Нобелевская премия по физике — 2019: экзопланеты и теоретическая космология

Нобелевская премия по физике — 2019: экзопланеты и теоретическая космология

Астрофизики Сергей Попов и Олег Верходанов об открытии первой экзопланеты у солнцеподобной звезды, теоретической космологии и выборе Нобелевского комитета

В 2019 году Нобелевскую премию по физике получили Джим Пиблс «за теоретические открытия в физической космологии» и Мишель Майор и Дидье Кело «за открытие экзопланеты, обращающейся вокруг звезды солнечного типа». Мы попросили прокомментировать это событие доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника ГАИШ МГУ Сергея Попова и доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника Специальной астрофизической обсерватории РАН в Нижнем Архызе Олега Верходанова.

Половина премии вручена Джиму Пиблсу за теоретические исследования в области космологии. Современная космологическая модель, очень успешная и соответствующая огромному комплексу наблюдательных данных, — это плод коллективного труда. Вне зависимости от того, кому из ученых, работавших над ее составляющими, будет вручена награда, выбор Нобелевского комитета неизбежно будет вызывать споры. Но если предложить астрофизикам выбрать единственного лауреата в этой области, то у очень многих — а может быть, и большинства — Джим Пиблс стал бы кандидатом №1. За свою долгую и плодотворную карьеру он успел внести вклад практически во все ключевые области космологии, которые сейчас непосредственно связаны с наблюдениями. У Пиблса есть работы по реликтовому излучению, включая знаменательную теоретическую работу 1965 года по первичному нуклеосинтезу, а также целый комплекс работ по крупномасштабной структуре Вселенной и ее эволюции — и в этой области он действительно один из отцов-основателей. Кроме того, он изучал роль космологической постоянной, которая связана с динамикой расширения Вселенной. В общем, его влияние распространилось на существенную часть теоретических моделей, которые связывают результаты экспериментов четырех основных направлений наблюдательной космологии.

Другая половина премии досталась Мишелю Майору и Дидье Кело за открытие первой экзопланеты у солнцеподобной звезды. Сегодня астрофизика экзопланет — одна из наиболее бурно развивающихся областей. Еще тридцать лет назад мы не знали ни одной планеты за пределами Солнечной системы, а сегодня нам известно несколько тысяч подтвержденных экзопланет и еще десятки тысяч кандидатов. И первые существенные шаги в этой области принадлежат именно Майору и Кело. Их открытие, проливающее свет на мир экзопланет и ставящее новые вопросы, не было предсказано, как гравитационные волны или бозон Хиггса, и это добавляет ему шарма.

Лауреаты лично участвовали в разработке и совершенствовании метода исследований, с помощью которого им удалось найти эту планету, — это бывает далеко не всегда. Сегодня применяется несколько методов поиска экзопланет. Многие из известных нам планет были открыты при помощи транзитного метода, который заключается в регистрации изменений блеска звезды: если эти изменения периодические, это означает, что между ней и наблюдателем регулярно проходит планета. Также применяются гравитационное линзирование, астрометрические методы и получение прямых изображений. Все эти методы сформировались и начали активно использоваться буквально в течение одного десятилетия. Они очень сложные технически, и в рамках каждого метода конкурирующие группы ученых соревнуются, пытаясь быстрее получить результат. Майор и Кело честно выиграли эту гонку и продолжают совершенствовать свой метод, у которого большое будущее. Было очень важно продемонстрировать, что методика работает, ведь люди не хотят вкладывать время и деньги в исследования, которые принесут результат неизвестно когда, поэтому первый результат Майора и Кело дал важный импульс развитию всех экзопланетных исследований. Сегодня наблюдения вариации лучевых скоростей являются вторым по эффективности методом поиска экзопланет, уступая только транзитному методу, который априори является более массовым благодаря возможности одновременного наблюдения множества звезд.

51 Пегаса b, самая первая экзопланета у солнцеподобной звезды, была открыта в 1995 году с помощью наблюдения вариации лучевых скоростей. Измеряя спектр звезды и фиксируя доплеровское смещение линий, можно составить представление о движении звезды вокруг центра масс системы «звезда — планета». Если звезда движется в сторону наблюдателя, линии смещаются в синюю область спектра, если от нас — в красную. И если эти изменения периодические, это означает, что звезда совершает движение вокруг центра масс своей системы.

Разные группы исследователей в разных странах пытались довести точность измерения скоростей движения звезд до такой степени, которая позволила бы обнаружить периодическое движение звезды вокруг центра масс системы «звезда — планета». Кело и Майор стали первыми, кому это удалось. С помощью оптического спектрометра, измеряющего доплеровское смещение линий, они регулярно фиксировали лучевые скорости 142 солнцеподобных звезд, расположенных относительно недалеко от Солнца, и вскоре обнаружили периодические «покачивания» звезды 51 Пегаса. 51 Пегаса — обычная звезда. Но обнаруженная возле нее планета оказалась необычной. 51 Пегаса b — горячий юпитер. Планеты такого типа отсутствуют в Солнечной системе. Это газовые гиганты, близкие по массе к Юпитеру, однако расположены они очень близко к звезде, даже ближе, чем Меркурий от Солнца.

Формулировка «солнцеподобная звезда» не означает, что звезда похожа на Солнце в деталях. В данном случае в формулировке Нобелевского комитета она всего лишь позволяет отделить обычные звезды от нейтронных, и большая часть астрономов употребила бы здесь термин «нормальная звезда». Дело в том, что 51 Пегаса b не первая обнаруженная экзопланета. В 1992 году, за три года до того, как Майор и Кело объявили о своем открытии, польский астроном Александр Вольщан и канадский астроном Дейл Фрейл открыли объекты планетной массы у нейтронной звезды. Но в данном случае они не разработали оригинальную методику, и их открытие не повлекло за собой череду подобных. До сих пор система пульсара PSR 1257+12 остается единственной в своем роде, и мы все еще очень мало знаем о ее происхождении и самом пульсаре.

В общем, среди всех исследователей экзопланет Мишель Майор и Дидье Кело — наиболее очевидные претенденты на Нобелевскую премию. Революционно само по себе решение комитета дать премию по физике за чисто астрономическое открытие, имеющее мало отношения к фундаментальным физическим исследованиям. Последняя «астрономическая» премия была вручена за экспериментальное обнаружение гравитационных волн, но это открытие чрезвычайно важно для изучения гравитации. Наблюдение ускоренного расширения Вселенной также имеет прямое отношение к фундаментальной физике. Когда Нобелевскую премию присудили за открытие двойного радиопульсара, формулировка гласила: «За проверку общей теории относительности». Считалось, что никто и никогда не получит премию за экзопланеты. Но это случилось, и это приятная неожиданность для многих астрономов.

Мы не имеем права оспаривать вручение Нобелевской премии: это частная премия, а решения принимает частная организация. Но очень радостно, что астрономам все-таки ее вручают, в том числе за достижения в космологии, и человечество не забывает, насколько это важная область науки. Возможно — и хочется так думать, — это увеличит число грантов на теоретические и экспериментальные астрономические исследования во всем мире.

Джим Пиблс действительно великий человек. Он один из первых космологов, которые участвовали в создании современной теоретической космологии. В СССР была большая теоретическая школа Якова Борисовича Зельдовича, которая внесла огромный вклад в ее развитие по разным направлениям. Группа Пиблса работала параллельно, и многие теоретические открытия и создание методов происходили почти одновременно. Несомненно, Джим Пиблс был среди первых ученых, работавших в релятивистской космологии.

Нельзя сказать, что Пиблс был главной фигурой в определенной области. Его суммарный вклад очень большой: это был целый веер статей во многих направлениях релятивистской космологии. Его основные работы включают изучение первичного нуклеосинтеза и генерации неоднородностей реликтового излучения. Он также работал с анализом крупномасштабных структур, в том числе с корреляционными функциями галактик, на которых сегодня основано изучение структуры Вселенной. Сама идеология современной космологической модели ?CDM (Lambda Cold Dark Matter), в которой Вселенная заполнена, помимо обычной барионной материи, темной энергией и холодной темной материей, была одним из тех направлений, которые он разрабатывал. Комбинация этих факторов делает Пиблса одной из наиболее заметных фигур в космологии. Кроме того, он написал три фундаментальные книги по физической космологии, что добавило ему популярности.

В формулировке Нобелевского комитета не упоминается конкретный вклад Пиблса в исследования реликтового излучения. Здесь он оказался не первым. Многие ссылаются на первую работу Пиблса, утверждая, что именно он предсказал существование космического фона. На самом деле группа Георгия Гамова сделала это почти за двадцать лет до него. Возможность наблюдать реликтовое излучение предсказали Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков в работе 1964 года, которая вышла в докладах Академии наук, за год до публикации открытия реликтового излучения. А работа Дикке, Пиблса, Ролла и Уилкинсона по этой же теме вышла позже, вслед за знаменитой статьей Пензиаса и Уилсона (в том же номере Astrophysical Journal), которые первыми пронаблюдали космический фон. Отметим, что среди работ школы Зельдовича (а среди ученых этой школы Игорь Новиков, Андрей Дорошкевич, Алексей Старобинский, Рашид Сюняев, Владимир Лукаш, Геннадий Бисноватый-Коган, Cергей Шандарин и многие другие) были исследования практически по всем направлениям эволюции Вселенной, с которыми также связаны работы Джима Пиблса.

В целом за такой широкий спектр разноплановых работ по космологии премии не давали, по крайней мере российским ученым. Обычно Нобелевскую премию вручали за подтвержденные результаты по космологии, такие как темная энергия, реликтовое излучение, неоднородности в реликтовом излучении и прочее. Например, в 2011 году Нобелевскую премию по физике вручили группе ученых за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения дальних сверхновых. А в этом году мы видим набор теоретических открытий. Конечно, Пиблс был среди первых, кто получил премию Грубера по космологии, поэтому можно было предположить, что его имя когда-нибудь появится в списках Нобелевского комитета. Но это все равно неожиданно. Пиблс, несомненно, заслуженный человек, но сама формулировка темы в Нобелевском комитете говорит, что награда дана по совокупности работ, то есть напоминает аналог почетного «Оскара».

Решение Нобелевского комитета дать вторую половину премии Кело и Майору за открытие экзопланеты тоже весьма необычно. Во-первых, это не совсем физика, а набор различных направлений, который, если можно так выразиться, очень сильно впечатлил публику. Действительно, многие астрономы стали ожидать, что именно эти исследования будут отмечены знаменитой премией, о чем и шли разговоры в кулуарах астроконференций. Работа Кело и Майора открыла окно в новую область — поиск и исследование экзопланет у солнцеподобных звезд. Важно понимать, что это была не первая экзопланета в истории науки: несколькими годами ранее была открыта экзопланета — хотя, если говорить точнее, кандидат в экзопланеты — у пульсара. Но 51 Пегаса b и последовавшая за ней череда новых открытий произвели на людей неизгладимое впечатление. Постоянно сыпались вопросы: почему не дают Нобелевскую премию за открытие экзопланет? Так что это решение, возможно, было продиктовано общественным резонансом.

Человеческое знание ценно само по себе. Это именно то, что придает смысл существованию нашей цивилизации и в дальнейшем поможет ее выживанию в космических катаклизмах различной природы. Причем два отмеченных Нобелевским комитетом направления астрономии играют в этих исследованиях главную роль.

Источник: postnauka.ru