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

Десять значимых событий 2019 года в физике и астрономии

Материал подготовил кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Первое изображение чёрной дыры. Иллюстрация: EHT Collaboration.
«Спектр-РГ» в космосе в представлении художника. Рисунок: ИКИ РАН.
Комета 2I/Borisov в декабре 2019 года. Фото: NASA/ESA/D. Jewitt (UCLA).
Четыре телескопа VLTI (ESO), с помощью которых проведено интерферометрическое наблюдение экзопланеты в оптическом диапазоне. Фото: ESO.
Так могут выглядеть внутриядерные протон-нейтронные пары с кварками. Иллюстрация: Jefferson Lab.
Новый уровень квантовой телепортации. Рисунок: R. Zhou/USTC.
Взаимодействие закрученных пучков. Иллюстрация: usals.es.
Циклотрон ДЦ-280 — основа новой «Фабрики сверхтяжёлых элементов». Фото: ОИЯИ.

1. Тень чёрной дыры

Событием года, несомненно, следует признать публикацию первого изображения тени сверхбольшой чёрной дыры в центре галактики М87, расположенной на расстоянии 55 миллионов световых лет от нас. Изображение, полученное в проекте EHT (Event Horizon Telescope, Телескоп горизонта событий), — первое прямое подтверждение существования чёрных дыр.

Саму чёрную дыру увидеть нельзя, она практически не излучает из-за чудовищной гравитации, удерживающей даже свет. Но та же гравитация стягивает к чёрной дыре вещество из окружающего пространства, которое разгоняется до околосветовых скоростей и закручивается вокруг неё, образуя аккреционный диск. Плазма в нём из-за трения достигает температуры в миллионы градусов и интенсивно излучает. Благодаря тому, что чёрную дыру окружает светящееся вещество, наблюдается картина в виде светящегося кольца с тёмной областью в центре, которую называют тенью чёрной дыры. Хотя правильнее говорить о её силуэте, который примерно в 2,6 раза больше размера горизонта событий.

EHT представляет собой систему из нескольких наземных радиотелескопов, расположенных в разных местах Земли. Метод интерферометрии со сверхдлинной базой создал из них гигантский телескоп размером с земной шар. А современные алгоритмы обработки данных обеспечили EHT угловое разрешение порядка 20 микросекунд, благодаря которому и стало возможным получение изображения очень компактного далёкого объекта (такое разрешение позволяет с Земли читать заголовки газет на Луне). В международный коллектив проекта входят более 200 астрономов из 60 исследовательских организаций. (Подробнее см. «Наука и жизнь» № 5, 2019 г., статья «Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы»)

2. «Спектр-РГ»: успешный запуск и начало работы

21 октября российско-германская обсерватория «Спектр-РГ», запущенная в космос 13 июля, успешно вышла на запланированную рабочую орбиту вокруг точки Лагранжа L2 системы «Солнце—Земля» на расстоянии полутора миллионов километров от Земли и дала первые результаты.

Первоочередная задача «Спектра-РГ» — получение подробной карты видимой Вселенной с недоступной ранее точностью. Планируется, что за четыре года обсерватория сделает восемь полных обзоров всего неба в рентгеновском и гамма-диапазонах. Многократные обзоры позволят не только повысить их точность, но и обнаружить изменения космических объектов за время наблюдения. Также «Спектр-РГ» составит полный каталог скоплений галактик с массой больше 3x1014 масс Солнца, число которых оценивается в 100 тысяч. Затем, по крайней мере 2,5 года, будут вестись наблюдения выбранных участков неба и отдельных объектов по заявкам как российских, так и зарубежных исследователей.

Источниками мощного рентгеновского и гамма-излучения служат процессы, происходящие там, где имеются сильные гравитационные и магнитные поля, огромные температуры, например в скоплениях галактик, около нейтронных звёзд, чёрных дыр и некоторых звёзд. Вклад в рентгеновское излучение дают и различные катастрофические явления вроде взрывов сверхновых и столкновений космических объектов. Всё это представляет большой интерес для астрофизики и космологии. (Подробнее см. «Наука и жизнь» №№ 8, 11, 2019 г.)

3. Образование тяжёлых элементов в столкновениях нейтронных звёзд

Астрономы Европейской южной обсерватории (ESO), исследуя данные, полученные с помощью спектрографа «X-shooter» на Очень Большом Телескопе (VLT), обнаружили стронций, образовавшийся в результате вспышки килоновой после слияния двух нейтронных звёзд. Таким образом, астрономы нашли «недостающее звено» в вопросе формирования химических элементов во Вселенной и доказали, что столкновение нейтронных звёзд приводит к образованию элементов тяжелее железа.

Дело в том, что для синтеза таких элементов требуется очень горячая среда с большим количеством свободных нейтронов, где может происходить процесс захвата быстрых нейтронов, при котором и образуются самые тяжёлые элементы Периодической таблицы. Необходимые для этого условия должны возникать при слиянии нейтронных звёзд. Данное открытие одновременно подтверждает, что нейтронные звёзды действительно состоят из нейтронов, а захват быстрых нейтронов, который был предметом бурных дискуссий, происходит при их слияниях.

Место столкновения нейтронных звёзд было обнаружено в ходе поиска источника гравитационных волн, зарегистрированных обсерваторией LIGO (США) 17 августа 2017 года.

4. 2I/Borisov — первая межзвёздная транзитная комета

30 августа российский астроном-любитель Геннадий Борисов на самодельном 65-сантиметровом телескопе открыл второй в истории астрономии меж-звёздный объект — комету, получившую предварительное название C/2019 Q4 (Borisov), а затем окончательное 2I/Borisov (I — от interstellar — межзвёздный, а 2 — номер в списке меж-звёздных объектов, первым таким объектом стал астероид Оумуамуа). Её гиперболическая орбита имеет эксцентриситет около 3,4, который нельзя объяснить возмущением со стороны больших планет. Это однозначно свидетельствует, что комета не принадлежит Солнечной системе, а следует через неё транзитом.

В последующие месяцы комету активно изучали астрономы всего мира. В сентябре у неё обнаружили выбросы пыли и цианидного газа (CN), а в октябре — воды. Исследования показали, что по своему составу она похожа на кометы Солнечной системы, что говорит об общности законов образования комет в звёздных системах. В ноябре астрономы из Йельского университета (США) сообщили, что размер кометы с учётом комы и хвоста примерно в 14 раз больше Земли. С октября за гостьей Солнечной системы наблюдает космический телескоп «Хаббл», сделавший ряд её снимков. По декабрьскому изображению удалось оценить размеры ядра кометы, которое оказалось меньше, чем думали раньше, — меньше полукилометра.

5. Прямое наблюдение экзопланеты в оптическом диапазоне

Астрономы ESO, используя инструмент GRAVITY на VLTI, впервые смогли напрямую наблюдать экзопланету HR 8799е с помощью оптической интерферометрии. С этой целью GRAVITY использовал четыре телескопа VLT, превратив их в один больший телескоп. Уникальные возможности прибора позволили исследователям разглядеть детали атмосферы планеты и получить её подробный и качественный спектр. Благодаря этому они определили её состав, который преподнёс некоторые сюрпризы. Так, атмосфера HR 8799e содержит гораздо больше окиси углерода, чем метана, чего не должно быть в случае равновесной химии. В сочетании с облаками из железной и силикатной пыли это говорит о том, что в атмосфере планеты бушует очень сильный шторм с вертикальными ветрами, проникающими на большие высоты.

Экзопланета HR 8799е обнаружена в 2010 году около звезды главной последовательности, немного большей Солнца по массе, размерам и температуре и находящейся в 129 световых годах от Земли. Это горячий «супер-Юпитер», не похожий ни на одну планету Солнечной системы. Он на порядок массивнее Юпитера и удалён от звезды почти в три раза дальше, примерно на 14,5 а. е. Экзопланета достаточно молода, ей всего 30 миллионов лет, что даёт исследователям возможность изучить формирование планет и планетных систем. Оставшаяся энергия от её образования и мощный парниковый эффект нагревают атмосферу планеты почти до 1000°C.

6. Волновые свойства антиматерии

Физики из Италии и Швейцарии впервые показали, что антиматерия так же, как и обычная материя, обладает волновыми свойствами, то есть может вести себя и как частица, и как волна. На специально созданной установке они экспериментально подтвердили, что позитроны, античастицы электрона, могут интерферировать друг с другом или, другими словами, демонстрировать квантово-волновой дуализм. Это понятие ввёл в 1923 году французский физик Луи де Бройль, предположивший, что с любой частицей, обладающей импульсом p, связана волна, длина которой находится по формуле λБ = h/p (h — постоянная Планка).

Экспериментаторы, по сути, повторили классический опыт, в котором электроны, пройдя сквозь две щели в пластине, формируют на экране за ней диопределённых местах экрана благодаря интерференции волны усиливают или гасят друг друга.

В дальнейшем исследователи собираются использовать свои разработки для поиска фундаментальных отличий антиматерии от материи. Возможно, это поможет объяснить, почему в наблюдаемой Вселенной антиматерия практически отсутствует.

7. Протон-нейтронные пары в атомном ядре

Физики НИИЯФ МГУ совместно с зарубежными коллегами провели в Лаборатории Томаса Джефферсона (США) эксперимент по изучению структуры атомных ядер и обнаружили в них протон-нейтронные пары. Они наблюдали прямое выбивание электронами из ядер протонов и нейтронов и определяли импульс, которым выбиваемый нуклон обладал в ядре. Выяснилось, что, несмотря на разное количество протонов и нейтронов в ядрах, высокоимпульсных протонов и нейтронов в них всегда поровну, в отличие от низкоимпульсных нуклонов. Это означает, что высокоимпульсные протоны и нейтроны образуют пары.

Полученный результат не укладывается в общепринятые представления о модели оболочечного строения ядра, аналогичной построению электронных оболочек атома. Она предполагает, что нуклоны заполняют оболочки ядра, существующие отдельно для нейтронов и протонов, и, разумеется, не допускает образования пар. Это явление может помочь разгадать происхождение так называемого EMC-эффекта, открытого ещё в 1983 году и остающегося до сих пор одной из основных нерешённых проблем в области ядерной физики. Суть его в том, что результат глубоко неупругого рассеяния электронов от кварков внутри нуклонов различен для свободных нуклонов и их собратьев, входящих в состав ядра, в то время как из общепринятой теории этого не следует.

8. Новый уровень квантовой телепортации

Австрийские и китайские физики осуществили первую сложную квантовую телепортацию: им удалось телепортировать трёхуровневое квантовое состояние фотона, или «критрит». Однако они полагают, что их методика может работать и с произвольными многомерными фотонными квантовыми состояниями. Это позволит передавать полное квантовое состояние частицы.

Квантовая телепортация заключается в передаче неизвестных квантовых состояний между удалёнными квантовыми системами. До этого момента передавались только двухуровневые состояния (кубиты), то есть информация со значениями «0» или «1». Данное исследование — важный шаг на пути к практическим приложениям, поскольку многомерные квантовые системы могут передавать бóльшие объёмы информации, чем кубиты. А телепортация играет центральную роль в квантовых повторителях и квантовых сетях.

9. Луч, который изменяет вращение сам

Физики из Испании и США совершили открытие там, где, казалось, уже известно всё! Они открыли новое свойство света, которое ранее даже не предсказывалось. Исследователи получили световой пучок с изменяющимся во времени вращением, которое не было связано с каким-либо воздействием на свет. Он изменял скорость вращения сам, без посторонней помощи. Новое свойство света получило название собственного крутящего момента.

То, что свет способен закручиваться, было обнаружено ещё в 1995 году. При этом световая волна похожа на штопор, закрученный вокруг направления распространения, а физики говорят, что луч обладает угловым орбитальным моментом. Это свойство света нашло применение в оптической связи, микроскопии, квантовой оптике и манипулировании микрочастицами. Однако все получаемые до этого момента закрученные лучи не изменялись со временем.

Авторы открытия пропустили через облако аргона перекрывающиеся импульсы закрученного света от двух ультрафиолетовых лазеров. Если импульсы имели разный орбитальный момент и небольшую задержку относительно друг друга, то в результате взаимодействия на выходе получался объединённый луч, вращение которого изменялось со временем. При высоких значениях орбитального момента импульсов время вращения этого луча много меньше длин импульсов и имеет фемтосекундный (10–15 с) масштаб. Управлять вращением можно, изменяя время задержки.

Такие лучи могут найти применение для сверхбыстрого управления наноструктурами и атомами. Возможно, они откроют новые направления использования света в оптической связи и квантовой оптике.

10. Фабрика сверхтяжёлых элементов открыта в Дубне

25 марта Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна) официально открыл Фабрику сверхтяжёлых элементов, основой которой стал новый ускоритель циклотрон ДЦ-280, разместившийся в экспериментальном корпусе, оснащённом современными системами для обеспечения работ. С помощью нового циклотрона физики собираются получить ещё не открытые 119-й и 120-й элементы Периодической таблицы Менделеева и исследовать уже известные сверхтяжёлые элементы, о которых пока мало что известно. Это расширит наши знания о природе и, возможно, внесёт поправки в сам периодический закон в области сверхтяжёлых элементов.

По своим характеристикам фабрика превосходит все существующие в мире установки. Главное её достоинство — высокая интенсивность пучка, примерно в 10 раз большая, чем у предыдущего ускорителя У-400, на котором в первое десятилетие XXI века синтезировали пять новых элементов. Однако возможности старой установки были исчерпаны, и после 2009 года, когда был получен теннессин (117), синтезировать новые элементы физикам не удавалось. Рост интенсивности пучка увеличит количество синтезируемых сверхтяжёлых ядер: если ранее удавалось получить один атом оганесона (118) в месяц, то фабрика позволит получать уже десятки ядер.

Элементы со 112-го по 118-й были получены бомбардировкой ядрами кальция-48 мишеней из различных тяжёлых элементов. Но для получения 119-го и 120-го элементов нужное вещество для мишени не удаётся синтезировать в достаточном количестве. Поэтому вместо кальция исследователи планируют использовать более тяжёлые ядра титана, мишенями для которого будут служить берклий и калифорний.


Случайная статья


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