Девять значимых событий 2021 года в физике и астрономии

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми сообщила, что, по данным эксперимента «Muon g - 2», магнитный момент мюона всё же больше, чем предсказывает современная теория микромира — Стандартная модель.

1. Мюоны атакуют cтандартную модель

Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми (США) сообщила, что, по данным эксперимента «Muon g - 2», магнитный момент мюона всё же больше, чем предсказывает современная теория микромира — Стандартная модель. Она была разработана в 1970-х годах и с тех пор прошла все проверки, сохранившись до наших дней практически без изменений. Но исследователи на протяжении полувека не оставляют попыток найти отклонения от неё, так называемую Новую физику. Если результат мюонного эксперимента подтвердится, то это может стать долгожданным свидетельством существования Новой физики. Возможно, работы в этом направлении приведут не только к уточнению теории, но и открытию новых фундаментальных частиц.

034_1.jpg

Эксперимент «Muon g - 2». В центре детекторного зала — сверхпроводящее магнитное накопительное кольцо. Фото: Reidar Hahn/Fermilab/CC BY-SA 4.0.

Целый ряд элементарных частиц имеет собственное магнитное поле, которое характеризуется величиной, получившей название «магнитный момент». Так, электрон и его более тяжёлый родственник мюон должны иметь магнитный момент, точно равный 2 (в соответствующих единицах измерения). Первые признаки того, что с магнитным моментом мюона что-то не так, исследователи получили в экспериментах по его измерению в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) в 1997—2001 годах. Выявленное крошечное отличие от двух оказалось немного больше, чем предсказывали расчёты по Стандартной модели — теории элементарных частиц. Физики назвали обнаруженное явление мюонной магнитной аномалией. Хотя точность измерения была недостаточно высока, чтобы с уверенностью говорить о реальности расхождения, она была достаточно большой, чтобы вызвать сенсацию и дискуссию среди специалистов.

Дело в том, что, согласно современной квантовой физике, мюоны постоянно испускают и поглощают различные виртуальные частицы, которыми так и кишит физический вакуум вокруг них. Теория предсказывает, что это должно изменять магнитный момент мюона, делая его отличным от 2. Этот эффект, названный «g - 2» (g минус два), должен наиболее ярко проявляться именно у мюонов, которые примерно в 200 раз массивнее электронов. Теоретическое значение g - 2 было получено в результате точного вычисления вкладов всех известных частиц. Поэтому в значительном отличии эксперимента от предсказаний теории могут быть виноваты неучтённые неизвестные типы частиц. Так что эксперимент с мюоном вселил многим физикам надежду на то, что вскоре будут открыты новые фундаментальные частицы.

Чтобы проверить результаты, экспериментаторы в 2013 году перевезли оборудование через полстраны в Национальную ускорительную лабораторию Ферми (Fermilab, США), где можно получить более чистые пучки мюонов, и модернизировали установку. В новом эксперименте пучок мюонов движется по кольцу диаметром 15 метров, удерживаемый полем мощного магнита. Одновременно это магнитное поле заставляет магнитный момент мюонов (грубо говоря, направление «север-юг» магнита) прецессировать, поворачиваться, описывая конус, подобно оси волчка или юлы. Скорость прецессии зависит от магнитного момента частиц. Измерив её с очень большой точностью, исследователи вычисляют магнитный момент мюонов.

Очередной сбор данных был начат в 2018 году, и 7 апреля 2021 года исследователи представили результаты первого года работы, опубликовав их в журнале «Physical Review Letters». Новый результат почти полностью совпал со старым, расхождение между теоретическими и экспериментальными значениями не исчезли. Хотя за 15 лет методы теоретических расчётов эволюционировали и их точность сильно возросла. Отметим, что исследователи измерили g - 2 с точностью до 46 миллионных долей процента. Значит, это не было ни статистической случайностью, ни продуктом какой-то необнаруженной ошибки в эксперименте.

Любопытны и меры предосторожности, предпринятые исследователями, чтобы избежать подсознательной подгонки результатов. Те, кто проводил анализ, не знали точной частоты цифровых часов в приборах, которая необходима для расчёта значения g - 2. В итоге результаты были изображены на графике, оси которого имели несколько неопределённые масштабы. Точное значение частоты было известно только двум физикам, не являющимся членами коллаборации. Только 25 февраля 2021 года на телеконференции, в которой участвовало более 200 членов команды, два соруководителя эксперимента открыли конверт, содержащий секретную тактовую частоту. Когда они ввели число в компьютер, тот показал истинное значение g - 2.

Однако сомнения остаются. Вместе новые и старые результаты увеличили отклонение экспериментального значения от теоретического лишь до 4,2σ. Сигмой (σ) в статистическом анализе обозначают стандартное отклонение. Опуская детали, скажем, что с помощью стандартного отклонения можно оценить достоверность полученного результата. Отличие в интервале от 3σ до 5σ даёт основания предполагать реальность нового явления. Однако в своих выводах экспериментаторам необходимо быть осторожными, поскольку история знает немало случаев, когда открытия с подобными отличиями в итоге не подтверждались. Многолетний опыт исследований показал, что уверенно говорить об открытии можно, только когда результаты отличаются более чем на 5σ.

Россию в коллаборации «Muon g - 2», занимавшейся этими исследованиями, представляют Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера (г. Новосибирск) и Объединённый институт ядерных исследований (г. Дубна).

2. Физики квантово запутали макрообъекты

Когда произносят слово «квантовый», все, как правило, представляют какие-нибудь очень маленькие, микроскопические объекты вроде атомов, электронов или фотонов. Именно они в первую очередь демонстрируют поведение и эффекты, которые описывает квантовая механика. Однако макроскопические объекты, состоящие из большого числа атомов, тоже могут проявлять квантовые свойства. Правда, условия для этого создать трудно, и лишь точные и изобретательные эксперименты могут их обнаружить. Но зачем, спрашивается, надо это делать? Оказывается, у этих исследований есть важная практическая сторона: создание очень чувствительных и точных сенсоров или сверхбыстрых устройств для вычислений, преобразования информации и коммуникаций.

034_2.jpg

Крошечные алюминиевые мембраны, которые удалось квантово запутать и точно измерить их связанные квантовые свойства.  Фото: John Teufel /NIST.

В этом году исследователям из Национального института стандартов и технологий (NIST, США) удалось экспериментально изучить квантовые явления в макроскопических механических системах. Они показали, как можно сгенерировать в них квантовое запутанное состояние и экспериментально доказать его наличие. Результаты работы были опубликованы в журнале «Science».

В качестве объекта исследований физики использовали две сверхпроводящие алюминиевые пластины, которые служат одной из пластин конденсатора. Те включены в электрическую цепь, изменение напряжения в которой приводит к фиксируемым с помощью радиолокации механическим колебаниям мембран. Экспериментаторы использовали микроволновые импульсы для возбуждения системы и затем измеряли связь (корреляцию) колебаний мембран. Суть дела в том, что тонкие статистические взаимосвязи между их движениями оказались невозможными для классического мира и могли возникнуть только за счёт квантовой запутанности.

Идея подобного эксперимента не нова, она возникла в NIST около десяти лет назад, но тогда механическими элементами были отдельные атомы. Мембраны же огромны, по квантовым меркам. Их размер 20 x 14 микрометров, толщина 100 нанометров и масса 70 пикограмм, что соответствует примерно 1 триллиону атомов. Запутывать массивные объекты крайне сложно, потому что они сильно взаимодействуют с окружающей средой, в результате чего могут разрушаться хрупкие квантовые состояния.

Исследователи применили два одновременных микроволновых импульса для охлаждения мембран (отбора энергии с целью уменьшения теплового шума), ещё два — для их запутывания и последние два — для усиления и записи сигналов, представляющих квантовые состояния пластин. Решение этой задачи потребовало тщательного подбора частоты и длительности импульсов.

Кванты колебаний мембран эквивалентны квазичастицам, так называемым фононам. Вот для них и была выявлена квантовая запутанность, которую удавалось поддерживать в течение примерно миллисекунды, что весьма долгое время в квантовом мире.

В классическом мире колебания мембран в рассматриваемых условиях должны были быть случайными. Однако эксперимент выявил необычные закономерности, свидетельствующие о том, что они запутались. Чтобы быть уверенными, исследователи провели эксперимент 10 тысяч раз, применяя специальные тесты.

3. Новые вехи в развитии термоядерного синтеза

В эксперименте по инерциальному термоядерному синтезу, который проходит в Национальном комплексе зажигания (National Ignition Facility, NIF), входящем в состав Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США), удалось получить 70% выхода от термоядерной реакции по отношению к энергии, затраченной на поддержание реакции. Несмотря на то, что это значение всё ещё не достигло уровня безубыточности (100%), оно более чем на порядок превысило предыдущие результаты, и некоторые эксперты оценили данный результат как наиболее значительный прогресс в инерциальном синтезе с момента его начала в 1972 году.

До этого лидерами в выработке энергии (67%) были установки, использующие магнитное поле для удержания сверхгорячей плазмы в течение достаточно долгого времени, чтобы нагреть её до температур, при которых происходит термоядерная реакция. К этому типу реакторов относятся токамаки (тороидальная камера с магнитными катушками) и гигантский проект ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor), строящийся сейчас во Франции. Правда, ожидается, что ИТЭР заработает не ранее, чем через десять лет.

NIF — научный комплекс, созданный для осуществления другого подхода, который получил название инерциального термоядерного синтеза. Его идея заключается в быстром и равномерном нагреве термоядерного топлива с помощью лазеров, так, чтобы образовавшаяся плазма успела прореагировать до разлёта. Установка NIF использует гигантский лазер, размещённый на объекте размером с три футбольных поля, для создания 192 лучей, фокусирующихся на цели в виде короткого мощного импульса, передающего 1,9 мегаджоулей (МДж) за 20 наносекунд. Капсула-мишень представляет собой крошечную сферу, заполненную дейтерием и тритием, установленную внутри золотого цилиндра размером с ластик на карандаше. Золото испаряется, создавая импульс рентгеновского излучения, который взрывает капсулу, превращая термоядерное топливо в крошечный шар плазмы, достаточно горячий и плотный, чтобы зажечь в нём термоядерный синтез.

Теоретически, если такие крошечные термоядерные взрывы запускать 10 раз в секунду, то термоядерная электростанция могла бы эффективно работать. Но пока исследователям удалось получить на выходе лишь чуть более 1,3 МДж. Но и это — значительное достижение, поскольку предыдущие попытки давали всего около 0,1 МДж. Совершённый прорыв открывает перспективы для получения реального рабочего режима реактора в обозримом будущем. Термоядерные реакторы уже давно востребованы из-за возможности выработки огромного количества энергии и высокой экологичности.

Для российских исследователей этот результат представляет большой интерес, поскольку в начале 2022 года планируется ввести в строй установку для инерциального термоядерного синтеза УФЛ-2М, сооружаемую на территории РФЯЦ-ВНИИЭФ в городе Саров Нижегородской области. Она должна стать самой мощной в мире. В ней к мишени будет подводиться 2,8 мегаджоулей энергии, что в полтора раза больше, чем у NIF. Кроме того, российская установка должна обеспечить более равномерный нагрев, что служит значимым фактором для достижения успеха. Имея опыт предыдущих экспериментов, у специалистов ВНИИЭФ есть все шансы первыми в мире добиться желаемого «зажигания» термоядерных реакций в мишенях. Правда, пока заработает только четверть каналов, а на полную мощность установка выйдет в 2027 году. Подробнее об УФЛ-2М можно прочитать в материале «В Сарове смонтирована камера установки для лазерного термоядерного синтеза» («Наука и жизнь» № 6, 2019 г., с. 12).

Параллельно в нашей стране ведутся работы и по другому направлению. В мае 2021 года в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» осуществлён запуск термоядерной установки токамак Т-15МД, модифицированной версии реактора Т-15, который работал в Курчатовском институте с конца 1980-х. Отметим, что это первая за последние 20 лет новая термоядерная установка, построенная в России, причём по своим характеристикам она не имеет аналогов в мире. Установка входит в структуру международного термоядерного проекта ITER и будет использоваться для решения исследовательских задач.

4. В России запущен пик

В феврале 2021 года в России запустили в энергетическом режиме самый мощный в мире высокопоточный исследовательский нейтронный реактор ПИК (Пучковый Исследовательский Корпусной). Он предназначен для изучения нейтронов и применения нейтронного излучения для большого числа фундаментальных и прикладных научных исследований. Сам по себе реактор представляет источник нейтронов, а в состав комплекса войдут ещё несколько десятков различных экспериментальных установок. Расположен комплекс на территории Петербургского института ядерной физики (ПИЯФ) в городе Гатчина и занимает более 30 гектаров. Его строительство началось ещё в 1976 году, но позднее было остановлено. Возобновление работ произошло лишь четверть века спустя, и вот наступил долгожданный переход в рабочий режим.

034_3.jpg

Реакторный зал исследовательского нейтронного реактора ПИК. Сам реактор располагается внутри цилиндра защиты. Фото: ПИЯФ.

ПИК отличается от большинства аналогичных зарубежных проектов увеличенными нейтронными потоками и возможностью облучения материалов в активной зоне. Максимальная плотность потока тепловых нейтронов соответствует рекордным значениям, полученным в реакторах непрерывного действия. На проектную мощность 100 МВт реактор выйдет в 2022 году.

Ожидается, что реактор станет основой Международного центра нейтронных исследований мирового класса. Мегаустановки такого уровня предназначены для коллективного использования и служат свидетельством научно-технологического потенциала и конкурентоспособности страны. Ввод в эксплуатацию комплекса ПИК обеспечит существенное увеличение доли России на мировом рынке оказания высокотехнологичных услуг по использованию нейтронных и ядерных методов в разработке новых материалов, изделий и технологий.

Свойства нейтронного излучения делают его универсальным инструментом для исследований атомных и молекулярных структур в различных сферах науки: физике, материаловедении, биологии, биофизике, медицине и даже археологии. Планируется использовать нейтроны различных энергий, но наиболее интересны и ценны так называемые тепловые или медленные нейтроны, кинетическая энергия которых близка к наиболее вероятной энергии теплового движения молекул газа при комнатной температуре. Длина их волны составляет 1,5—2 ангстрема (10-10 м), что сравнимо с размерами атомов и молекул и позволяет их изучать. Ведь размер инструмента должен соответствовать размеру исследуемого объекта. Более энергичные нейтроны с меньшей длиной волны могут быть использованы для исследования атомных ядер.

В качестве любопытных фактов отметим, что размер зоны, где протекает порождающая нейтроны цепная реакция, занимает объём всего 50 литров. От неё в разные стороны проложена разветвлённая сеть горизонтальных и наклонных нейтроноводов общей длиной 250 м, ведущих в залы, где будут смонтированы экспериментальные установки.

5. Космический зонд «Паркер» впервые «прикоснулся» к Солнцу

Космический аппарат Parker Solar Probe (NASA) был запущен в 2018 году, чтобы непосредственно исследовать Солнце, как можно ближе приблизившись к нему. И вот 28 апреля 2021 года, спустя три года, при прохождении очередного перигелия он вошёл в солнечную корону на высоте 13 млн км над фотосферой и пробыл там около пяти часов. Впервые в истории космический корабль «коснулся» Солнца. Это гигантский скачок в науке, изучающей наше светило. Прикосновение к веществу, из которого оно состоит, даст астрофизикам важную информацию о нашей ближайшей звезде и её влиянии на Солнечную систему. Возможно, теперь физики смогут раскрыть давнюю загадку Солнца: как корона нагревается до миллионов градусов, что намного горячее, чем сама поверхность Солнца под ней. Первые результаты, описывающие взаимодействие зонда с солнечной короной, опубликованы 14 декабря 2021 года в журнале «Physical Review Letters».

034_4.jpg

Сравнение траектории зонда «Паркер» (отмечена красным цветом), модельного прогноза расположения критической поверхности Альвена (голубой цвет) и усреднённого числа солнечных пятен (зелёная линия). По горизонтали отложена дата, по левой вертикальной оси — расстояние от Солнца в солнечных радиусах (он равен примерно 700 000 км), по правой — число солнечных пятен. Иллюстрация из статьи: J. C. Kasper et al. Phys. Rev. Lett. 127, 255101/CC BY 4.0.

21 ноября 2021 года «Паркер» сблизился с Солнцем уже на 8,5 млн км, став самым близким к нему искусственным объектом. Предыдущий рекорд, 42,73 млн км от поверхности Солнца, был установлен космическим аппаратом «Гелиос-2» в апреле 1976 года. Предполагается, что в дальнейшем, осуществив ещё два гравитационных манёвра около Венеры, «Паркер» подойдёт к нашему светилу ещё ближе, ориентировочно на 6,2 млн км.

В отличие от Земли, у Солнца нет твёрдой поверхности, но у него есть протяжённая атмосфера, состоящая из солнечного вещества, связанного со звездой гравитацией и магнитными силами. Однако нагрев и давление удаляют это вещество от Солнца, пока оно не достигнет области, где эти поля уже неспособны его удержать: здесь рождается то, что мы называем солнечным ветром. Эта область, известная как критическая поверхность Альвена, может считаться концом солнечной атмосферы и границей Солнца. Далее частицы солнечного ветра движутся сквозь Солнечную систему, в том числе «обдувая» Землю.

До сих пор исследователи не знали точно, где именно находится критическая поверхность Альвена, делая оценки лишь на основе изображений короны. Измерения магнитного поля и других параметров, проведённые 28 апреля, показали, что зонд пересёк критическую поверхность и впервые вошёл в солнечную атмосферу. В ходе дальнейшего полёта он несколько раз входил в корону и выходил из неё. Это доказало то, что предсказывали некоторые исследователи: критическая поверхность Альвена не имеет формы гладкого шара. Скорее, она — «морщинистая», у неё есть шипы и впадины. Обнаружение мест, где эти выступы находятся, и сопоставление их с солнечной активностью помогут учёным узнать, как события на Солнце влияют на атмо-сферу и солнечный ветер.

В какой-то момент «Паркер» прошёл через так называемый псевдостример — огромную плазменную структуру, которая возвышается над поверхностью Солнца, разделяя коронарные дыры — области в солнечной короне, где понижены плотность и температура плазмы. Эту плазменную структуру можно увидеть с Земли во время солнечных затмений.

6. Новое о нейтрино

13 марта 2021 года на Байкале официально был введён в строй крупнейший в Северном полушарии глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector — детектор объёмом в миллиард тонн). Подробнее об этом можно прочитать в статье «Нейтрино ловят на глубине» («Наука и жизнь» № 5, 2021 г., с. 17). Главная задача телескопа — исследование потоков нейтрино сверхвысоких энергий от космических источников, так называемых астрофизических нейтрино (о них можно прочитать в статье «Космические нейтрино высоких энергий рождаются квазарами», «Наука и жизнь» № 4, 2021 г., с. 14). Подобные частицы помогают исследователям разобраться в протекании самых мощных космических процессов, понять ранние стадии эволюции Вселенной, тёмной материи и тёмной энергии. Располагаясь в Северном полушарии, Baikal-GVD будет сквозь Землю видеть нейтрино, приходящие из Южного полушария. Таким образом, на пару с IceCube, расположенным в Антарктиде, они будут покрывать всё небо, давая полную картину нейтринных событий.

034_5.jpg

Спуск под воду Байкала оптического модуля нейтронного телескопа Baikal-GVD во время зимней экспедиции 2021 года. Фото Баира Шайбонова/Baikal-GVD.

Вывод о том, что источниками астрофизических нейтрино служат квазары, обосновали российские астрономы Ю. Ю. Ковалёв, А. В. Плавин (ФИАН) и С. В. Троицкий (ИЯИ РАН). Им пришла в голову неожиданная идея проследить радиоизлучение квазаров, которые находятся в направлениях, откуда пришли нейтрино. Анализ показал, что эти квазары — более яркие, чем остальные, а статистический анализ выявил их значимый вклад в поток нейтрино. Финальная статья, описывающая их исследования, появилась в феврале 2021 года. Ещё одним важным открытием российских астрофизиков стало нахождение областей рождения нейтрино с помощью радиоинтерферометрии с очень длинной базой. Оказалось, нейтрино возникают в центральных областях галактик, размером в несколько парсек, где и располагаются сверхмассивные чёрные дыры.

А 14 декабря 2021 года нейтринная обсерватория IceCube объявила о наблюдении астрофизического нейтрино, пришедшего из области, где находится один из самых ярких на небе радиоблазаров — PKS 0735+17. Причём одновременно радиоблазар произвёл самую мощную вспышку в гамма-диапазоне и видимом диапазоне излучения за всю историю наблюдений за ним. Такое совпадение очень важно для исследователей. Заметим, что совпадение времени прихода нейтрино и вспышки блазара — всего второе за десятилетнюю историю наблюдений. Через четыре часа нейтрино с того же направления зарегистрировал Baikal-GVD. Впервые два крупнейших в мире нейтринных телескопа обнаружили нейтрино, возможно, от одного источника.

7. Как внутри устроен Марс?

Сразу три статьи, опубликованные в июле 2021 года в журнале «Science», сообщают результаты первого в истории сейсмического исследования Марса сейсмометром SEIS, разработанным во Франции для миссии NASA InSight. На основе анализа отражённых и модифицированных сейсмических волн от более десяти землетрясений на Марсе исследователи впервые дают оценку размера ядра планеты, толщины её коры и структуры мантии, показав, что у Марса тонкая кора, неглубокая мантия и необычно большое жидкое ядро, занимающее около половины толщины планеты.

034_6.jpg

По данным сейсмических исследований, у Марса должно быть огромное ядро и тонкая кора. Рисунок: IPGP/David Ducros. 

Внутренняя структура Марса до этого года была плохо изучена. Имеющиеся модели основывались только на анализе спутниковых гравиметрических и топографических данных, значений момента инерции и плотности планеты. После размещения прибора SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure — Сейсмический эксперимент для внутренней структуры) на поверхности Марса в начале 2019 года ситуация изменилась. С тех пор планетологи собрали и проанализировали сейсмические данные от более 600 землетрясений за марсианский год (почти два земных года).

Проблема заключается в том, что для сейсмических исследований, изучающих строение планеты по прохождению упругих волн, которые возникают при землетрясениях, требуется более одной станции, поскольку надо запеленговать местоположение источника волн, а затем определить расстояние до него. Однако на Марсе у планетологов в наличии была только одна станция. Поэтому им было необходимо отыскать в сейсмических записях своеобразное эхо — волны, отражённые от ядра, границы кора-мантия и даже от поверхности Марса. Поиск производился по сходству отражённого сигнала с прямым. Эти измерения в сочетании с минералогическим и тепловым моделированием внутренней структуры планеты позволили вести исследования даже с одной станцией. Разработанный метод открывает новую эру в планетарной сейсмологии.

Сейсмические исследования на Марсе затруднены ещё и тем, что землетрясений там мало и они слабые (магнитуда менее 3,5), а их регистрации мешает сейсмический шум, создаваемый ветрами и деформациями пород при быстрых изменениях температуры. Но очень высокая чувствительность датчика и тщательная фильтрация помех помогли исследователям сделать открытия, которые, как считалось ранее, были возможны только при землетрясениях с магнитудой более 4.

Вероятно, кора Марса имеет толщину от 24 до 72 км с очень глубокой литосферой, близкой к 500 километрам. В коре планеты планетологи обнаружили несколько слоёв. Очень интересен первый, наблюдаемый на глубине около 10 км, поскольку он отмечает границу между сильно изменённой структурой, возникшей в результате давней циркуляции жидкости, и незначительно изменённой корой. Благодаря такой тонкой оболочке Марс быстро избавился от своего первоначального внутреннего тепла.

Проанализировав разницу между временем прохождения прямых волн, возникших непосредственно во время землетрясения, и волн, возникших при их отражении от поверхности планеты, исследователи определили структуру верхней мантии Марса и, в частности, измерили изменение сейсмических скоростей с глубиной. По этим данным можно оценить тепловой поток Марса, который, вероятно, в три—пять раз ниже, чем у Земли, и наложить ограничения на состав марсианской коры, которая, вероятно, сильно обогащена радиоактивными элементами. Считается, что кора Марса содержит более половины тепловыделяющих радиоактивных элементов, имеющихся у планеты и помогающих нагревать её.

Волны, отражённые от поверхности ядра Марса, помогли измерить его радиус, что стало одним из главных достижений миссии. Сложность работы заключалась в низких амплитудах отражённых волн. Для определения характеристик внутренней структуры планеты учёные протестировали несколько тысяч моделей мантии и ядра, сравнивая возможные сигналы от них с наблюдаемыми. Ядро оказалось большим, радиусом от 1790 до 1870 км, со средней плотностью от 5,7 до 6,3 грамма на кубический сантиметр. Такая плотность подразумевает присутствие значительного количества лёгких элементов, растворённых в железоникелевом жидком ядре, и имеет серьёзные последствия для минералогии мантии на границе раздела с ядром.

Это исследование позволит сделать большой шаг в понимании формирования и эволюции Марса, поскольку ключ к разгадке геологической истории планеты содержится в её внутренней структуре, особенно в её ядре.

8. Портрет чёрной дыры в поляризованном свете

Международная коллаборация Event Horizon Telescope (EHT, Телескоп горизонта событий), объединяющая восемь телескопов по всему миру, несколько лет пристально наблюдала за гигантской чёрной дырой (в 6,5 миллиарда раз массивнее Солнца), находящейся в центре огромной эллиптической галактики M 87, примерно в 55 миллионах световых лет от нас. В 2019 году коллаборация получила первое в истории изображение чёрной дыры (об этом можно прочитать в статье «Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы», «Наука и жизнь» № 5, 2019 г., с. 18).

034_7.jpg

Изображение сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики M 87 в поляризованном свете. Линии отмечают ориентацию поляризации, связанную с магнитным полем вокруг тени чёрной дыры. Иллюстрация: EHT Collaboration/CC BY 4.0.

Кроме того, было обнаружено, что значительная часть света вокруг чёрной дыры M 87 поляризована. В марте 2021 года, после двух лет исследований, которые потребовались из-за сложных методов, связанных с получением и анализом данных, коллаборация опубликовала новое изображение чёрной дыры, но уже в поляризованном свете. Видимые на изображении линии, похожие на крутящийся вихрь, показывают ориентацию поляризации света, которая, в свою очередь, связана с сильным магнитным полем вокруг тени чёрной дыры. Впервые астрономы смогли измерить поляризацию и характеристики магнитных полей так близко к краю чёрной дыры. Эта работа является важной вехой, поскольку поляризация света несёт в себе информацию, которая позволяет нам лучше понять физику процессов, происходящих возле чёрных дыр.

Свет становится поляризованным, когда он проходит через среду с определёнными свойствами или когда он излучается в горячих областях космического пространства, где присутствуют сильные магнитные поля. Поляризационные солнцезащитные очки, в которых стёкла пропускают свет только с одним направлением колебаний электрического поля, улучшают восприятие изображения, поскольку гасят блики от ярких поверхностей (это происходит благодаря тому, что бликующий отражённый свет тоже поляризован, но другим образом). Астрономы также могут отсеивать ненужное и разглядывать особенности объекта, используя поляризацию излучаемого света.

Дальнейшее изучение структуры поляризации даёт важную информацию о магнитном поле чёрной дыры, картину его силовых линий. А ведь многие процессы вблизи чёрных дыр связаны именно с магнитным полем, в частности, формирование ярких струй излучения и вещества (джетов), выходящих из ядра. У M 87 джеты простираются не менее чем на 5000 световых лет от её центра. Астрономы пока не знают, как именно из её центральной области, которая по размеру сопоставима с Солнечной системой, запускаются струи размером больше самой галактики. Возможно, исследование поляризации света прояснит механизмы их формирования.

Полученное изображение проясняет и процесс падения вещества на чёрную дыру. Исследователи пришли к выводу, что только теоретические модели с сильно намагниченным газом могут объяснить наблюдаемую картину на горизонте событий. Именно благодаря магнитному полю такое вещество способно противостоять гравитации и двигаться к горизонту событий по спирали.

9. Запущен мощнейший космический телескоп

Буквально за день до подписания январского номера в печать произошло ещё одно значительное событие: 25 декабря 2021 года NASA после нескольких переносов старта запустило космический телескоп «Джеймс Уэбб». Первостепенными задачами инфракрасной обсерватории станут исследования первых галактик в ранней Вселенной, Солнечной системы, а также экзопланет.

Старт прошёл успешно, теперь космический аппарат производит маневрирование, чтобы в конце января выйти на заданную орбиту на расстоянии около 1,5 млн км от Земли. Первые научные исследования начнутся летом 2022 года.

Статьи по теме

 

Читайте в любое время

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее

Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки