Двенадцать крупнейших событий 2016 года в физике и астрономии
Событие № 1 — это, без сомнения, экспериментальное обнаружение гравитационных волн.
Гравитационные волны
Событие № 1 — это, без сомнения, экспериментальное обнаружение гравитационных волн, предсказанных эйнштейновской Общей теорией относительности (ОТО). Само открытие произошло 14 сентября 2015 года, но официально исследователи объявили о нём 11 февраля 2016-го (см. «Наука и жизнь» № 3, 2016 г.). Принятый сигнал соответствовал модели, теоретически рассчитанной для слияния двух чёрных дыр массами 29 и 36 масс Солнца. Второй раз гравитационные волны, возникшие при слиянии менее массивных чёрных дыр — 14,2 и 7,5 масс Солнца, — зарегистрировали 26 декабря 2015 года, сообщение о них появилось 15 июня 2016 года. Полученные данные стали весомым аргументом в пользу не только ОТО, но и существования чёрных дыр, также предсказанного этой теорией.
Зарегистрировал гравитационные волны уникальный лазерный интерферометр LIGO, в создании которого участвовали более 90 научных организаций из 16 стран, в том числе и из России. Исследователи полагают, что LIGO станет эффективным инструментом новой гравитационно-волновой астрономии, которая позволит узнать много нового о Вселенной: о ранних этапах её развития, о тёмной материи, о тех областях, где нарушается Общая теория относительности.
Четыре новых элемента
После того как 30 декабря 2015 года Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) утвердил четыре новых химических элемента с атомными номерами 113, 115, 117 и 118, те, кто их открыл, должны были дать им названия и обозначения. 8 июня 2016 года IUPAC официально рекомендовал принять предложенные первооткрывателями названия: нихоний (Nihonium) и символ Nh для элемента 113, московий (Moscovium) и символ Mc для элемента 115, теннессин (Tennessine) и символ Ts для элемента 117, оганесон (Oganesson) и символ Og для элемента 118. Спустя пять месяцев публичных обсуждений совет IUPAC утвердил названия и новая четвёрка заняла положенные места в периодической таблице Д. И. Менделеева. Для трёх последних элементов приоритет в открытии был признан за Объединённым институтом ядерных исследований (Дубна, Россия). Поэтому они получили имена, связанные с нашей страной. (См. статью «Унуноктий стал оганесоном»)
Спектр антиводорода
Третье значительное событие в мире физики — получение оптического спектра антиводорода, атома антиматерии. Этот результат стал итогом более 20 лет работы коллаборации эксперимента ALPHA (ЦЕРН). Так впервые удалось сравнить спектр антиматерии и материи. Исследователи доказали, что оптический спектр антиводорода идентичен водородному, как и должно быть в соответствии со Стандартной моделью физики элементарных частиц. (См. статью «Антиводород: новая эра экспериментов с антиматерией»).
Пентакварк открыт окончательно
Теперь мы точно знаем, что пентакварки, элементарные частицы, состоящие из пяти кварков и антикварков, существуют. Об этом сразу в двух статьях, опубликованных в 2016 году в журнале «Physical Review Letters», сообщила коллаборация LHCb, занимающаяся исследованиями на Большом адронном коллайдере. В её состав входят представители семи российских научных организаций.
Само открытие состоялось летом 2015 года. Тогда физики, анализируя распад элементарной частицы лямбда-барион, обнаружили среди промежуточных продуктов реакции два новых адрона, которые предположительно представляли собой пентакварки. Однако, несмотря на то что статистика говорила о надёжности результата, у исследователей оставались сомнения. Дело в том, что их выводы были основаны на определённых модельных представлениях о характере других промежуточных состояний реакции. В новом исследовании физики переделали анализ, устранив эти предположения. Статистическая значимость результата составляет более девяти стандартных отклонений, в то время как для уверенного утверждения об открытии новой частицы необходимо более пяти. (Подробнее о пентакварке см. «Наука и жизнь» № 3, 2016 г.)
Нанотранзистор
Физики из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США) создали самый маленький на сегодняшний день транзистор с длиной затвора всего 1 нанометр. До сих пор считалось, что затвор менее 5 нм невозможен из-за квантовых ограничений. Теперь открываются перспективы для дальнейшей миниатюризации электроники.
Микролазер
Ещё один шаг по пути миниатюризации устройств за счёт замены электронов фотонами (это направление исследований называется фотоникой) сделали физики Мюнхенского технологического института (Германия), создавшие лазер, размер которого в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Для работы оптических чипов требуется лазерный источник света, поэтому необходим миниатюрный лазер, который можно было бы интегрировать на поверхность кристалла микросхемы.
Тетранейтрон
Исследователи из японского Института химических исследований открыли так называемый тетранейтрон — частицу, состоящую из четырёх нейтронов. Если открытие подтвердится, то нам придётся пересмотреть существующие модели атомного ядра, поскольку все они говорят о том, что нейтроны без протонов соединяться не могут. Статистическая значимость опыта достаточно велика и составляет 4,9 стандартного отклонения (напомним, что при значении 5 и выше частица считается открытой). Тем не менее здесь всё же необходима проверка в независимых экспериментах.
Голограмма одиночного фотона
Оптики Варшавского университета получили первую в истории голограмму одиночного фотона, что ранее считалось невозможным. С помощью голограммы можно наблюдать за «формой» фотона — его волновой функцией, которая служит важнейшей квантовой характеристикой частиц. Пространственная структура фотона представляет большой интерес для исследований в области квантовой связи, вычислений, в экспериментах по запутанности фотонов и во многих других. Однако до сих пор не было простого экспериментального метода, позволяющего получить информацию о фазе волновой функции фотона. Фотография тут не годится, поскольку фиксирует только интенсивность света. В отличие от неё голограмма позволяет зарегистрировать и фазу волны.
Планета звезды Проксима Центавра
В августе астрономы Европейской южной обсерватории (ESO) объявили о том, что у ближайшей к нам звезды Проксима Центавра есть планета земной группы, получившая название Проксима Центавра b. Обнаружили её благодаря измерениям колебания лучевой (направленной на наблюдателя) скорости звезды с точностью до нескольких метров. По оценкам астрономов, минимальная масса планеты равна 1,27 земной, расположена она на удалении всего 7 млн км от звезды и делает полный оборот вокруг неё за 11,2 дня. Если плотность планеты близка к земной, то близок к земному будет и её радиус.
Проксима Центавра b находится в так называемой обитаемой зоне звезды, где температура на поверхности планеты позволяет воде находиться в жидком состоянии. Возможно, на ней есть и жизнь, хотя слишком близкое расположение к светилу оставляет на это мало шансов. (См. статью «Ближайшая»)
Уточнённая постоянная Хаббла
Астрономы НАСА и Европейского космического агентства (ЕКА) под руководством нобелевского лауреата по физике 2011 года Адама Рисса, одного из первооткрывателей ускоренного расширения Вселенной и тёмной энергии, уточнили постоянную Хаббла и обнаружили, что Вселенная расширяется ещё быстрее, чем считалось ранее. Разница составила 5–9%. В ходе исследования 19 близлежащих галактик астрономы с помощью космического телескопа «Хаббл» вычислили расстояния примерно до 2400 цефеид и 300 сверхновых типа Ia, которые служат «верстовыми столбами» для современной астрономии. Исследователи сумели откалибровать метод, определяя расстояния до самых близких цефеид с помощью параллакса. То, что Вселенная расширяется быстрее, чем мы думали, возможно, говорит о том, что в её эволюции существенную роль играет ещё одна гипотетическая тёмная составляющая — тёмное излучение.
Успех «Радиоастрона» и галактические джеты
При исследовании галактики с активным ядром BL Lacertae методом интерферометрии с очень длинной базой, выполненном с помощью десятиметрового космического радиотелескопа «Радиоастрон» (Россия) и 15 наземных радиотелескопов из России, Европы и США, астрономы смогли добиться рекордного углового разрешения за всю историю астрономических наблюдений: 21 микросекунда дуги. Это более чем в тысячу раз лучше разрешения космического телескопа «Хаббл», а оптический телескоп с таким угловым разрешением мог бы разглядеть спичечный коробок на поверхности Луны. База интерферометра составила 7,9 диаметра Земли.
Увеличение углового разрешения позволило с большой точностью исследовать джеты — струи частиц (плазмы), движущиеся с околосветовой скоростью из центра галактики и достигающие в длину несколько световых лет. Они делают BL Lacertae очень мощным источником электромагнитного излучения во всех диапазонах — от радио- до гамма-излучения.
Завершение полёта «Розетты»
Зонд Европейского космического агентства «Розетта», более двух лет исследовавший комету Чурюмова—Герасименко, завершил свою миссию 30 сентября 2016 года. В течение почти 14 часов аппарат спускался (то есть выполнял управляемое падение) на поверхность небесного тела с высоты 19 км; за это время удалось изучить газ, пыль и плазму кометы очень близко к её поверхности, а также сделать её изображения с очень высоким разрешением.
С момента запуска в 2004 году зонд «Розетта» совершил более пяти оборотов вокруг Солнца, пройдя почти 8 миллиардов километров, три раза пролетев около Земли и по одному разу — около Марса и двух астероидов. «Розетта» стала первым в истории космическим аппаратом, не только путешествовавшим вместе с кометой, но и спустившим на неё в ноябре 2014 года исследовательский зонд. В ходе миссии было сделано несколько важных открытий. В частности, оказалось, что во льду кометы содержится достаточно много тяжёлой воды, что противоречит гипотезе о кометном происхождении воды на Земле. Совокупность данных о структуре кометы и её газопылевом составе указывает на то, что она родилась в очень холодной области протопланетного облака более четырёх с половиной миллиардов лет назад, когда Солнечная система ещё формировалась. Большой интерес представляет обнаружение аминокислоты глицина, встречающейся в белках, фосфора — ключевого компонента ДНК и других органических соединений. (Подробнее о «Розетте» см. «Наука и жизнь» № 8, 2014; №№ 1, 12, 2015.)
Статьи по теме
- Они существуют! Гравитационные волны зарегистрированы
- Пентакварки
- Ждём посадки на комету
- Поцелуй двух комет
- Точность постоянной Хаббла и расширение Вселенной
Читайте в любое время
