Одно из самых фундаментальных и загадочных понятий в квантовой теории поля — это ложный вакуум.

1. РАСПАД ЛОЖНОГО ВАКУУМА ОБНАРУЖЕН

Одно из самых фундаментальных и загадочных понятий в квантовой теории поля — это ложный вакуум. Обычно люди считают, что вакуум — пространство без частиц вещества. Однако пространство не может быть свободно от материи, в роли которой выступают поля, тем более что, по современным представлениям, частицы — тоже кванты соответствующих полей. Физики под вакуумом подразумевают состояние, в котором энергия полей внутри данного объёма пространства минимальна. Но из-за поля Хиггса вакуум нашей Вселенной может быть ложным, то есть обладать не самой минимальной энергией. Это означает, что состояние, в котором находится Вселенная, не имеет абсолютной стабильности, ведь любая физическая система стремится к минимуму энергии.

Система изначально находится в состоянии A, которое соответствует ложному вакууму, поскольку не обладает абсолютным минимумом энергии (энергетический профиль показан жирной линией). Туннелирование происходит к состоянию B, которое имеет пузырь в центре. Пересечение барьера может быть вызвано либо квантовыми, либо тепловыми флуктуациями. Затем пузырёк растёт, и система достигает состояния истинного вакуума C.  Источник: Zenesini A. et al. Nat. Phys. 20, 558—563 (2024).

Если вакуум — ложный, всегда существует вероятность, что он в некоторый момент времени в результате туннельного перехода превратится в истинный стабильный вакуум. Это явление получило название «распад ложного вакуума». Выглядеть распад может так. В какой-то момент в ложном вакууме появляется пузырь истинного вакуума. Если это энергетически выгодно, то пузырь начнёт расширяться, постепенно разгоняясь до скорости света. Результат будет катастрофическим для «старой» Вселенной, поскольку выделится много энергии, которая ранее была «запасена» в ложном вакууме. Теоретически это может иметь кардинальные последствия для физики и космологии. Например, привести к изменению фундаментальных констант и законов природы и даже стать причиной Большого взрыва, подобного тому, из которого возникла наша Вселенная. Однако до сих пор не было никаких экспериментальных доказательств существования распада ложного вакуума.

И вот группа итальянских и английских физиков объявила, что зарегистрировала распад ложного вакуума в ферромагнитной сверхтекучей жидкости. Статья об эксперименте опубликована в «Nature Physics». Для его проведения исследовали сверхохлаждённый газ, состоящий из атомов натрия-23, который был помещён в магнитную ловушку. При температуре менее микрокельвина газ переходил в состояние конденсата Бозе — Эйнштейна, когда атомы ведут себя как одна большая квантовая волна. Это состояние можно рассматривать как аналог квантового поля. Физики добились, чтобы спиновое состояние атомов соответствовало локальному минимуму энергии. Затем на конденсат было наложено внешнее магнитное поле, меняющее его свойства. В определённых областях газа возникали условия, при которых он становился нестабилен и мог распадаться. При этом в газе появлялись пузырьки, и в них газ имел другие характеристики, чем в основном объёме. Эти пузырьки были зарегистрированы с помощью лазерного излучения, которое отражалось от них.

Но паниковать пока рано. Доказана лишь возможность распада системы, аналогичной ложному вакууму. Это не означает, что такая возможность есть у нашей Вселенной.

2. ЯДЕРНЫЕ ЧАСЫ

Самые точные в настоящее время — атомные часы, которые для измерения времени используют энергетические переходы электронов в атомах. В качестве стандарта сейчас выбраны атомы цезия, хотя созданы и более точные часы на стронции. Они отстают или спешат всего на секунду за 30 миллиардов лет! Но ещё на порядок точнее могут стать часы, использующие энергетические переходы в ядре атома. Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов, и когда одна из этих частиц поглощает фотон, ядро на некоторое время переходит в возбуждённое состояние с большей энергией. Однако силы взаимодействия нуклонов в ядре очень велики, и, чтобы вызвать эти энергетические скачки, требуется, как правило, гамма-излучение крайне высокой частоты, которое трудно получить с помощью современных технологий.

Установка для точного измерения энергии, необходимой для возбуждения ядра тория-229.  Фото: Chuankun Zhang/JILA.

Физики из немецкого Национального института метрологии в Брауншвейге Эккехард Пейк и Кристиан Тамм ещё в 2003 году предложили часы на основе тория-229, ядро которого имеет наименьший известный энергетический скачок, требующий примерно в 10 000 раз меньше энергии, чем типичное ядерное возбуждение, — для него достаточно всего лишь ультрафиолетового света. Однако потребовалось двадцать лет, чтобы реализовать это на практике. В первую очередь нужно было определить точную энергию (частоту), которая требуется лазеру для возбуждения рассматриваемого ядерного состояния.

В 2024 году сразу три группы исследователей сообщили об успехе. Первой стала команда CERN, в её работе принял участие и сам Пейк. Но наибольших результатов добилась международная исследовательская группа под руководством учёных из JILA, объединённого института Университета Колорадо в Боулдере (США) и Национального института стандартов и технологий (NIST, США). Участники этой группы смогли измерить частоту в миллионы раз точнее других и создать, по сути, все основные части ядерных часов. Недаром их статья в журнале «Nature» 5 сентября 2024 года стала заглавной и была вынесена на обложку. Кроме того, они установили первую прямую частотную связь между ядерным переходом и атомными часами, которые используют стронций. Всё это — важнейшие шаги в разработке функционирующих ядерных часов и их интеграции с существующими системами хронометража.

Ядерные часы на тории-229 будут иметь несколько преимуществ перед атомными. Они более надёжны, поскольку ядро защищено от внешнего мира электронными облаками и невосприимчиво к большей части фоновых помех, которые преследуют даже лучшие атомные часы. Более высокая частота возбуждающего лазера напрямую связана с большим количеством «тиков» часов в секунду и, следовательно, приводит к более точному измерению времени.

Устойчивость ядерного состояния зависит от точного баланса между двумя фундаментальными силами природы: электромагнитная сила между положительно заряженными протонами пытается разорвать ядро на части, в то время как сильное взаимодействие удерживает нуклоны вместе. Благодаря этому ядерный часовой переход чрезвычайно чувствителен к изменениям этих сил и способен выявить изменчивость многих фундаментальных констант физики, входящих в уравнения, описывающие законы природы и свойства материи. Эти числа, такие как скорость света, гравитационная постоянная или элементарный заряд, определяют, как всё работает в нашей Вселенной. Физики полагают, что, несмотря на название, некоторые из постоянных могут всё же зависеть от времени. Поэтому исследователи планируют использовать ядерные часы как инструмент для изучения фундаментальных сил. Возможно, они помогут обнаружить тёмную материю или проверить теорию струн без необходимости использования крупномасштабных ускорителей частиц.

Для обычных людей создание ядерных часов будет означать ещё более точные навигационные системы, более высокую скорость Интернета, более надёжные и безопасные сетевые соединения и цифровую связь.

3. ГРАВИТАЦИЯ ДЛЯ МИКРОЧАСТИЦЫ

Квантовая физика описывает наш мир в микромире, а теория гравитации Альберта Эйнштейна — на огромных космических масштабах. За прошедшие 100 лет обе теории прошли множество экспериментальных проверок, но, несмотря на все успехи, они «отказываются» объединяться. Остальные три фундаментальные силы: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие уже имеют квантовое описание, а вот для четвёртой силы — гравитации — его не существует. А ведь создание квантовой гравитации, возможно, позволило бы разгадать некоторые загадки нашей Вселенной и объединить все силы в одно взаимодействие.

Сверхпроводящая магнитная ловушка и многоступенчатая система «масса-пружина» для изоляции экспериментальной камеры от внешних вибраций. Источник: Fuchs T. M. et al. Science Advances, 10, 8, 2024.

Проблема экспериментального исследования гравитационного взаимодействия в микромире, где доминируют квантовые эффекты, заключается в его крайней слабости. Заметным оно становится лишь в макроскопических масштабах при больших взаимодействующих массах. Соответственно, мы не знаем, проявляются ли в микромире квантовые эффекты гравитации.

Однако в этом году международная группа учёных из Саутгемптонского (Великобритания) и Лейденского (Нидерланды) университетов и Института фотоники и нанотехнологий в Тренто (Италия) сделала важный шаг в решении этой проблемы, успешно обнаружив гравитационное притяжение крошечной частицы массой 0,48 мг. Это наименьшая масса, которую когда-либо пытались исследовать таким образом.

Частица была изготовлена из магнитного неодимового сплава (Nd2Fe14B), что позволило ей левитировать в сверхпроводящей магнитной ловушке при температуре всего на несколько сотых градуса выше абсолютного нуля. Эта было необходимо, чтобы до минимума ограничить колебания частицы. Исследователи измеряли силу её притяжения к латунным брускам с массой 2,48 кг. Для исключения влияния механических вибраций на ход эксперимента вся установка была закреплена на бетонном блоке весом 25 тонн, находящемся на пневматических демпферах. Кроме того, внутренняя часть установки с магнитной ловушкой была подвешена на системе пружин, гасящих вертикальные и боковые вибрации. В итоге физикам удалось измерить гравитационное притяжение всего в 30 аттоньютонов (1 аН = 10-18 Н)!

Этот эксперимент прокладывает путь для измерений с ещё меньшими массами, что, возможно, позволит обнаружить эффекты квантовой гравитации. Данный метод лучше подходит для измерений гравитационных взаимодействий малых масс, чем оптические ловушки, из-за отсутствия проблем с нарушением когерентности и шума из-за нагрева системы лазером.

4. НОВЫЙ ТИП МАГНЕТИЗМА

На протяжении последних 100 лет люди знали о существовании двух типов магнитных материалов. Их поведение связано с тем, что внутри твёрдых материалов атомы окружены электронами, имеющими спин, и благодаря ему электроны наделяют каждый атом собственным крошечным магнитным полем. В ферромагнетиках все спины внутри материала могут быть упорядочены, что приводит к их намагниченности. Так получаются постоянные магниты. В антиферромагнетиках спины соседних атомов направлены в противоположные стороны, поэтому их суммарная намагниченность нейтрализуется. Поскольку такое расположение гораздо более стабильно, антиферромагнетики практически невозможно намагнитить. Когда французский физик Луи Неель получил Нобелевскую премию в 1970 году за свои открытия в этой области, он описал антиферромагнетизм как явление интересное, но бесполезное. Однако совсем недавно учёные начали разрабатывать методы создания спин-тронных устройств из антиферромагнетиков. Хотя их спинами сложнее манипулировать, они могут переворачиваться в 1000 раз быстрее, чем спины в ферромагнетиках, что повышает скорость обработки информации.

Свойства большинства магнитных материалов зависят от направления магнитных полей атомов (спинов). В альтермагнетиках атомы и их спины вращаются независимо, что придаёт им свойства как ферромагнетиков, так и антиферромагнетиков. Рисунок: A. Mastin/Science.

Пять лет назад исследователи обнаружили признаки совершенно нового вида магнитных материалов, обладающих свойствами материалов обоих старых видов. Их назвали альтермагнетиками. В этих материалах спины могут вращаться независимо от атомов. Альтермагнетики объединяют в себе самые ценные особенности ферромагнетиков и антиферромагнетиков. С одной стороны, они обладают нулевой суммарной намагниченностью и наделены стабильностью и высокой скоростью переворота спина антиферромагнетика. С другой стороны, альтермагнетик, как и ферромагнетик, можно легко намагнитить, что позволяет создавать из них устройства памяти.

Согласно теоретическим прогнозам, более 200 материалов должны демонстрировать новое явление, что в два раза больше, чем число известных ферромагнитных материалов, однако проблема заключается в их опознании. Исследователи освещают материал лазерным светом, чтобы заставить его испускать электроны. Измеряя свойства этих электронов, они ищут предсказанный теоретически отличительный признак альтермагнетизма — специфическое расщепление энергии электронов. В январе 2024 года физики из Южной Кореи, наконец, обнаружили такое расщепление энергии электронов в теллуриде марганца.

Метод распознания альтермагнетиков подтверждён, теперь исследователи должны научиться синтезировать подобные материалы и использовать их на практике.

5. ОБНАРУЖЕН СВЕРХБЫСТРЫЙ ЭФФЕКТ КАПИЦЫ — ДИРАКА

В основе современной квантовой механики лежит выдвинутая в 1923 году идея французского физика Луи де Бройля, что частицы могут проявлять волновые свойства. Своё экспериментальное подтверждение она получила в 1927 году, когда американские физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер направили пучок электронов на кристалл никеля и на приёмном экране обнаружили дифракционную картину: максимум отражённого пучка соответствовал тому, что электрон ведёт себя как волна с длиной, предсказанной де Бройлем. Именно так ведут себя при рассеянии на кристалле электромагнитные волны, например рентгеновское излучение. А в 1928 году уже в Англии Джордж Томсон, пропустив пучок электронов через тонкую золотую фольгу, увидел на экране за ней дифракционную картину (набор максимумов), подобную той, которую создаёт свет, проходя дифракционную решётку, то есть соответствующую волне. Роль дифракционной решётки для электронов играла кристаллическая решётка вещества. Де Бройль, Дэвиссон и Томсон стали за свои открытия нобелевскими лауреатами по физике.

В 1933 году эти открытия привели Петра Капицу и Поля Дирака к оригинальной идее поменять свет и вещество местами. Дуэт русского и английского физиков предсказал отражение электронов от стоячей световой волны с появлением дифракционной картины. Свет при этом играл роль дифракционной решётки. Это явление назвали эффектом Капицы — Дирака. Однако получить в те годы устойчивую стоячую световую волну необходимой мощности было невозможно, и к экспериментальному исследованию этого вопроса вернулись только в 1965 году, после создания лазеров. Но лишь в 2001 году эффект Капицы — Дирака удалось наблюдать со всеми нюансами.

В настоящее время эффект Капицы — Дирака обычно используется для калибровки оптических решёток, которые формируются в результате интерференции встречных лазерных лучей. Такая энергетическая решётка может захватывать нейтральные атомы, которые затем охлаждаются и собираются в её максимумах или минимумах. Итоговое расположение захваченных атомов напоминает кристаллическую решётку и может использоваться для квантового моделирования.

Изначально эффект Капицы — Дирака считался независящим от времени. Авторы и экспериментаторы рассматривали стационарную конечную дифракционную картину. Однако немецко-китайская группа под руководством профессора Рейнхарда Дёрнера из Франкфуртского университета имени Гёте в 2024 году сумела измерить эффект за очень короткое время, меньшее времени формирования дифракционной картины. Авторы назвали его сверхбыстрым эффектом Капицы — Дирака. Это даёт возможность по изменяющейся во времени дифракционной картине впервые наблюдать временную эволюцию электронных волн при взаимодействии со светом (с этой точки зрения эффект Капицы — Дирака можно назвать нестационарным). Явление аналогично действию стробоскопа, выхватывающего своими вспышками разные фазы движения. Результаты исследования опубликованы в журнале «Science».

В эксперименте электроны выбивались из атомов ксенона под действием лазерных вспышек длительностью 60 фемтосекунд. Вскоре после этого физики выстреливали по электронам второй парой лазерных импульсов, которые образовывали стоячую волну. Эти импульсы были немного слабее и не вызывали ионизации, но взаимодействовали с электронами. В результате интерференции возникали дополнительные импульсы частиц, которые наблюдались с помощью детектора COLTRIMS, разработанного во Франкфурте.

С точки зрения квантовой механики поведение электронов описывается волновой функцией, которая зависит от того, сколько времени проходит между порождающей их ионизацией и моментом воздействия второй пары лазерных импульсов.

Разработанная технология может иметь огромное значение для понимания поведения квантовых объектов. Она позволит не только наблюдать, как электроны превращаются из квантовых частиц в совершенно обычные частицы, но и управлять ими в этой квантово-механической фазе. А в будущем, возможно, приведёт к созданию новых квантовых технологий и устройств.

6. ТАЙНЫ РАННЕЙ ВСЕЛЕННОЙ ОТ JWST

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) — крупнейший и самый мощный космический телескоп из когда-либо построенных — был специально разработан для изучения первого миллиарда лет Вселенной. Начальный период в несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва астрономы называют «космическим рассветом» — именно тогда родились первые галактики. С самого старта своей работы в 2022 году «Уэбб» стал подбрасывать астрономам загадки. Уже за первые месяцы телескоп обнаружил сотни ярких галактик из первых 650 миллионов лет после Большого взрыва. Исследователи оценили, что некоторые из них — гиганты размером с Млечный Путь, которые, согласно современным теориям эволюции галактик, не должны были вырасти так быстро. Но это были предварительные оценки, которые требовали проверки. И вот в 2024 году появились надёжные детальные исследования, которые принесли много неожиданных результатов, пополнивших растущую массу доказательств того, что современные теории образования галактик неполны. Отметим некоторые.

Галактика, образовавшаяся через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, окружена плотным, холодным, нейтральным газом. Источник: NASA, ESA, CSA, STSc. 

В мае JWST провёл спектральный анализ галактики JADES-GS-z14-0 и определил её возраст всего в 290 миллионов лет после Большого взрыва. Это делает галактику самым далёким обнаруженным на данный момент астрономическим объектом. Но для столь раннего периода она очень ярка и велика, её размер около 1600 световых лет, а видимое количество звёздного света даёт массу галактики в несколько сотен миллионов раз больше массы Солнца!

Кроме того, спектр показал наличие в ней кислорода, который отсутствовал в изначальной Вселенной, а, значит, к этому моменту несколько поколений очень массивных звёзд уже прожили свою жизнь, синтезировав тяжёлые элементы. Причём первые звёзды должны были быть большими и горячими, что делало их излучение голубым. Такие звёзды недолговечны, и мы видим, что цвет галактики покраснел из-за их «выгорания» и возникшей пыли даже в эти очень ранние времена.

Возникает вопрос: как природа могла создать такую яркую, массивную и большую галактику, да ещё прошедшую некоторые этапы эволюции менее чем за 300 миллионов лет? Это противоречит современным теоретическим моделям развития очень ранней Вселенной.

В октябре появилась статья в «Nature Astronomy» о наблюдении за ростом галактики JADES-GS+53.18343-27.79097 «изнутри наружу» всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Эта галактика в сто раз меньше Млечного Пути, но она удивительно зрелая для столь ранней эпохи. Её масса 400 миллионов масс Солнца. Она уже имеет плотное скопление звёзд размером около 100 парсек в своём ядре, а скорость звездообразования в диске радиусом около 400 парсек растёт по направлению к окраинам.

В марте JWST обнаружил самую далёкую и, следовательно, самую раннюю сверхмассивную чёрную дыру массой в 1,6 миллиона Солнц в галактике GN-z11. Первоначально галактика была обнаружена «Хабблом», но точные измерения параметров удалось сделать только сейчас. Оказалось, что это одна из самых молодых галактик с возрастом 430 миллионов лет. Несмотря на это, GN-z11 уже имеет массу в 1% массы Млечного Пути и удивительную яркость, которая затмевает галактики на миллиарды лет старше. Образование новых звёзд в ней происходит примерно в двадцать раз быстрее, чем в нашей Галактике. Чёрная дыра тоже слишком велика для той эпохи, и непонятно, как она успела образоваться. Причём гало, окружающее GN-z11, в основном состоит из гелия при почти полном отсутствии более тяжёлых элементов. По всей видимости, это остаточный материал от самого Большого взрыва.

А в мае JWST обнаружил самое дальнее из известных слияний чёрных дыр. Оно произошло в галактической системе ZS7 спустя 740 миллионов лет после Большого взрыва. Это тоже предполагает быструю скорость роста чёрных дыр, даже в молодой Вселенной.

Все эти открытия стали вызовом для современных теорий образования галактик и вызвали широкую дискуссию. Появились даже высказывания о несправедливости Общей теории относительности и призывы обратиться к альтернативным теориям гравитации, например к MOND. Однако MOND не способна объяснить многие факты, с которыми справляется ОТО, да и общепринятая космология ещё не исчерпала возможности модификации для объяснения новых данных.

Возможно, условия ранней Вселенной способствовали быстрому и эффективному звездообразованию. Существует теория, что звёзды тогда сильно отличались от современных звёзд. Например, были сверхъяркими, но не очень массивными. Это относится и к галактикам. Если возникали в основном звёзды в десятки или сотни раз массивнее Солнца, то галактики, которые их содержали, могли бы казаться непропорционально яркими.

Ещё одна гипотеза заключается в том, что ранняя Вселенная была полна чёрных дыр, поглощающих вещество и производящих яркие выбросы энергии. Некоторые теории предполагают, что в очень ранние времена колоссальные сгустки вещества могли быстро коллапсировать, создавая «зародыши», из которых затем образовались огромные чёрные дыры. Появились новые теории о механизмах, которые управляют аккрецией чёрных дыр, и о их значении в регулировании звездообразования в галактиках. Продолжается изучение роли тёмной материи и тёмной энергии в формировании ранней Вселенной.

Астрономы надеются, что дальнейшие исследования JWST помогут разгадать эти и другие тайны Вселенной.

7. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ДЖЕТОВ

Мощные струи плазмы, вырывающиеся из центров (ядер) таких астрономических объектов, как активные галактики, квазары и радиогалактики, — не редкое явление. Тем не менее механизм их генерации до сих пор до конца не понят. Предполагается, что за это отвечает взаимодействие магнитных полей с аккреционным диском вокруг чёрной дыры.

Исследователи из Московского физико-технического института провели моделирование космических джетов на лазерной установке. Мощный лазер выдавал пикосекундный импульс, который направлялся на медную мишень. В результате возникал узкий пучок протонов.

Физикам удалось разработать теоретическое объяснение результатов эксперимента. Оказалось, что важную роль в формировании узкого протонного пучка играет циклотронная неустойчивость, когда частота электромагнитной волны совпадает с циклотронной частотой обращения заряженной частицы в магнитном поле. Этот резонанс приводит к возникновению токов, усиливающих магнитное поле вдоль оси пучка, которое, в свою очередь, усиливает ток, создавая положительную обратную связь. В результате частицы разгоняются, а магнитная сила закручивает и сужает пучок. Кроме того, плазменная струя разбивается на отдельные фрагменты, становится дискретной, что физики объяснили образованием тороидальных вихрей.

Исследователи полагают, что их работа не только улучшит понимание процессов, происходящих в космических джетах, но и поможет в разработке технологий управления плазмой. Такие технологии могут найти применение в медицине, энергетике и космонавтике.

8. МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ЧЁРНЫХ ДЫР ПОХОЖИ

Команда «Event Horizon Telescope» (Телескоп горизонта событий, EHT) впервые получила изображение сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики M 87 в 2019 году, а в 2022 году «сфотографировали» и её собрата в центре Млечного Пути, получившего название Стрелец A* (Sgr A*). Несмотря на огромную разницу в размерах и массе чёрных дыр, их изображения выглядят удивительно похожими. Это заставило физиков задуматься, а есть ли у этих чёрных дыр ещё общие черты, помимо внешнего вида. Поскольку в 2021 году исследователи уже получили изображение M 87* в поляризованном свете, они решили сделать это и для Sgr A*.

Изображения сверхмассивных чёрных дыр M 87* и Стрелец A* в поляризованном свете очень похожи, что указывает на одинаковые структуры магнитного поля и, соответственно, физические процессы около них. Источник: EHT.

Поляризованным мы называем свет, в котором поля колеблются в предпочтительной ориентации. От обычного нагретого тела приходит неполяризованное излучение, но в плазме вокруг чёрных дыр частицы вращаются вокруг линий сильного магнитного поля, а потому их излучение приобретает поляризацию, перпендикулярную этому полю. Для человеческого глаза поляризованный свет неотличим от «обычного», но приборы их прекрасно различают. Видимые на изображении линии, похожие на крутящийся вихрь, как раз и показывают ориентацию поляризации света, связанную с сильным магнитным полем. Получившаяся картинка позволяет астрономам сделать вывод о структуре и силе магнитных полей, создать карты их линий, в свою очередь, это даёт возможность изучить, что происходит в областях чёрных дыр, каковы там свойства вещества. Например, магнитные поля вокруг гигантской чёрной дыры приводят к выбросам из неё мощных струй плазмы — джетов обратно в окружающую среду.

Но получить изображения Sgr A* в поляризованном свете оказалось сложной задачей, поскольку эта чёрная дыра достаточно быстро движется, пока мы пытаемся сделать снимок. В таком случае сложно построить даже неполяризованное изображение. M 87* была гораздо более «усидчивой» целью. Тем не менее задача была решена, и в 2024 году изображение было получено.

Структура магнитного поля Sgr A* оказалась очень похожа на M 87*. То есть физические процессы, управляющие тем, как чёрная дыра питает и запускает джет, могут быть универсальными для сверхмассивных чёрных дыр, несмотря на различия в массе, размере и окружающей среде. Это сходство намекает на наличие скрытого джета в Sgr A*. Полученный результат позволяет физикам уточнить теоретические модели, улучшая понимание того, как материя ведёт себя вблизи горизонта событий чёрной дыры. Судя по всему, сильные и упорядоченные магнитные поля имеют решающее значение для взаимодействия чёрных дыр с газом и материей вокруг них.

Изображения двух сверхмассивных чёрных дыр в поляризованном свете предоставляют новые способы их сравнения и сопоставления для разных размеров и масс. По мере совершенствования технологий такие изображения, вероятно, раскроют ещё больше секретов чёрных дыр и их сходств или различий.

9. ОТКЛОНЕНИЕ АСТЕРОИДОВ РЕНТГЕНОВСКИМИ ЛУЧАМИ

По оценкам учёных, раз в 250—500 миллионов лет возможно падение на Землю крупных астероидов с катастрофическими последствиями. Так, удар астероида диаметром около 10 км, который произошёл примерно 66,5 млн лет назад, вызвал массовое вымирание, мегацунами и период глобального потепления, который длился около 100 000 лет. На полуострове Юкатан он оставил ударный кратер Чикшулуб диаметром около 180 км и изначальной глубиной до 17—20 км.

Воздействие на опасный астероид. Источник: ESA — AOES Medialab.

В настоящее время для защиты Земли от столь опасных объектов придумано несколько методов, позволяющих разрушать астероиды или отклонять их от первичной траектории. Однако на практике был опробован лишь метод кинетического тарана — в 2022 году зонд DART (NASA, ESA) врезался в астероид Диморф размером примерно 160 метров и массой 5,5 миллиона тонн (см. «Наука и жизнь» № 2, 2023 г.), изменив период его обращения вокруг астероида Дидим.

Возможность отклонения астероида мощным потоком рентгеновского излучения, создаваемого ядерными взрывами вблизи цели, физики Сандийских национальных лабораторий (США) решили проверить в экспериментальных условиях. Предполагается, что рентгеновское излучение будет быстро нагревать поверхности астероида, вызывая испарение его вещества и расширение получившейся газовой смеси, что придаст астероиду дополнительный импульс. Подобные эксперименты уже проводились, однако не учитывали импульс от смеси, сосредотачиваясь на самых ранних стадиях генерации ударной волны.

Рентгеновский импульс исследователи получили от так называемой Z-машины, одного из мощнейших в мире источников рентгеновского излучения. Его энергия составляла 1,5 мегаджоуля, что дало поток энергии в 1,9—2,8 гигаватта на квадратный сантиметр, попадающий на мишень из кварца и нагревающий её. Кварц использовался, поскольку кремния в астероидах достаточно много. В результате мишень приобретала скорость до 70 м/с. Если пересчитать полученные результаты для реальных условий, то можно сделать вывод, что этот механизм «планетарной обороны» вполне жизнеспособен для астероидов с диаметром около 4 км, которым может быть придана дополнительная скорость более 0,01 м/с. Результаты исследования опубликованы в журнале «Nature Physics».

10. КОСМОНАВТИКА ПРОДОЛЖАЕТ БИТЬ РЕКОРДЫ

В 2024 году четвёртый раз подряд был установлен мировой рекорд успешных орбитальных запусков за год — 243 (на момент подготовки статьи). По их количеству по-прежнему впереди США (149), Китай (63) и Россия (16). У Евросоюза, отказавшегося от российских ракет, всего 2 самостоятельных старта.

Ракета-носитель «Ангара-А5» на космодроме Восточный. Источник: Роскосмос.

Из отечественных запусков выделим рекордный в истории российской космонавтики вывод 5 ноября на орбиту одновременно 51 спутника. Главными здесь были геофизические зонды «Ионосфера-М» № 1 и № 2, а остальные послужили «попутной полезной нагрузкой». «Ионосферы» стали первыми ласточками проекта «Ионозонд», в рамках которого они будут проводить мониторинг околоземного космического пространства, исследовать ионосферную плазму, электромагнитные поля и волны в ней, а также космическую радиацию. Изучение ионосферы с помощью специальных спутников и комплекса на станции «Мир» проводилось в нашей стране до 1990-х годов. Проект «Ионозонд» возобновит эту важную работу. В нынешнем году планируется запустить ещё две «Ионосферы», а позднее — аппарат «Зонд-М».

11 апреля свой первый испытательный полёт с космодрома Восточный совершила ракета «Ангара-А5». Это событие стало началом лётно-конструкторских испытаний космического ракетного комплекса «Амур», в который входит как сама ракета-носитель, так и инфраструктура космодрома. Полёт стал дебютом и для нового разгонного блока «Орион». «Ангара-А5» — первая тяжёлая ракета-носитель, разработанная в России после распада СССР (с 2014 года состоялось три её старта с космодрома Плесецк).

27 апреля завершены испытания космического аппарата «Арктика-М» № 2, и приступила к работе первая в мире гидрометеорологическая космическая система, обеспечивающая непрерывное наблюдение арктического региона Земли и прилегающих территорий. Два российских зонда «Арктика-М» производят круглосуточный мониторинг облачности и поверхности земли и морей на всём огромном пространстве Арктики выше 60° с. ш. Поочерёдно сменяя друг друга, с периодичностью 15 минут, они регистрируют метеорологические и гелиогеофизические данные, а также ледовую обстановку. «Брешь» в глобальном метеорологическом контроле Земли закрыта! Кроме того, космические аппараты осуществляют определение местоположения судов, самолётов и других подвижных объектов, терпящих бедствие, в рамках международной спутниковой системы поиска и спасания «КОСПАС-САРСАТ».

Из зарубежных запусков в первую очередь отметим китайскую миссию по доставке на Землю образцов лунного грунта. Космический аппарат «Чанъэ-6» был запущен 3 мая, а 25 июня он вернулся, впервые предоставив учёным 1935,3 грамма грунта с обратной стороны Луны.

7 октября запущена «Гера» (Hera) — автоматический космический аппарат Европейского космического агентства, созданный для изучения двойной системы астероида Дидим после столкновения в 2022 году аппарата DART (NASA) с его спутником Диморфом. В точку рандеву он прибудет в 2026 году. Эта миссия — часть международного эксперимента по «планетарной обороне» от возможных столкновений с астероидами, который проводится командой исследователей из 17 стран.

Неделей позже, 14 октября, стартовал «Europa Clipper» — космический зонд, разработанный NASA для изучения галилеева спутника Юпитера Европы. Его цель — подтвердить существование подлёдного океана и исследовать его, в частности, на предмет наличия следов жизни. Около Европы зонд окажется в 2030 году.

9 января запущен и успешно начал работу космический рентгеновский телескоп «Зонд Эйнштейна» (Einstein Probe, EP), созданный Китайской академией наук в сотрудничестве с Европейским космическим агентством и Институтом внеземной физики общества Макса Планка. Аппарат рассчитан на работу в течение трёх лет с возможностью продления до пяти.

Статьи по теме

• Десять значимых событий 2023 года в физике и астрономии
• Десять значимых событий 2022 года в астрономии и физике
• Девять значимых событий 2021 года в физике и астрономии
• Десять значимых событий 2020 года в физике и астрономии

№1, 2025