Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Девять значимых событий 2018 года в физике и астрономии

Материал подготовил кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

1. ТРИО СВЯЗАННЫХ ФОТОНОВ

Космический аппарат Mars Express с двумя 20-метровыми радарными антеннами над Марсом. Иллюстрации: ESO.
Радарный профиль поверхности Марса. Под слоями отложений льда и пыли виден яркий слой, который интерпретируется как озеро с жидкой водой. Иллюстрации: ESO.
Траектория звезды S2 вблизи сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики. Иллюстрации: ESO.
Оптическая гребёнка — спектр в виде большого числа линий, каждая из которых соответствует своей частоте. Внизу — волны в микрорезонаторе. Иллюстрация: МФТИ.

Физики из США впервые экспериментально зафиксировали связанные состояния из трёх фотонов. Частицы находятся в связанном состоянии, если движутся только в пределах ограниченного пространства в течение относительно длительного времени. Атомы, молекулы и даже галактики — всё это примеры систем связанных объектов. Но фотоны, в отличие от частиц, имеющих массу, чрезвычайно слабо взаимодействуют между собой, а потому не образуют устойчивых связанных состояний. Впервые связанное состояние удалось обнаружить пять лет назад для двух фотонов, сейчас это сделано для трёх фотонов. Связанные состояния фотонов возникают внутри облака атомов рубидия, возбуждаемых последовательностью лазерных импульсов. В исследованиях принимала участие группа физиков из Гарвардского университета под руководством Михаила Лукина (см. «Наука и жизнь» № 12, 2013 г., статья «Вторая квантовая: от революции понимания к революции применения»), по инициативе которого в 2011 году был открыт Российский квантовый центр. Именно она в 2013 году обнаружила двухфотонные связанные состояния.

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

2. ЖИДКАЯ ВОДА НА МАРСЕ

Данные с орбитального радара Европейского космического агентства «Марс-Экспресс», собранные в районе Южного полюса Красной планеты, указывают на высокую вероятность того, что под полутора километрами льда лежит озеро жидкой воды.

Радарный профиль этой области подобен таковому для озёр с жидкой водой, расположенных под ледяными щитами Антарктики и Гренландии на Земле. Размер озера около 20 км. Температура под слоем льда скорее всего ниже точки замерзания чистой воды. Однако растворённые соли магния, кальция и натрия, присутствующие в марсианских породах, позволяют озеру оставаться жидким, как это происходит и на Земле.

3. ГРАФЕНОВЫЙ СВЕРХПРОВОДНИК

Американские и японские физики обнаружили, что «сэндвич» из двух графеновых слоёв толщиной в атом может проводить электроны без сопротивления, если слои повёрнуты относительно друг друга под «магическим углом» в 1,1°. Это открытие — важный шаг в многолетнем поиске высокотемпературных сверхпроводников, в частности, работающих при комнатной температуре. Такие материалы, не требующие дорогостоящего охлаждения, могут совершить революцию в области передачи энергии, транспорта и создания мощных магнитов.

Сверхпроводники условно можно разделить на два типа: «обычные», поведение которых объясняет имеющаяся теория сверхпроводимости, и «необычные», где такое объяснение не проходит. К последним относятся керамические сверхпроводники на основе купратов — сложных оксидов меди. Обычные сверхпроводники работают только при температурах, близких к абсолютному нулю. Купраты становятся сверхпроводящими при значительно более высоких температурах, около -140°C. Понятно, что такие материалы называют высокотемпературными сверхпроводниками довольно условно.

В последние тридцать лет физики сосредоточились на купратах, пытаясь получить сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, но понять их механизм сверхпроводимости так и не смогли. Нетрадиционная сверхпроводимость в графеновой структуре имеет параллели с купратами. И хотя сверхпроводящий графеновый «сэндвич» пока нуждается в охлаждении до -271°C, его структура более проста и понятна, чем структура купратов, так что он может стать основой для изучения механизма высокотемпературной сверхпроводимости.

4. НАЙДЕНЫ НЕДОСТАЮЩИЕ БАРИОНЫ

Протоны и нейтроны, из которых состоят ядра атомов, относятся к семейству барионов, поэтому обычное, привычное нам вещество называют барионной материей. Астрономы имеют неплохое представление об общем количестве барионной материи во Вселенной. Распределение её таково: около 7% массы составляют звёзды, на холодный и горячий газ внутри галактик приходится 7% и ещё 4% — на газ в галактических кластерах. На холодный и тёплый (по астрофизическим меркам) межгалактический газ приходится 28 и 15% массы соответственно, а вот где прячутся оставшиеся 40%, до недавнего времени было загадкой.

Согласно предварительным результатам, недостающие барионы находятся в разреженном газе с волокнистой структурой, известном как тёпло-горячая межгалактическая среда. Такое странное название связано с тем, что её температура лежит в диапазоне от 105 до 107 К. Это недотягивает до значений, при которых физики считают плазму горячей, но выше тех, при которой её считают холодной. «Увидеть» такую среду очень трудно. В этих условиях самые распространённые во Вселенной элементы — водород и гелий — практически невидимы, поскольку почти полностью ионизированы (потеряли свои электроны) и не способны поглощать свет. Однако с помощью космического телескопа XMM-Newton (ЕКА) удалось зарегистрировать спектр поглощения в рентгеновском диапазоне шестикратно ионизированного кислорода — третьего по распространённости элемента в космической плазме. Источником излучения служил самый яркий известный блазар 1ES 1553. На основании этих наблюдений итальянские астрономы и их коллеги из других стран впервые подтвердили существование «волокон» кислородной плазмы температурой около миллиона градусов в межгалактическом пространстве и оценили их массу (см. «Наука и жизнь» № 9, 2018 г., статья «Дело о недостающих барионах»).

5. СНОВА ЗАПУЩЕН УНИКАЛЬНЫЙ ЯПОНСКИЙ КОЛЛАЙДЕР

26 апреля 2018 года после семилетней модернизации заработал японский коллайдер SuperKEKB, столкнув рекордно тонкие и плотные пучки электронов и позитронов. Основной рабочий инструмент установки — детектор Belle II, находящийся в точке столкновения пучков, — создан при участии физиков из России.

Научные группы МФТИ и ФИАН работали над детектором нейтральных долгоживущих каонов и мюонов. Детектор весит десять тонн и занимает площадь более 1000 м2. Его создание, учитывая огромное количество каналов считывания (более 16 тысяч), было сложнейшей высокотехнологичной задачей.

Сорокатонный электромагнитный калориметр на основе кристаллов йодистого цезия — одна из ключевых подсистем детектора Belle II — создан благодаря исследователям из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения РАН и Новосибирского государственного университета. Этот калориметр позволит с большой эффективностью и высокой точностью регистрировать и измерять энергию фотонов и, следовательно, восстанавливать нейтральные пи-мезоны.

Фокусирующая система сделает пучки толщиной с человеческий волос, а светимость модернизированного коллайдера будет в 40 раз больше, чем раньше. Это открывает новые возможности для исследований нарушений CP-симметрии, которые приводят к различному поведению частиц и античастиц при распадах и превращениях и в конечном счёте к преобладанию материи над антиматерией в нашей Вселенной. Коллайдер будет использован также для поисков Новой физики, выходящей за пределы Стандартной модели.

6. ГРАВИТАЦИОННОЕ КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ В СПЕКТРЕ ЗВЕЗДЫ ВБЛИЗИ ЧЁРНОЙ ДЫРЫ

Вслед за недавним открытием гравитационных волн астрономы получили ещё одно подтверждение справедливости общей теории относительности Эйнштейна. Они впервые обнаружили красное смещение для звезды S2 в очень сильном гравитационном поле, созданном сверхмассивной чёрной дырой Стрелец А* (Sgr A*) в центре Млечного Пути. Когда звезда приближается к чёрной дыре, спектральные линии испускаемого звездой излучения смещаются в красную сторону. Когда звезда удаляется, линии «возвращаются» на место. Изменение длин волн в точности совпадает с предсказанным теорией Эйнштейна.

Это открытие — заслуга астрономов Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили, где вот уже 26 лет изучают центр Галактики с помощью Очень большого телескопа (Very Large Telescope, VLT). Звезда S2, наблюдения за которой ведутся с 1992 года, с периодичностью 16 лет приближается к Sgr A*. В момент наибольшего сближения расстояние от звезды до чёрной дыры составляет всего 120 астрономических единиц (1 а. е. равна расстоянию от Земли до Солнца, около 150 млн км), что лишь вчетверо больше расстояния от Солнца до Нептуна.

В 2002 году, когда S2 приближалась к Sgr A* в прошлый раз, в распоряжении астрономов ещё не было достаточно точных инструментов, чтобы надёжно обнаружить эти эффекты. К сближению, которое состоялось в мае 2018 года, исследователи тщательно подготовились.

7. САМАЯ СТАРАЯ ЗВЕЗДА ГАЛАКТИКИ

Астрономы из университета Джонса Хопкинса (США) сообщили об обнаружении в нашей Галактике звезды, которая может быть одной из самых старых звёзд Вселенной. Возраст звезды, получившей название 2MASS J18082002—5104378 B, — около 13,5 миллиарда лет, а содержание металлов в ней очень низкое. Такой состав характерен для первых звёзд, возникших после Большого взрыва. Они состояли из водорода, гелия и небольшого количества лития. Позже эти звёзды произвели в своих ядрах элементы тяжелее гелия и заселили ими Вселенную, когда взорвались как сверхновые. Звёзды последующих поколений, возникшие позже, уже содержат эти элементы.

Открытая звезда расположена в «тонком диске» Млечного Пути, как и наше Солнце. Это может означать, что наш галактический район на три миллиарда лет старше, чем считалось ранее.

8. НОВАЯ ЖИЗНЬ ДИОДНОГО ЛАЗЕРА

Метод сильного сужения спектра излучения диодных лазеров, подобных тем, которые используются в обычных лазерных указках, разработали физики из Российского квантового центра, МФТИ, физфака МГУ и московского исследовательского центра компании Samsung. Для уменьшения полосы излучаемых длин волн до аттометров (10-18) они использовали оптические микрорезонаторы: кольца или диски из прозрачных материалов, которые превращают излучение лазера в частотную гребёнку. В результате получился дешёвый лазер, работающий практически на одной частоте. Его можно использовать в сенсорах, лидарах и химических анализаторах.

9. СОТНИ ЧЁРНЫХ ДЫР В ЦЕНТРЕ ГАЛАКТИКИ

Астрономы, анализирующие данные космической рентгеновской лаборатории «Чандра» (НАСА), пришли к выводу, что в центре нашей Галактики расположено большое число чёрных дыр. По оценкам, их там несколько сотен. По крайней мере, уже обнаружено более десятка двойных систем, один из компонентов которых похож на чёрную дыру. Такие системы можно «увидеть» в момент объединения в пару благодаря вспышке характерного рентгеновского излучения. Тем самым впервые получено подтверждение гипотезы о том, что сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик окружены чёрными дырами меньшей массы.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Наука. Вести с переднего края»