Share This Post

Нобелевка-2019: такая странная премия

экзопланеты

Вроде бы экзопланеты и реликтовое излучение — дело нужное и выбор кандидатов очевиден. Но мы покопались в вопросе поглубже и выяснили, что на самом деле выбор Нобелевского комитета по физике был довольно странным. Об этом в статье Александра Березина в Naked-science.

Нобелевский комитет присудил премию по физике Джеймсу Пиблсу — за вклад в космологию, Мишелю Майору и Дидье Келозу — за открытие якобы «первой экзопланеты» (ниже мы покажем, что это не так). Попробуем присмотреться к премиям повнимательнее.

Определил ли Пиблс основу космологии

Из формулировок Нобелевского комитета в этом году сложно понять, почему первая часть премии ушла Джеймсу Пиблсу. Пресс-релиз объясняет выбор просто: за «теоретические открытия в области космологии». Но какие именно? Релиз cкуп на детали: «Его теоретическая структура, разработанная им с середины 1960-х, — основа наших современных идей о космологии».

Яснее не стало. Наши современные идеи о космологии основаны на представлении о Большом взрыве, после которого Вселенная расширялась под действием таких ключевых факторов, как темная материя (замедляет расширение) и темная энергия (ускоряет расширение). Пиблс не причастен к открытию любого из этих явлений.

Когда релиз Нобелевского комитета загадочен, стоит взглянуть на сопроводительный документ, где вклад нобелиата описывается с техническими деталями. Такой документ есть и в этом году, но он тоже не особо проясняет обстановку. В нем сказано: в 1965 году Пензиас и Уилсон открыли в ходе наблюдений реликтовое излучение, открытие было «неожиданным». Только за счет контактов с теоретиками, включая Пиблса и его научного руководителя Дикке, астрономам удалось понять, что они вообще наблюдали.

Реликтовое излучение: первое подтверждение Большого взрыва

Чтобы понять значение открытия реликтового излучения, следует вспомнить, как его вообще предсказали. Сделал это Георгий Гамов, советский физик-невозвращенец. В 1948 году он высказал гипотезу, что Вселенная в момент Большого взрыва была не просто плотной, но и очень горячей. Горячей настолько, что вначале все пространство было заполнено плазмой — средой, где нет нейтральных атомов — лишь ионизированный газ. Он поглощает фотоны, поэтому в самом начале никакое излучение во Вселенной распространяться в принципе не могло.

Спустя некоторое время — теперь мы знаем, что это было через 380 тысяч лет после Большого взрыва — температура понизилась достаточно, чтобы появилось много нейтральных атомов водорода, а содержание плазмы в пространстве сильно упало. Однако газ все еще был весьма горячим по современным меркам, поэтому продолжал излучать. Вот это-то самое первое излучение и называют «реликтовым».

Важность идеи Гамова о реликтовом излучении огромна. До него идея Большого взрыва была умозрительной, неопровержимой, но и недоказуемой за отсутствием таких физических последствий взрыва, которые можно было бы наблюдать в наше время.

Расширение Вселенной уже было известно, но к нему могли вести самые разные сценарии: и «холодной» Вселенной, и даже Вселенной «стабильного состояния». Дело осложнялось тем, что концепция возникновения Вселенной в какой-то момент в прошлом противоречила долгой истории физических представлений о ее вечности и неизменности. Многие физики первой половины XX века жаловались, что идея «возникновения Вселенной» вносит в науку религиозные представления.

Особенно острыми эти тезисы были потому, что один из основоположников концепции Большого взрыва, Жорж Леметр, был католическим священником, не скрывавшим, что верит в сотворение Вселенной Богом. Многие физики типа Артура Эддингтона прямо говорили, что идея «начала времен» (Большого взрыва) для них «невыносима». Все это означало, что сама по себе концепция Большого взрыва победить не могла: она противоречила воззрениям, типичным для большинства физиков того времени.

Нужен был сильный импульс, чтобы поломать подобное предвзятое, не имеющее научных корней, но, как это часто бывает, крайне живучее иррациональное отношение к гипотезе Большого взрыва.

Открытие реликтового излучения было самым мощным и доступным из всех доказательств концепции горячего Большого взрыва — краеугольного камня современного представления о возникновении и эволюции Вселенной. Если бы Пиблс его открыл или хотя бы сыграл большую роль в его открытии, то, бесспорно, пресс-релиз Нобелевского комитета был бы верен: «Его теоретическая структура, разработанная им с середины 1960-х, — основа наших современных идей о космологии». Осталось только проверить, так ли это.

«А затем просто забыли о них»: почему ученые могут увидеть только то, что понимают

Реликтовое излучение, как и множество вещей в физике, — не то, что можно открыть до того, как вы поняли, что это такое. Наблюдатель здесь бессилен: без помощи теоретика он может сколько угодно наблюдать фоновое излучение Вселенной, но так и не понять, что именно он видит.

В 1941 году на Западе и в 1955 году в СССР было зафиксировано фоновое излучение, которое мы сегодня знаем как реликтовое. Но ни там, ни там никто не понял, что это было, и никаких последствий эти наблюдения не имели и иметь не могли. Малообъяснимых наблюдательных эффектов в астрономии и тогда, и сейчас столько, что все не упомнишь. Без нормальной теории такие наблюдения часто лежат мертвым грузом.

В 1941 году теории горячего расширения Вселенной после Большого взрыва не было (Георгий Гамов придумал ее только через семь лет), а в 1956 году она была, но люди из советской Пулковской обсерватории, где тогда было сделано еще одно наблюдение реликтового излучения, ничего о ней не знали — в силу умеренного знакомства с соответствующими новейшими идеями в физике. Поэтому, как описывает пулковское «открытие» реликтового излучения современный ученый, «никто из астрофизиков и космологов не обратил внимания на этот существенный факт, так как они ничего не знали о существовании реликтового излучения и не придали должного значения результатам этих измерений, а затем просто забыли о них».

Вот еще один современный отзыв о советском «открытии» реликтового излучения: «Вся эта история в очередной раз напоминает об известной, но не всегда соблюдаемой заповеди: в науке (и не только в науке!) не стоит оставлять без должного внимания и понимания имеющиеся факты, какими бы незначительными они ни казались на первый взгляд. Для своевременного их понимания важен также кругозор исследователя…»

Кто открыл глаза наблюдателям: Гамов, Пиблс и все-все-все

Но Пиблс не был ни первым, ни вторым, ни третьим из тех, кто предсказал реликтовое излучение. Первым таким человеком был Георгий Гамов в 1948 году, он же предсказал (не приводя никаких вычислений), что температура этого излучения — около трех Кельвинов. Говоря об излучении, которое потом назовут реликтовым, Гамов отметил, что оно могло возникнуть только в определенный момент истории Вселенной, когда материя в ней остыла достаточно, чтобы плазма стала нейтральными атомами, не поглощающими столь активно, как плазма, фотоны. Очевидно, что для этого Вселенная должна была остыть до уровня, когда водородная плазма станет нейтральным водородом, — до считаных тысяч градусов. Ясно, что с тех пор Вселенная сильно расширилась, то есть температура того самого первого излучения уже сильно упала — ее-то он и определил в три Кельвина.

Гамов не был единственным предсказателем реликтового излучения. В ту пору физики уже достаточно редко читали все работы, выходящие по их теме. Поэтому его публикация 1948 года осталась незамеченной. А к началу 60-х идеи Гамова и его соавторов были крепко позабыты: их открыли по второму кругу и Яков Зельдович в СССР, и Роберт Дикке в США. И не только они.

В 1964 году астрофизики Дорошкевич и Новиков в СССР попытались прикинуть возможность обнаружения реликтового излучения по концепции Гамова. У них вышло, что лучшим детектором для реликтового излучения могла быть рупорная антенна лаборатории Белл, на которой в 1965 году и сделали свое открытие американцы Пензиас и Уилсон. Задумаемся на секунду: советские астрофизики из-за океана узрели инструмент поиска реликтового излучения, но не знали, что в сотнях километрах от них — в Пулково под Ленинградом — есть вполне подходящие антенны. Естественно, они абсолютно ничего не знали о том, что там реликтовое излучение уже обнаружили. Как уже догадывается читатель, работы Новикова и Дорошкевича тоже никто не заметил.

Итак, как мы видим, Пиблс был далеко не в первом ряду тех, кто на основе модели горячей Вселенной ожидал открытия реликтового излучения. Более того: в работе Пиблса за 1965 год температура этого излучения оценивается в семь Кельвинов. Это хуже, чем у Гамова в 1948 году, и хуже, чем у оценок из 50-х (пять Кельвинов). Из этого следует, что Пиблс не был ни самым первым, ни самым точным из теоретиков, предсказавших реликтовое излучение.

Он, как и вся группа Дикке, действительно помог Пензиасу и Уилсону. Как и многие наблюдатели, эти двое были далеки от новых физических теорий. Потому, когда они открыли какое-то странное излучение, идущее со всех сторон, то могли поступить двумя способами: просто забить, «а затем просто забыть», как ученые из Пулковской обсерватории в 1956 году, или все же попытаться расширить свой кругозор по теме. Они выбрали второй путь: не поленились позвонить в уважаемый ими университет (Принстонский), где работала группа Дикке, и спросить: товарищи теоретики, мы тут что-то странное наблюдаем, у вас нет идей, что бы это могло быть?

Из этого ясно: Пензиас и Уилсон за дело получили Нобелевку в 1978 году. Настойчивость и воля к расширению собственного кругозора — это и есть то, что отличает обычного ученого от того, кто имеет шансы на Нобелевку.

Но объяснить премию 2019 года Пиблса это не может. Премию можно дать за настойчивость и любопытство, но ее нельзя присудить только за то, что он оказался в нужном месте в коллективе нужного научного руководителя.

Пояснительный документ Нобелевского комитета отмечает: в 1965 году Пиблс внес другой, «ключевой вклад», предположив, что реликтовое излучение оказало влияние на формирование галактик. Влияние это в самом деле важно: «комковатое» распределение материи, сделавшее возможным образование и звезд, и галактик, и жизни, включая нас с вами, без реликтового излучения было бы совсем иным, значительно менее однородным. Есть и другой момент: позже Пиблсу удалось показать, что до первых звезд заметное количество элементов тяжелее гелия во Вселенной образоваться не могло. Еще Пиблс был активным сторонником идеи холодной темной материи, но тут он скорее распространитель, чем автор: термин «темная материя» в 1906 году ввел Анри Пуанкаре, а впервые указал на нее еще Кельвин в 1884-м.

В самом ли деле изложенные выше заслуги Пиблса — «основа наших современных идей о космологии»? На практике оба этих результата — лишь следствие из модели горячего Большого взрыва и идеи реликтового излучения. Недаром в пресс-релизе Нобелевского комитета по Пиблсу ни одна из этих работ не упомянута: они слишком мало годятся на роль того, за что дают Нобелевку.

Наиболее вероятное предположение о том, почему премию получил именно он, выдвинул академик Валерий Рубаков: «Нобелевскую премию редко дают по совокупности работ, но, мне кажется, это как раз такой случай».

В целом ничего плохого в этом нет: человек всю жизнь работал на благо науки и по совокупности сделал немало. Однако отметим: давать «по совокупности» при наличии живых физиков, которые заслуживают ее без совокупностей, несколько странно. Тот же Рубаков упоминает, что работы Пиблса по реликтовому излучению похожи на результаты, чуть ранее полученные Рашидом Сюняевым. Кроме того, на счету Сюняева ряд других крайне впечатляющих достижений. Именно с помощь открытого им эффекта Сюняева — Зельдовича измеряется диаметр скоплений галактик, это «измерительная линейка» при построении шкалы расстояний во Вселенной.

Он же стоит за предсказанием аккреционных дисков вокруг черных дыр — важнейшего элемента, с помощью которого эти объекты пожирают материю. Известно, что именно благодаря черным дырам и эффектам их аккреционных дисков галактики, в одной из которых живем и мы, вообще смогли образоваться в своем нынешнем виде. Как мы видим, к открытиям, сделанным Сюняевым, куда больше подходят слова из нобелевского пресс-релиза 2019 года: «…основа наших современных идей о космологии».

Почему Пиблсу премию дали, а Сюняеву — мы практически уверены в этом — не только не дали, но и не дадут? Академик Рубаков отвечает на этот вопрос просто: «То, что премию сегодня получил именно Пиблс, а не, скажем, Сюняев, — это решение комитета, я к нему отношусь спокойно».

Мы бы тоже советовали относиться к этому спокойно. Современная наука американоцентрична, и, помимо всего прочего, это значит, что открытия, привлекающие внимание американских ученых, в ней замечаются с куда большей вероятностью, чем равные им открытия, не привлекшие внимания исследователей из Штатов. Такова жизнь, и другим странам остается лишь смириться с этим.

Открытие экзопланет: кто на самом деле сделал это первым и почему премия ушла другим

Вторая половина Нобелевки по физике ушла Мишелю Майору и Дидье Келозу. Эти швейцарские ученые в 1995 году открыли планету 51 Пегаса b. Хотя планета вращается вокруг желтого карлика 51 Пегаса (примерно 50 световых лет от Земли), она крайне далека от знакомых нам по Солнечной системе. Это «горячий юпитер» — класс планет, вращающихся близко к своей звезде и, как правило, выкинувших из своей планетной системы все другие планеты.

Нобелевский пресс-релиз уверенно утверждает: эти двое ученых в октябре 1995 года «объявили о первом открытии планеты за пределами нашей Солнечной системы». Якобы с этого началась революция в астрономии, в результате которой на сегодня обнаружены тысячи экзопланет. К сожалению, это фактически неверно.

Первой бесспорно открытой экзопланетой была HD 114762 b — в 126 световых годах от Солнца. Она вращается вокруг своей звезды по орбите, похожей на орбиту Меркурия в нашей системе. Уже в 1989 году — 30 лет назад! — в момент своего открытия масса этого объекта была обозначена примерно в 11 масс Юпитера. Тела, чья масса определяется как выше 13 масс Юпитера, называют коричневыми карликами (это своего рода неудавшиеся звезды). Однако все, что ниже этой планки, считается планетами, поэтому HD 114762 b — именно планета. Откроем статью в Nature от 1989 года, в которой авторы во главе с Дэвидом Лэтхмэмо так и пишут: «Возможно, коричневый карлик и, может быть, даже гигантская планета». На сегодня оценка массы объекта не изменилась, поэтому решение Нобелевского комитета, откровенно говоря, не вполне соответствует заявленному в пресс-релизе.

В пояснительном документе Нобелевский комитет — 2019 вообще не упоминает эту планету, хотя ее открытие было сделано тем же методом лучевых скоростей, что и 51 Пегаса b. Это не значит, что его авторы не знают об открытии: в седьмой ссылке документа, при перечислении ранних попыток обнаружения планет, обозначается работа Лэтхэма. Однако на этом все: Нобелевский комитет решил даже в сносках не пытаться объяснить, почему открытие 1989 года, подтвержденное в 1991-м, не может считаться первой экзопланетой, а открытие 1995 года — может. Быть может, дело в предположении, что масса HD 114762 b определена неточно и на деле это, возможно, коричневый карлик. Но если дело именно в таком сомнении, то комитету стоило подробнее остановиться на этом чего он не сделал.

Подчеркнем: когда комитет не испытывает трудности с обоснованием своих решений, он пишет о том, почему та или иная экзопланета не была засчитана им «первой». Например, про планеты системы PSR1257+12, две из которых открыты к 1992 году, сопроводительный документ комитета излагает ситуацию честно.

Действительно, отмечает комитет, эти экзопланеты обнаружены на годы раньше 51 Пегаса b. Но метод, которым это было сделано, — не метод лучевых скоростей. Планеты Полтергейст и Фобетор этой системы были открыты потому, что блокировали радиосигнал своей звезды — нейтронной звезды. На сегодня такие планеты считаются редкими (собственно, и нейтронные звезды не особо частое явление на фоне обычных). То есть метод обнаружения, которым воспользовались первооткрыватели Полтергейста, не может быть массовым. Да и в целом считается, что природа планет вокруг нейтронных звезд другая, и, хотя там тоже возможна жизнь, особого внимания таким телам не уделяется.

Выбор Майора и Келоза как нобелевских лауреатов — а не группы Лэтхэма — в чем-то все же обоснован. Бесспорно, открытие Лэтхэма опережало свое время, сразу после него бум открытия новых экзопланет был невозможен по техническим причинам. Работа Майора и Келоза появилась тогда, когда техника уже была готова, и сразу после их открытия последовали десятки других.

Тем не менее было бы куда честнее, если бы Нобелевский комитет прямо указал, что премию нынешним лауреатам вручили с оговоркой о том, что у них были и предшественники — люди, которые на самом деле открыли экзопланету первыми. Ну, или хотя бы вручил премию за открытие «первой экзопланеты вокруг желтого карлика» – а «не первой экзопланеты» вообще.

Share This Post