Somon yo‘li markazidagi qora tuynukni kashf qilgan olimlarga Nobel mukofoti berildi. Ular buni qanday uddaladi?

Nobel qo‘mitasi Penrouzga “qora tuynuklarning paydo bo‘lishi umumiy nisbiylikning bashorat qilishini kashf qilgani” uchun, Gensel va Gez esa “bizning galaktikamiz markazida o‘ta massiv ixcham obyekt topgani” uchun mukofot topshirdi. Rossiya Fanlar akademiyasining Amaliy fizika instituti xodimi va @physh ilmiy-ommabop Telegram kanal muallifi fizik Artyom Korjimanov nazariyotchi va kuzatuvchilarning ishlar bir-biriga qanday bog‘langani va Somon yo‘li markazida ushbu “o‘ta massiv obyekt”ni ko‘rish imkoniyati haqida hikoya qiladi.

Ketma-ket ikkinchi yildirki, sovrin astrofizikadagi yutuqlar uchun topshirilmoqda – o‘tgan yili kosmologiya sohasidagi yutuqlar va uzoqdagi yulduzlar atrofida aylanib yurgan sayyoralarni kashf qilinishi nishonlangan edi. Bundan tashqari, uch yil oldin laureatlar qatorida qora tuynuklarning birlashishidan hosil bo‘ladigan tortishish to‘lqinlarini ro‘yxatdan o‘tkazgan astrofiziklar bo‘lishganini esga olish mumkin.
Ushbu ishlarning yana bir o‘ziga xos xususiyati shundaki, ular ancha yil avval nashr etilgan edi. Penrouzning asos bo‘luvchi birinchi maqolasi 1965-yilga to‘g‘ri keladi. Olim ikki oy oldin maqolaning 89 yilligini nishonladi. Qolgan ikki laureat yoshroq bo‘lishiga qaramay, ularning mukofotlangan kuzatuvi 1990-yillarda amalga oshirilgan edi.
Shunga qaramay, qora tuynuklar mavjudligini nazariy bashorat qilish va ushbu dastlabki taxminiy narsalarga xos bo‘lgan barcha xususiyatlarga ega kosmik obyektlarni bevosita kuzatish, shubhasiz, astrofizikaning eng muhim yutuqlaridan biri bo‘lib, yuksak mukofotga sazovor bo‘ldi. Ushbu yutuqqa har bir sovrindor qanday hissa qo‘shdi?
Rojer Penrouz 1960-yillar o‘rtalarida bir qator kuchli matematik ishlarga ega edi va London universiteti Birkbek kollejida amaliy matematika professori maqomiga ko‘tarildi. 1964-yilda u mashhur fazogir Jon Uilerdan qora tuynuklar va ularning matematik muammolari haqida bilib qoldi va u shu ish bilan shug‘ullanishni boshladi.
Umuman olganda, obyektlar mavjudligi g‘oyasi shunchalik ulkanki, hatto yorug‘lik ularni tortish kuchini yengib o‘tolmaydi va zamonaviy fizika me’yorlariga ko‘ra u ancha eski. XVIII asrda uni ingliz Jon Mishel va fransuz Per-Simon Laplas mustaqil ravishda ifoda etdi. Ammo ularning fikri Nyuton qonunlariga asoslangan bo‘lib, keyinchalik ma’lum bo‘lganidek, yorug‘lik va o‘ta massiv jismlarga taalluqli emas edi.
Albert Eynshteyn har qanday massadagi jismlar va yorug‘lik uchun to‘g‘ri tortishish nazariyasini yaratdi. Ushbu nazariya umumiy nisbiylik nazariyasi (UNN) deb ataladi. Hozir u tortishishning asosiy nazariyasi deb hisoblanadi va u alohida kosmik jismlar va butun koinotni tasvirlashda keng qo‘llaniladi. 1916-yilda allaqachon ushbu nazariyaning tenglamalari uchun Karl Shvartsshild eng oddiy qora tuynukni tavsiflovchi matematik yechimni qo‘lga kiritdi.
Keyingi yillar davomida ushbu sohada yaxshi yutuqlarga erishilgan bo‘lsa-da, qora tuynuklar mavjudligi hech kimni qiziqtirmadi. Ammo ularning asosiy zaifligi shundaki, ularning barchasi eng sodda idealizatsiya qilingan holatlarda olingan edi va ko‘plab olimlar haqiqatda qora tuynuk paydo bo‘lishi mumkin ekaniga shubha qildi.

1960-yillar boshlarida kvazarlar deb nomlangan g‘aroyib kosmik jismlar topildi. Ularning yorqinligi, astronomlarning fikriga ko‘ra, minglab galaktikalarning yorqinligidan oshiq bo‘lishi kerak edi. Biz ularni maxsus jihozlarsiz ko‘ra olmasak ham bu faqat ular Yerdan uzoq masofada koinotning chetiga yaqinroq joyda joylashgani sababli sodir bo‘ladi. Bundan ko‘rinib turibdiki, kvazar singari yorqin jism oddiy yulduz emas edi.
Bunda bitta sabab bor – yulduz qanchalik yorqin bo‘lsa, uning umri shunchalik qisqa bo‘ladi. Katta va yorug‘ yulduz juda tezlik bilan butun termoyadroviy yonish uchun zarur bo‘lgan vodorod zaxirasini yoqib yuboradi. Kvazarning yorqinligi bilan “tirik” yulduzni topish umuman imkonsiz bo‘lar edi, shuning uchun kvazarlarning fenomenal yorqinligini tushuntirish uchun bir gipoteza ilgari surildi, unga ko‘ra, kvazarlar aslida o‘ta katta qora tuynuklardir. Atrofdagi moddani so‘rib olish orqali ular ushbu modda energiyasining bir qismini yorqin nurlanish oqimlari shaklida chiqaradi.
Aynan mana shu gipoteza sababli olimlar qora tuynuklarning paydo bo‘lish ehtimoli yanada qat’iy matematik asoslash muammosiga qaytdi va buni hal qilishga Rojer Penrouz muvaffaq bo‘lgan edi. Zukko matematik apparatdan foydalanib, u Eynshteynning umumiy nisbiylik nazariyasi tenglamalarida haqiqatan ham ideal sharoitlardan uzoq bo‘lsa ham qora tuynuklar paydo bo‘lishini tavsiflovchi yechimlar borligini ko‘rsatdi.Ushbu dalillar kvazarlarni kuzatish bilan birgalikda, aksariyat astrofiziklar bunday ekzotik jismlar mavjudligiga ishonch hosil qildi, bu yaqinda tortishish to‘lqinlarini kuzatish bilan yana bir bor tasdiqlandi. Darhaqiqat, “qora tuynuk” atamasining o‘zi ushbu ishlardan keyingina kuchga kirdi.
Kvazarlar kashf etilganidan ko‘p o‘tmay, ulkan qora tuynuklar nafaqat ba’zi uzoq galaktikalarda, balki ularning deyarli har birining markazida ham mavjud, degan faraz ilgari surildi. Shu bilan birgalikda, biz yashaydigan galaktika – Somon yo‘lida ham. Ularning massasi kvazarlarniki singari unchalik katta emas, ular atrofdagi moddalarni bunday tezlikda o‘ziga yutmaydi, shuning uchun ularni oddiy kuzatish bilan ko‘rib bo‘lmaydi. Ammo ularni qanday qilib topish mumkin?
Yaqin vaqtgacha teleskoplarning hal qiluvchi kuchi hatto eng katta qora tuynuklar atrofini ham to‘g‘ridan to‘g‘ri ko‘rishga urinish uchun yetarli emas edi.O‘tgan yili Event Horizon teleskopi tarmog‘ining ishga tushirilishi bilan nihoyat “qora tuynuk soyasi” tasvirini olish imkoni paydo bo‘ldi.
Raynxard Gensek va Andrey Gez boshchiligidagi olimlar guruhi Somon yo‘limizdagi qora tuynukni topdi, bunda ular boshqacha yo‘l bilan – bilvosita harakat qildi, ammo bu ishonchli harakat edi. Ular galaktikamiz markazidan uzoq bo‘lmagan joydagi yulduzlar aylanish tezligini o‘lchashga qaror qildi. Tarixiy sabablarga ko‘ra, astronomlar ushbu markazni A o‘q (“Yulduzli A o‘q”) deb atadi.
Agar unda unga nisbatan kichikroq massa bo‘lsa, atrofida aylanayotgan yulduzlarning tezligi shuncha past bo‘ladi. Bu Keplerning taniqli qonunlaridan va intuitiv ravishda Quyosh tizimidagi sayyoralarning markazdan atrofga o‘tishda tezligi qanday kamayganidan kelib chiqadi. Agar Somon Yo‘lining markazida ixcham narsa bo‘lmasa va butun massa katta hajmga taqsimlangan bo‘lsa, u holda yulduzlarning tezligi masofaga qarab butunlay boshqacha tarzda o‘zgargan bo‘lar edi.

Ushbu kuzatuvlarning birinchi muammosi galaktika markazida juda ko‘plab yulduzlar va yulduzlararo gaz va changlar mavjudligi edi. To‘g‘rirog‘i, bu markaz juda yomon ko‘rinadi. Kuzatuvlarni ko‘rinadigan nurda emas, balki infraqizil diapazonda o‘tkazish orqali bu muammoni hal qilish mumkin edi – bunday to‘lqinlar yulduzlararo materiya tomonidan ancha zaifroq yutiladi (lekin afsuski, atmosfera tomonidan yaxshi singib ketadi, bu ularni kuzatishni qiyinlashtiradi).
Yana bir muammo yulduzlarning osmondagi harakati juda sekinligi edi. Tabiiyki, ularni tezligini o‘lchash va ularni kuzatish juda ko‘p vaqt talab etadi. Bu kuzatuvlar mashhur Habbl teleskopi kabi uskunalar orqali amalga oshiriladi, boshqa kuzatuvlar ham vaqt talab etadi. Shu sababli ular yerdagi teleskoplardan foydalanishlari zarur edi.
Ammo yerdagi teleskoplarda ham bir nechta noxush holatlar mavjud – ularga Yer atmosferasi xalal beradi. Astronomlar osmondagi kichik bir jismini ko‘rish vaqtida shamol yoki notekis isish sababli kelib chiqqan havo tebranishlari tasvirni buzib yuboradi. Aynan mana shu texnik muammolarni hal qilinishi Gensel va Gez guruhiga Nobel mukofoti keltirgan kashfiyotga sabab bo‘ldi.
Birinchidan, Somon yo‘lining markazida joylashgan ulkan qora tuynukning aniq tasvirini olish uchun Gensel va Gez qisqa ta’sir qilish vaqtidan foydalandi, ya’ni kamera linzalarini bir soniya ichida ochishdi. Shu vaqt ichida kameraning plyonkasiga kam miqdorda yorug‘lik tushdi, shu sababli unga maxsus yuqori sezgir detektor o‘rnatilgan edi.
Ikkinchidan, havo harakati tufayli yulduzlarning turli xil suratlardagi tasvirlari bir-biriga nisbatan siljigan, shu sababli astronomlar ularni tekislashning maxsus ishlab chiqilgan usulini qo‘lladi, bu ularni asl holatini tiklashga imkon beradi.
Nihoyat, uchinchidan, ikkala guruh ham bir necha yil davomida o‘z o‘lchovlarini mustaqil ravishda amalga oshirdi. Gensel Chilida La Silla rasadxonasida, Gez esa Gavayida Kek rasadxonasida. Keyin ular o‘z kuzatuvlarini taqqosladi va natijalar o‘rtasida mukammal o‘xshashlik kuzatildi. Yulduzlarning tezligi ideal ravishda Kepler qonunlariga to‘g‘ri keldi, bu galaktika markazida o‘ta katta massaga ega ixcham obyekt mavjudligining isboti edi.
Keyinchalik, murakkab usullardan foydalangan holda olib borilgan kuzatishlar faqat dastlabki xulosalarni tasdiqladi va qo‘shimcha ravishda, bu ulkan jism haqiqatan ham qora tuynuk ekani uchun yanada kuchliroq isbot bo‘ldi.

Xususan, 1992-yilda, S2 yulduzi kashf qilindi, u atigi 16 yil ichida markaz atrofida to‘liq aylanib chiqdi. Ya’ni Somon yo‘li markazini kuzatish paytida u allaqachon birdan ortiq aylanish amalga oshirishga muvaffaq bo‘ldi. Ma’lum bo‘lishicha, uning harakatini Nyuton qonunlari bilan ta’riflab bo‘lmaydi, lekin u Eynshteynning umumiy nisbiylik nazariyasiga juda mos keladi, bu galaktika markazida o‘ta ixcham jism mavjudligini ko‘zda tutadi.
Yuqorida aytib o‘tganimizdek, o‘tgan yili tom ma’noda teleskoplarning butun tarmog‘i yordamida astronomlar A o‘q * ning yaqin atrofini ko‘rishga muvaffaq bo‘ldi va ularning qiyofasi juda katta qora tuynukdan kutilgan narsaga haqiqatan ham to‘g‘ri kelishini ko‘rsatdi.
Qora tuynuk – koinotdagi eng ekzotik narsalardan biridir. Lekin ularni nafaqat biror jism, hatto yorug‘lik ham tark eta olmagani bilan qiziqarli. Fiziklar uchun, avvalambor, ba’zida hal qilinishi qiyin bo‘lgan juda ko‘p sonli paradokslar ularning nazariyasi bilan bog‘liqligi qiziq: bu jismlar, olimlarning fikriga ko‘ra, zamonaviy fizik nazariyalar o‘z faoliyatini to‘xtatadigan va ularni to‘liq tavsiflash uchun mutlaqo yangi nazariya – kvant tortishish kuchini yaratish kerak bo‘lgan jismlardir. Bunday nazariya yulduzlar dunyosini boshqaradigan jismlarning mikrodunyosi, kvant fizikasi va tortishish kuchi qonunlarini birlashtiradi.
P.K. Shtenberg nomidagi davlat astronomik instituti yetakchi ilmiy xodimi va neytronli yulduzlar bo‘yicha mutaxassis Sergey Popov:
“Bu yilgi Nobel mukofoti uch marotaba hayratlanarli. Birinchidan, astrofiziklarga mukofot ketma-ket ikkinchi yil topshirildi. Astrofiziklarga bu mukofot kamdan-kam hollarda beriladi va kutilmaganda bu sohaning ketma-ket Nobel olishi juda ajablanarli.
Meni hayratga solgan ikkinchi narsa shuki, Nobel qo‘mitasi o‘zining tarixi davomida ko‘rsatgan konservatizmdan chiqib ketdi: tajriba o‘tkazuvchilar biron bir muhim masala bo‘yicha aniqlikka erishgani uchun mukofotlarga sazovor bo‘ldi va nazariyotchilar faqat ularning bashoratlari tajriba yoki kuzatuvda juda ishonchli qayd etilgan taqdirdagina mukofotlarga sazovor bo‘ldi. Ammo qora tuynuklar, ta’rifga ko‘ra, bunday shartlarni bajarish juda qiyin yoki hatto imkonsiz bo‘lgan maydon sanaladi. Raynxard Gensel va Andrey Gez “galaktikaning markazida supermassiv ixcham obyekt”ni kashf etgani uchun hozirgi mukofotga sazovor bo‘ldi – hatto “qora tuynuk” atamasi ham asl formulada mavjud emas.
Dunyodagi astrofiziklarning 99,9 foizi bu qora tuynuk ekaniga amin bo‘lishiga qaramay, bizda hali ham ushbu jism uchun ufq borligi to‘g‘risida to‘g‘ridan-to‘g‘ri dalillar mavjud emas. Bundan ham aniqrog‘i, ufq ostida, ichida o‘ziga xoslikning mavjudligi. Hozir biz Penrouz ishiga o‘tamiz. Yarim asrdan ko‘proq vaqt oldin Penrouz umumiy nisbiylik doirasidagi qora tuynuklarning ichki tuzilishiga oid bir necha asosiy teoremalarni isbotladi, ammo matematik kuzatilmagan (to‘g‘ridan-to‘g‘ri) bo‘lmagani uchun mukofot olgani va biz kuzatishga imkonimiz yo‘qligi ajablanarli holat.
Va nihoyat, meni ajablantirgan uchinchi holat bu – yana bir jihatda konservativ qarashlardan voz kechilgani bo‘ldi. Olimlar turli xil narsalarga nisbatan g‘ayritabiiy qarashlarni qabul qilishlari odatiy holdir, ammo Nobel qo‘mitasi o‘z faoliyati davomida har qanday qat’iy konservativ bo‘lmagan qarashlarning tarafdorlari sifatida tanilgan odamlarga mukofot berishdan saqlanib qoldi. Bu yerda yorqin misol, astrofizikada juda katta xizmat ko‘rsatgan va o‘limigacha muhim raqib deb hisoblangan Fred Xoyldir.
Biroq “Katta portlash” atamasi muallifi sifatida u ushbu kosmologik modelga qarshi bo‘lgan edi va ko‘pchilik shu sababli u mukofotni olmagan deb hisoblaydi. Ular unga Nobel mukofoti sovrindori maqomi kabi “og‘iz” berishni xohlamadi. Bu yerda ham Nobel qo‘mitasi o‘zining qadimiy-konservativ usulidan chiqib, Penrouzni mukofotga loyiq ko‘rgani ahamiyatlidir. Axir u juda taniqli nazariyotchi bo‘lsa-da, oddiy odamlar orasida ko‘proq ilmiy-ommabop kitoblarning muallifi sifatida tanilgan bo‘lib, unda u bir oz g‘ayrioddiy g‘oyalarni (ong va kosmologiya tabiati to‘g‘risida) himoya qiladi.
Rojer Penrouz hayotida juda boshqacha ishlarni qildi va ularning hammasi ham qora tuynuklar bilan bog‘liq emas edi. Eng mashhurlaridan biri bu davriy bo‘lmagan yo‘lka yoki “Penrouz tovuqlari” bo‘lib, tadqiqotchi uni hali ham “haqiqiy matematik” deb atash mumkin bo‘lganda ixtiro qilgan edi. U faqat ikkita kerakli raqamga ega bo‘lgan holda, cheksiz yo‘lakchani yaratishi mumkinligini ko‘rsatdi, u cheksizligiga qaramay, hech qayerda takrorlanmaydi – bu juda noan’anaviy kashfiyot, masalan, kvazikristallar nazariyasi uchun juda muhimdir.
Ammo ilmiy-ommabop adabiyot o‘quvchilari orasida hozirgi laureat hattoki shu bilan emas, balki uning ong haqidagi o‘ta ekzotik (shunchaki psevdoilmiy) qarashlari bilan tanildi. Umuman olganda, ongning subyektiv tabiati yoki faylasuflar aytganidek, “qiyin muammo” – so‘nggi o‘n yilliklarda ko‘plab mualliflar uchun diqqat markaziga aylandi, ularning hammasi ham umuman fan bilan bog‘liq emas. Bu sohada Daniel Dennett, Jon Siarl, Tomas Metzinger, Syuzan Blekmor kabi har yilgi Arizona ong konferensiyasida doimiy qatnashchilar atrofida Penrouz o‘zining uzoq yillik hammuallifi, amerikalik anesteziolog Stuart Xamerof bilan birgalikda ehtimol eng radikal va ekzotik pozitsiyani egalladi.
Penrouzning fikriga ko‘ra, inson ongi shu qadar murakkab narsaki, uni neyronlar, sinapslar va umuman har qanday “dunyoviy” ilmlar bilan izohlab bo‘lmaydi, shuning uchun bu yerda ilmdan iloji boricha ekzotik tarzda foydalanish kerak. Umuman ong qanday paydo bo‘lishini tushuntirish uchun Penrouz Gyodelning to‘liqsizligi teoremasi, kvant sikli tortishish kuchi va hujayra ichidagi mikrotubulalar (bu tortishish ba’zi sabablarga ko‘ra yaxshi yashaydi) va boshqa ko‘p narsalardan foydalanadi.
Bularning barchasi agar unchalik mashhur bo‘lmagan olim tomonidan ifoda etilgan bo‘lganida, oddiy yolg‘onshunoslikka yo‘yilar edi, ammo xayriyatki, Penrouz fantastik farazlarga qaramay, har qanday qat’iy dogmatizmga mutlaqo begona bo‘ldi. Hatto mashhur kitoblarida ham u o‘quvchilarni ularga singdirish o‘rniga muammolarni ko‘taradi va ekzotik gipotezalarni muhokama qiladi. “Qiyin muammo” sohasida hanuzgacha kelishuvga ishora bo‘lmagach, har qanday nazariyalar, xoh ekzotik fizika, xoh “oddiy” fiziologiya bilan bog‘liq bo‘lsin, bir-biriga teng huquqli hisoblanadi.
Va nihoyat, astrofizika uchun mamnun va ajablangan tarzda Stiven Hoking hech qanday mukofot olmagani uchun biroz xafa bo‘laman. U haqda ham xuddi shu balandparvoz so‘zlar aytilgan edi: ulkan hissa qo‘shgan, ammo modellari hali kuzatuvlarda tasdiqlanmagan nazariyotchi. Shuning uchun ko‘pchilik ishonganidek, Hoking Nobel mukofotiga da’vo qila olmaydi. Ammo endi Penrouz mukofotni olgani, mening fikrimcha, Hoking ham agar u tirik bo‘lganida, uni olishi mumkinligini isbotlaydi.