Премия за космическую физику

Лауреатами Нобелевской премии по физике этого года стали канадско-американский ученый Джеймс Пиблз (James Peebles) из Принстонского университета, награжденный за «теоретические открытия в физической космологии» и швейцарские астрономы Мишель Майор (Michel Mayor) и Дидье Кело (Didier Queloz) из Женевского университета — за открытие первой экзопланеты на орбите вокруг солнцеподобной звезды.

 

Физическая космология

Джеймса Пиблза называют ключевым участником становления современной научной космологии в 1960-е годы, а его книга «Физическая космология» (первое издание – 1971 год, в 1975 году вышел русский перевод) вдохновила целое поколение физиков заняться развитием этой области не только путем теоретических соображений, но и с помощью наблюдений и измерений.

Пиблз стал первым, кто понял, что температура реликтового излучения несет информацию о том, сколько материи возникло в результате Большого взрыва, и что по характеристикам реликтового излучения можно реконструировать ход эволюции Вселенной в ранние эпохи ее существования. Его интересовало не только, как складывалась судьба атомов после большого взрыва, но и как отразилось развитие Вселенной в ее нынешней крупномасштабной структуре — скоплениях галактик. В 1960-х до Джеймса Пиблза это были две слабо связанные области: одни ученые пытались моделировать развитие Вселенной в результате Большого взрыва и искали информацию в только что открытом реликтовом излучении, другие исследовали доступные наблюдению галактики.

Он пришел к выводу, что особенности поведения атомов и фотонов после Большого взрыва могут объяснить, как формировались первые галактики. Для этого ему нужно было применить законы сразу нескольких областей физики: общей теории относительности, термодинамики и теории распространения света.

Историк физики Педро Феррейра рассказывает: «Вместе с Джер Ю, своим аспирантом из Гонконга, он написал полный набор уравнений, позволяющих проследить за эволюцией Вселенной от первых моментов после Большого взрыва до наших дней. Вселенная Пиблса начиналась с однородного горячего состояния, в котором практически отсутствовали импульсы, возмущающие изначальную смесь газа и света. Но по мере своего развития эти возмущения наталкивались на давление со стороны беспорядочной липкой плазмы, состоящей из свободных электронов и протонов. Вселенная шла волнами, как поверхность пруда, пока электроны и протоны не объединились друг с другом, сформировав водород и гелий. После этого наступила следующая стадия: атомы и молекулы стали собираться в группы, сжимаясь под действием силы тяжести, образуя рассеянные по пространству-времени крупицы массы и света. Это были возникшие после Большого взрыва галактики и галактические скопления. <…> Решая уравнения Вселенной как согласованное единое целое, Пиблс и Ю нашли новый мощный способ изучения общей теории относительности Эйнштейна: наблюдать, как галактики распределяются в пространстве, образуя крупномасштабную структуру Вселенной, и использовать эту информацию для построения модели начала и развития пространства-времени». После этого Джеймс Пиблз совершенствовал полученную модель по мере поступления новых данных из наблюдений — в первую очередь, о распределении галактик и их скоплений.

Еще одна проблема привлекала Пиблза. Еще в 1930-х годах астроном Фриц Цвики отметил, что скорость вращения галактик слишком велика для их массы. Такое расхождение между массой и скоростью обнаружила и Вера Рубин при наблюдениях Галактики Андромеды. Было совершенно непонятно, как при такой скорости вращения гравитационное притяжение центра галактики может удержать звезды. Совместно с Джереми Острайкером Пиблз опубликовал работу «A Numerical Study of the Stability of Flattened Galaxies: or, can Cold Galaxies Survive?» (1973). Они моделировали галактики в виде скопления частиц, связанных гравитационным взаимодействием. Но всякий раз получалось, что вращение галактики должно вызвать ее распад. Чтобы объяснить стабильность галактик, Пиблз и Острайкер предположили, что они должны быть погружены в «гало» — шарообразную область из материи, обладающей массой, но недоступной для наблюдения. При этом модели предсказывали, что масса такой материи («темной материи», как теперь ее называют) будет больше, чем масса видимой материи в галактике. Также Пиблз и Острайкер сформулировали условие, при котором в спиральной галактике образуется перемычка («бар») — скопление ярких звезд, пересекающее галактику в центре. Такая перемычка есть примерно у трети наблюдаемых спиральных галактик. Ученые установили, что перемычка возникает, когда соотношение кинетической энергии к общей гравитационной энергии галактики больше, чем 0,15 (критерий Острайкера — Пиблза).

С 1982 года Джеймс Пиблз начал работу над новой моделью эволюции Вселенной, которая учитывала наличие темной материи. Она известна как модель «холодной темной материи» (Cold Dark Matter, CDM). Независимо от него в том же году сходные концепции выдвинули Джон Бонд, Алекс Салаи, Майкл Тернер, Джордж Блюменталь, Х. Пагельс и Джоэл Примак. Реконструкцией эволюции отдельных галактик и их скоплений в рамках этой концепции занимались позже Марк Дэвис, Джордж Эфстатиу, Саймон Уайт и Карлос Фрэнк. «Холодная» в данном случае значит, что частицы этой темной материи движутся медленнее по сравнению со скоростью света. Частицы эти неофициально называют «вимпами» (WIMP от Weakly Interacting Massive Particle — «слабовзаимодействующая обладающая массой частица»). Создатели модели CDM полагают, что холодная темная материя составляет примерно 84,54 % вещества во Вселенной. Попытки экспериментального обнаружения вимпов начались в 2010-е годы.

Хотя модель с 1982 года подверглась значительным уточнениям (например, изначально Пиблз исходил из предположения о возрасте Вселенной в 7 миллиардов лет, тогда как современные данные показывают, что Большой взрыв произошел 13,799 ± 0,021 млрд лет назад). Тем не менее модель CLM сейчас наиболее широко принята в качестве объяснения того, как из однородной структуры после Большого взрыва возникла нынешняя крупномасштабная структура Вселенной со скоплениями галактик, разделенными областями незаполненного пространства. В современном виде эта модель учитывает еще и темную энергию и носит название ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter), поскольку темная энергия описывается в уравнениях гравитационного поля Эйнштейна космологической постоянной Λ.

 

Пегас 51b

6 октября 1995 года Мишель Майор и Дидье Кело на конференции во Флоренции объявили о своем открытии: они обнаружили планету у жёлтого карлика Пегас 51. В том же году вышла их статья в журнале Nature. Стоит упомянуть, что экзопланета Пегас 51b стала не только первой, найденной у звезды, похожей на Солнце, но и вообще первой из экзопланет, существование которых было подтверждено (сделали это в течение недели после сообщения об открытии Пол Батлер и Джеффри Марси из Обсерватории имени Джеймса Лика в Калифорнии, несколько позже сами открывшие пару экозопланет возле солнцеподобных звезд). Экзопланеты обнаруживали и раньше, первой в истории стала планета Гамма Цефея A b, которую открыли в 1988 году Брюс Кэмпбелл, Гордон Уолкер и Стефенсон Янг, но независимое подтверждение их открытия произошло лишь в 2002 году. Было еще несколько планет, открытых раньше, чем Пегас 51b, но опять-таки подтверждения их существования были получены позже.

Наблюдения, приведшие к открытию, Майор и Кело проводили в Обсерватории Верхнего Прованса (Observatoire de Haute-Provence), расположенной примерно в ста километрах к северо-востоку от Марселя, при помощи спектрографа ELODIE. Объектом их наблюдений стала солнцеподобная звезда Пегас 51 (масса — 1,2 Солнца, радиус — 1,02 Солнца, светимость — 1,05 Солнца, температура — 5790 кельвинов), находящаяся на расстоянии 48,9 светового года. Они отметили изменения радиальной скорости звезды Пегас 51, которая, как оказалось, совершала покачивания с периодом 4,23 суток. Эти покачивания вызывала обращающаяся вокруг звезды планета. Из-за орбитального движения планеты звезда смещалась в сторону относительного их общего центра масс, а это вызывало доплеровское смещение в доходившем до наблюдателей свете звезды.

Открытая планета находится очень близко от своей звезды, всего в восьми миллионах километров (расстояние от Солнца до Земли — 150 миллионов километров). То есть к звезде Пегас 51 эта планета расположена не только ближе, чем Земля к Солнцу, но даже ближе, чем Меркурий. Она оказалась газовым гигантом, подобным Юпитеру. До открытия планеты Пегас 51b астрономы даже теоретически не предполагали, что планеты-гиганты могут существовать на короткопериодических орбитах. Когда же о ней стало известно, поиски таких планет немедленно активизировались и принесли значительные результаты. Позже экзопланеты подобного типа были названы «горячими юпитерами». В свою очередь, это стало причиной пересмотра существовавших теорий формирования планет. Так что открытие Майора и Кело — это не просто обнаружение одной экзопланеты, пусть даже и первой в своем типе, а значительный импульс для развития астрономии.

На этой планете действительно очень жарко, температура там составляет примерно 1284 кельвинов.Масса планеты Пегас 51b составляет примерно половину массы Юпитера или около 150 масс Земли. Значительная масса планеты препятствует тому, чтобы солнечный ветер со звезды сдувал ее атмосферу. Исследователи полагают, что радиус Пегаса 51b больше, чем у Юпитера, несмотря на меньшую массу, из-за раздувания перегретой атмосферы. В 2015 году астрономы Европейской Южной обсерватории в Чили смогли провести спектральное исследование планеты Пегас 51b в видимом диапазоне.

Обсудите с коллегами

14:00

В загадочных случаях детского паралича обвиняют энтеровирус

13:00

Рекорд громкости брачных криков у птиц составил 125 децибел

12:00

После реставрации публика увидела картину флорентийской художницы XVI века

11:00

Ирландцы хотят вернуть останки Джеймса Джойса на родину

21.10

Впервые обнаружен иммунный ответ при аутизме

21.10

Австралийцы сомневаются, применять ли вирус герпеса для борьбы с карпами

Как подчинить вихри Джозефсона