітету про присудження премії з фізики в 2019 році, згадуються заслуги всіх вищеназваних вчених. При цьому не можна сказати, що пояснення ключової ролі Піблса у всіх випадках виглядають переконливо.
Пересіченість
Людство з давніх часів задавалося питанням, чи існують світи, подібні нашому. Вже в найбільш ранніх дійшли до нас обговореннях цієї теми висловлюються діаметрально протилежні точки зору - від єдності та унікальності до повної відсутності будь-якої примітності в нескінченному ряду подібних.
З приводу недавніх мислителів, які вплинули на становлення сучасної науки, можна назвати філософа Джордано Бруно, який постулював множину населених світів, порівнював зірки з Сонцем і розмірковував про наявність у них власних планет. Втім, Бруно не був вченим, і до його концепцій варто ставитися швидше як до художнього і філософського передбачення існування екзопланет.
Подібну роль можна відвести і поемі «Еврика» американського письменника Едгара По. Тут у літературній формі викладено багато космологічних ідей, у тому числі й вірні, хоча на той момент ще й не підтверджені науково обґрунтованими фактами.
Строго наукове формулювання питання про існування подібних світів стало з тих пір, як була однозначно визначена структура Сонячної системи, керуючі рухами планет закони і спорідненість Сонця з іншими світилами.
Вважається, що астроном XVIII століття Вільям Гершель назвав планетарними туманностями вже відомі на той момент тьмяні розмиті об'єкти. Він думав, що вони складаються з матеріалу, який згодом сформує планетну систему, подібну до нашої.
Як з'ясувалося згодом, Гершель помилявся, але це показує, що вчені всерйоз замислювалися про можливість існування подібних Землі планет ще кілька сот років тому.
Вперше наукову оцінку потенційного безпосереднього виявлення планет у інших зірок у 1952 році здійснив Отто Струве. Тоді ж стало зрозуміло, що перед астрономією стоять колосальні технічні труднощі, на подолання яких може піти неясна кількість часу.
Серйозні спроби зареєструвати такі об'єкти почали вживати лише в 1980-х роках. У статтях того часу фігурують терміни «субзоряні» або «маломасивні компаньйони», що підкреслює скепсис наукової спільноти як щодо реалізованості таких проектів, так і до їх цінності для астрономії.
Перші дослідження використовували спосіб, запропонований ще Струві. Сьогодні його називають методом радіальних швидкостей. Він полягає в пошуку невеликих зміщень спектральних ліній випромінювання зірки, викликаних рухом навколо спільного з планетою центру мас.
В результаті такого руху у світила з'явиться траєкторія, що відповідає невеликому колу, і, в разі розташування орбіти не в площині неба, протягом половини свого періоду воно буде наближатися до спостерігача, а протягом іншої половини - віддалятися.
Через цей рух уздовж променя зору світло зірки буде відчувати те червоне, то фіолетове зміщення, яке можна зафіксувати точним спектрографом по руху вузьких ліній. З точки зору теорії це дуже просте явище, але проблема полягає в величині ефекту.
Наприклад, якщо спостерігати Сонячну систему здалеку, то для виявлення Юпітера необхідно буде зафіксувати коливання швидкості Сонця на рівні 12 метрів на секунду з періодом у 12 років. Відповідне зміщення ліній складе 4 ст.1 10 ‑ 8, яке треба виміряти інструментом, що зберігає стабільність протягом такого чималого відрізка часу.
До 1995 року, через понад десятиліття активних пошуків кількома колективами, єдиною з упевненістю зареєстрованою планетою був об'єкт у пульсара PSR1257 + 12.
Однак це надзвичайно специфічна ситуація, адже пульсар - це нейтронна зірка, тобто залишок сяйлого перш великого світила, яке пройшло через вибух наднової. Виявити планети у пульсара набагато простіше, оскільки стабільне обертання зоряного залишку можна використовувати як лічильник часу, на темп ходу якого складно вплинути.
Водночас пошук планет у подібних Сонцю звичайних зірок подібним методом неможливий. Тепер ми також знаємо, що пульсарні планети досить рідкісні, адже подібні компаньйони знайдені лише у декількох нейтронних зірок з більш ніж 2000, відомих нам.
Прорив на цьому напрямку якраз і здійснили лауреати цього року Мішель Майор і Дідьє Кело, які працювали в Обсерваторії Верхнього Провансу на півдні Франції. Разом з колегами вони побудували новий спектрограф ELODIE, що дозволяв спостерігати відразу безліч зірок завдяки використанню передачі світла через оптоволокно і окремий канал для опорного спектру від торієвої лампи.
Це було важливе нововведення, оскільки в рамках раніше застосовуваних підходів джерело з відомою довжиною хвилі ставили перед входом у спектрограф, що загороджувало частину світу і обмежувало можливі спостереження лише найяскравішими зірками з безпосереднього оточення Сонця.
Майор і Кело запустили спостережну програму з вивчення 142 зірок, що було набагато більше, ніж у всіх попередніх спробах. Їхні зусилля були винагороджені в 1994 році, коли вони помітили відповідні наявності планети зрушення в спектрі зірки 51 Пегаса.
Правда, параметри виявленої планети виявилися вкрай незвичайними: при масі, порівнянній з Юпітером, вона робила один оборот навколо зірки всього за 4 дні, тобто повинна була перебувати до зірки приблизно в 100 разів ближче, ніж Юпітер до Сонця.
Сьогодні ми називаємо такі екзопланети гарячими юпітерами, але в середині 90-х років вченим був відомий тільки один приклад планетної системи - Сонячної. У нашому випадку подібних планет немає, а також простежується чіткий порядок: некрупні кам'яні планети всередині, потім газові гіганти, потім крижані гіганти.
Багато вчених думали, що щось подібне має бути і навколо інших зірок, хоча й існували моделі, що пророкують міграції гігантів ближче до батьківських зірок.
А після того, як Майор і Кело відкрили екзопланету 51 Пегаса b, почався вибуховий зріст нової області спостережної астрономії і теоретичної астрофізики. Перед вченими вперше виникла необхідність будувати нові моделі освіти планет, а їх перевірка стала можлива експериментально.
Сьогодні відомо вже понад 4000 екзопланет різних типів, що формують системи у приблизно 3000 зірок. Гарячі юпітери, які були на початку пошуків найбільш численною категорією, вже поступилися першістю меншим об'єктам: мінінептунам або суперземлям.
Крім методу радіальних швидкостей, випробувано і кілька інших, у тому числі методи затемнень, мікролінзування і прямого виявлення. На орбіті Землі кілька років відпрацював спеціально створений для пошуку екзопланет супутник «Кеплер», а зараз збирає дані його змінник - телескоп TESS.
Наявна статистика показує, що планети дуже поширені в нашій Галактиці і, мабуть, у всьому Всесвіті. Разом з тим систем, подібних Сонячній, досі не знайдено.
Однак було б неправильним відразу робити висновок про нашу винятковість, адже за допомогою наявних технологій ми поки і не змогли б знайти нічого, що поступалося б у розмірах Юпітеру, будь наше Сонце віддалене від нас на відстань у парсеки.
Разом з тим, багато питань про формування планет залишаються без відповіді. Ми тільки почали вивчати протопланетні диски - попередню виникнення компактних тіл стадію. Погано зрозумілий ріст зародків планет у цих освітах, а без повноцінної теорії цього процесу ми не зможемо відповісти на питання, наскільки Сонячна система незвичайна за порівнянням з іншими.
Пошук свого місця
Якщо говорити з формальної точки зору, то дослідження, відзначені цього року Нобелівською премією з фізики, дуже різні. Якщо ж поглянути на них філософськи, то вони, навпаки, досить близькі.
Космологія показує неймовірні масштаби унікального Всесвіту, процеси в якому іноді можна описати парою досить простих рівнянь.
Пошук екзопланет демонструє величезне розмаїття об'єктів в рамках невеликого шматочка звичайної галактики, в той час як ми очікували знайти підтвердження непримітності власної зоряної системи.
Варто зазначити, що відкриття екзопланет не було, за великим рахунком, несподіванкою для вчених, і поки що дослідження в цій галузі не призвели до значущих змін у фізичних парадигмах. Недарма багато фахівців навіть сумнівалися, чи відзначить коли-небудь Нобелівський комітет ці безумовно важливі наукові роботи.
Тож премію з фізики цього року можна сміливо назвати нестандартною. Вона нагадує нам, як багато непізнаного ще містить у собі Всесвіт, частиною якого ми є.