Как появилась Вселенная, а в ней — экзопланеты

В физической номинации Нобелевской премии победили астрономы

Нобелевская премия по физике в 2019 году стала самой космической и самой разноплановой из тех, что вручались за последние годы. Ее получили теоретик Джеймс Пиблс за «исследования в физической космологии» и астрономы Мишель Майор и Дидье Кело — «за открытие экзопланеты на орбите солнцеподобной звезды». Работы лауреатов относятся к очень разным областям того, что можно назвать «астрофизикой в самом широком смысле слова». Мы поговорили с ведущими российскими астрономами и космологами и попросили их объяснить, какую роль сыграли эти открытия в нашем понимании устройства Вселенной и чем занимался каждый из нынешних лауреатов.

Джеймс Пиблс — премия за теоретические исследования в физической космологии

Валерий Рубаков, космолог, академик РАН, заместитель директора Института ядерных исследований РАН

Если вернуться в то время, когда появились первые значимые работы нынешнего лауреата, космология была довольно сильно оторвана от наблюдательных данных. Просто потому, что этих данных тогда было очень мало — теория далеко обгоняла практику. Сейчас многие из сделанных в то время предсказаний теоретиков уже подтвердились, но тогда космология была прежде всего областью теоретиков.

Среди вопросов, которые особенно волновали космологов, был, например, вопрос образования структуры во Вселенной — как и почему в результате Большого взрыва могли возникнуть галактики и их скопления, как из маленьких флуктуаций в процессе расширения получились такие сложные структуры, которые мы наблюдаем сейчас.

Второй вопрос, который на самом деле тесно связан с первым, — это свойства реликтового излучения, открытого в 1965 году радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном. Когда его удалось обнаружить, теоретики занимались расчетом того, какие у этого излучения должны быть свойства и что они говорят о происхождении Вселенной.

В частности, очень важно было понять, как распределена температура реликтового излучения на небе. Сейчас мы знаем, что она очень однородна, почти одинакова во всех направлениях, куда бы мы ни посмотрели — но все-таки почти, а не полностью. Эти неоднородности были открыты только в 1992 году, но теоретики предсказывали их существование гораздо раньше. Кстати, относительно недавно телескопом «Планк» была получена рекордно подробная карта этого излучения и предсказания теоретиков были подтверждены с очень высокой точностью.

В то время, то есть в период между серединой 1960-х и серединой 1970-х, в мире были две наиболее значимые группы, чьи работы во многом и определили, как сегодня устроена космология. Эти теоретики смогли понять, что именно нужно искать в наблюдениях и как правильно интерпретировать эти результаты. Это была команда Джеймса Пиблса и команда Якова Зельдовича, в которую в том числе входил Рашид Сюняев. Так как коммуникации в то время были по понятным причинам затруднены, эти две группы в значительной степени работали независимо, и поэтому получали довольно много параллельных результатов.

Например, была замечательная работа тройного авторства — Зельдовича, Сюняева и Владимира Курта. Очень важная работа для понимания того, как образовалось реликтовое излучение. Зельдович и Сюняев тогда оба были невыездные, но эта работа была упомянута на одной из конференций в США нашими учеными. Подробности расчетов там не были приведены, насколько я понимаю, они лишь упоминались, но Джеймс Пиблс смог их воспроизвести и разработать. В книге другого нобелевского лауреата, Стивена Вайнберга, даже есть глава «Вычисление Пиблса», где приведено то самое вычисление, которое в свое время проделали Зельдович, Курт и Сюняев. То, что премию сегодня получил именно Пиблс, а не, скажем, Сюняев — это решение комитета, я к нему отношусь спокойно. Нобелевскую премию редко дают по совокупности работ, но, мне кажется, это как раз такой случай.

Сергей Попов, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга

Джеймс Пиблс внес вклад в очень разные разделы космологии. Он например, был одним из ключевых соавторов работы 1965 года, позволившей теоретически объяснить свойства открытого тогда реликтового излучения. Он сделал очень много для теоретического понимания свойств крупномасштабной структуры Вселенной — вопроса о том, почему галактики и их скопления распределены в космосе так, а не иначе. Другие его работы позволили прояснить, как первичные элементы могли появится во Вселенной после Большого взрыва.

Фактически, из четырех столпов современной космологии — реликтового излучения, крупномасштабной структуры, первичного нуклеосинтеза и динамики Вселенной — по крайней мере три области нельзя представить без его работ. Среди космологов-теоретиков он, безусловно, входит в когорту самых-самых лучших, но почему сегодня выбран именно он — это сложный вопрос. С такой общей формулировкой премию могли получить многие.

Мишель Майор и Дидье Кело — премия за открытие экзопланеты на орбите солнцеподобной звезды

Александр Родин, Руководитель Лаборатории прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ

Мощь того открытия, что сделали Майор и Кело, заключается в том, что они наглядно показали, как можно искать экзопланеты методом лучевых скоростей.

Работает этот метод следующим образом. Когда астрономы говорят, что «планета вращается вокруг своей звезды», на самом деле имеется ввиду, что и планета, и звезда вращаются вокруг общего центра масс. Движение звезды, в отличие от планеты, конечно, гораздо меньше по амплитуде и скорости, но и его, оказывается, тоже можно измерить.

Детектируют это движение с помощь эффекта Допплера — то есть по смещению оттенка света, который излучает звезда. Если у нас есть достаточно чувствительная аппаратура, которая такие смещения в спектре излучения позволяет видеть, то мы можем фиксировать даже очень небольшие изменения в скорости, вплоть до десятков метров в секунду.

Такая чувствительность уже позволяет обнаруживать экзопланеты. Понятно, что чем большую массу имеет планета и чем меньше ее орбита, тем смещения орбиты будут заметнее. Поэтому неудивительно, что первая планета, которую удалось найти Майору и Кело — 51 Пегаса b — была массивнее Юпитера, а ее орбитальный период при этом составлял чуть больше четырех земных суток. Впоследствии оказалось, что существует целый класс подобных планет, и в первые годы преимущественно только такие планеты и открывали. Конечно, не потому, что их больше всего, а потому, что их проще всего найти.

Сейчас значительную часть экзопланет открывают другим методом — методом транзитов, который основан на падении блеска звезды, когда по ее диску проходит планета. Это интересный подход, который иногда позволяет даже узнать состав атмосферы, но он применим только в тех редких случаях, когда и планета, и ее звезда, и мы, наблюдатели, находимся на одной прямой. Но этот метод менее универсален, чем то, что реализовали Майор и Кело.

Для меня немного удивительно, что Нобелевскую премию по физике в этот раз дали астрономам. Хотя среди нобелевских номинаций специальной астрономической номинации нет, нельзя не отметить, что и космология, и изучение экзопланет — то есть в чистом виде наблюдательная астрономия, — это все-таки отдельные от физики науки.

Я думаю, что это, с одной стороны, свидетельствует о кризисе физики как классической «царице наук» XX века. А с другой стороны, это же говорит о ее триумфе — потому что сегодня ни одна из научных дисциплин без нее существовать не может. В этом смысле сейчас все — в том числе и астрономия — стало физикой.

Сергей Попов, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга

Этим выбором я был очень приятно удивлен. Потому что есть мнение, что обнаружение экзопланет — это чисто астрономическое открытие, которое к «большой физике» как бы и не имеет отношения. В то же время это, безусловно, второе за полвека крупнейшее открытие в нашей области. И поскольку за первое («более физическое») открытие — доказательство ускоренного расширения Вселенной — премию уже дали, то казалось, что за экзопланеты сейчас Нобеля точно не дадут. Хорошо, что я ошибся.

Такие открытия всегда сложно с чем-то сравнить. Даже с пресловутым открытием Америки их сопоставить не получится, потому что до того, как оно произошло, люди вообще-то знали, что бывают другие континенты, что существуют та же Африка или Азия. А про экзопланеты до открытия Майора и Кело мы вообще принципиально ничего не знали. И когда это, наконец, произошло, нам открылся новый мир.

Мы не понимали, да и сейчас не очень хорошо понимаем, как образовалась наша собственная Солнечная система. Но теперь, благодаря тому, что мы можем наблюдать множество других планетных систем на разных стадиях эволюции, мы гораздо лучше знаем, что происходит, когда планеты формируются, как они эволюционируют и что с ними происходит. И в конечном счете планируем найти на них жизнь. Первый большой шаг на этом пути — это работа Майора и Кело.

Как ни посмотри, то, что сделано сегодняшними лауреатами — это большое достижение: это был прорыв и в техническом плане, и в фундаментальном. Майор и Кело фактически открыли новое окно во Вселенную — то есть развили методику, которая потом позволила обнаружить огромное количество объектов, о существовании которых до тех пор было ничего не известно. Такое «два в одном» редко бывает — когда люди создали новую наблюдательную методику, а затем сами же с ее помощью обнаружили что-то фундаментально новое.

А какая-то практическая польза от всех этих открытий есть?

Нет. Это просто красиво.

Александр Ершов, Павел Мерзликин