Новости науки

Физики раскрыли загадку аномально медленных бета-распадов

Необъяснимо низкая частота бета-распадов нестабильных изотопов оказалась связана с тем, что в этом процессе участвует не один протон, как раньше считали ученые, а пары частиц в ядре атомов. Об этом пишут ученые из США, опубликовавшие статью в журнале Nature Physics.
"Никто не понимал, что именно подавляло эти распады. Этот феномен словно возникал сам по себе. Мы выяснили, что эти аномалии можно объяснить, включив второй нуклон в процесс распада, к примеру, если два протона распадаются в протон и нейтрон или протон и нейтрон превращаются в два нейтрона", — заявил Гот Хаген (Gaute Hagen) из Национальной лаборатории Ок-Ридж в Ноксвилле (США).
Все ядра элементов тяжелее водорода состоят из двух типов элементарных частиц — протонов, заряженных положительно, и нейтронов, не имеющих заряда. То, как много протонов и нейтронов содержит атом, определяет то, насколько стабильным он является. При избытке и того, и другого типа частиц ядро старается избавиться от "лишних" протонов или нейтронов, выбрасывая или альфа-частицу, "голое" ядро гелия-4, или же превращая один из нейтронов в протон или наоборот.
Более полувека назад физики заметили одну крайне необычную аномалию — бета-распады нестабильных атомов происходили примерно на 25% реже, чем предсказывали теоретические расчеты, построенные на базе наблюдений за поведением свободных нейтронов. Объяснений этой аномалии у ученых не было, что заставляло их активно искать возможные следы "новой физики" в этом "глушении", как начали называть данный феномен теоретики.
Хаген и его коллеги смогли разгадать эту загадку благодаря двум вещам — мощному суперкомпьютеру Titan, который позволил физикам просчитать взаимодействия протонов и нейтронов внутри сложно устроенных ядер атомов, а также опытам с оловом-100, "двойным магическим изотопом" этого металла.
Так ученые называют определенные версии разных элементов, чьи ядра содержат в себе определенное число протонов или нейтронов — к примеру, 2, 8, 20, 28 или 50. Соответственно, изотоп называется "двойным магическим" если число и тех, и других нуклонов входит в эту последовательность. Все носители "магических чисел" обладают заметно более высокой стабильностью, чем предсказывает теория, и их поведение гораздо проще просчитывать.
Что самое интересное, олово-100, как объясняет Хаген, "нарушает" эту аномалию и превращается в индий-100, вырабатывая позитрон и нейтрино несколько чаще, чем другие атомы. В свою очередь, индий-100 превращается в кадмий-100 уже с "нормальной" низкой частотой, укладывающейся в общую закономерность.
Эти расхождения заставили ученых проследить за распадами и того, и другого изотопа в лаборатории и просчитать их структуру при помощи Titan, используя методы квантовой химии. Эта компьютерная модель, в отличие от многих других попыток просчитать свойства нестабильных ядер, включала в себя взаимодействия двух, трех или большего числа нуклонов.
Как оказалось, этого небольшого дополнения вполне хватило для того, чтобы объяснить существование аномалий в частоте бета-распадов не только для олова-100, но и для более легких элементов, чье поведение ученые просчитали впоследствии. В ближайшее время американские физик планируют уточнить и перепроверить свои выкладки, проведя аналогичные расчеты на базе другого двойного магического изотопа, кальция-48, распадающегося несколько иным путем.
Хаген и его коллеги надеются, что их текущие и новые выкладки помогут ученым не только ускорить поиски новой физики, других "магических" изотопов, измерить массу нейтрино и раскрыть тайны устройства ядра, но и решить другие проблемы, связанные уже с астрономией, а не физикой частиц.
К примеру, теперь астрофизики смогут точно просчитать то, как устроены недра нейтронных звезд, где подобные превращения играют ключевую роль в охлаждении этих "мертвых светил". Это крайне важно для определения их возраста и того, какую роль они играют в формировании запасов всех тяжелых элементов Вселенной.

Источник

Вода «прыгает» по поверхности Луны в течение всего лунного дня

Молекулы воды перемещаются по поверхности Луны в связи с ее нагреванием и охлаждением в течение лунных суток, сообщается в новом исследовании.

Это исследование базируется на наблюдениях, проведенных при помощи космического аппарата НАСА Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), который изучает нашего ближайшего космического соседа, начиная с 2009 г. Недавнее усовершенствование бортового инструмента под названием Lyman-Alpha Mapping Project (LAMP) позволило ученым наблюдать на поверхности Луны признаки движения воды.

Вода на поверхности космических объектов может являться ценным ресурсом не только с точки зрения утоления жажды астронавтов, но она также подходит для использования в качестве топлива для космических миссий, поскольку при расщеплении воды образуются водород и кислород, соединение которых вновь в молекулу воды сопровождается выделением большого количества энергии.

Однако лишь в 2009 г. ученые смогли подтвердить, что на поверхности Луны скрыты запасы воды. Теперь они наблюдают, как индивидуальные молекулы воды связываются с каменистым реголитом и высвобождаются обратно при изменениях температуры в течение лунных суток.

Согласно наблюдениям этих исследователей, молекулы воды остаются связанными с поверхностью лунным утром. По мере нагрева поверхности при приближении к лунному полудню некоторые из молекул поднимаются в разреженную атмосферу Луны и мигрируют вдоль поверхности, пока не попадут в зону, где температуры будут достаточно низкими для того, чтобы вновь произошло связывание этих молекул с поверхностью.

«Нам еще предстоит много работы по объяснению всех необычных свойств лунной поверхности, однако представленные результаты показывают, что эта работа действительно имеет большую научную ценность!» - сказал в сделанном заявлении Майкл Постон, один из авторов нового исследования и ученый команды инструмента LAMP из Юго-Западного исследовательского института, США.

Исследование опубликовано в журнале Geophysical Research Letters.

Источник

Юпитер и Сатурн преподносят ученым новые сюрпризы

Новейшие научные данные о газовых гигантах Юпитере и Сатурне, отправленные на Землю космическими аппаратами Juno («Юнона») и Cassini («Кассини»), ставят под сомнение ряд современных гипотез о формировании и поведении этих планет в составе Солнечной системы.

Эти подробные данные по магнитному и гравитационному полям планет имеют огромную научную ценность, однако ставят перед учеными ряд новых вопросов, пояснил Дэвид Стивенсон из Калифорнийского технологического института, США, представивший результаты нового анализа научных данных, полученных от обеих миссий, на прошлой неделе на заседании Американского физического общества в Бостоне.

Аппарат Cassini обращался вокруг Сатурна на протяжении 13 лет, после чего он был намеренно направлен в недра газовой планеты в 2017 г. Зонд Juno обращается вокруг Юпитера в течение 2,5 года.

Стивенсон сказал, что идея установить на аппарате Juno микроволновый датчик принесла свои плоды. Данные в микроволновом диапазоне показали, в частности, что атмосфера Юпитера равномерно перемешана – что противоречит ряду современных теорий.

Другие бортовые инструменты аппарата Juno, магнитные и гравитационные датчики, также демонстрируют весьма неожиданные для ученых данные. Магнитное поле Юпитера имеет пятна (области аномально высокой или низкой напряженности), кроме того, в нем наблюдается значительные различия между северным и южным полушариями.

Данные с гравитационных датчиков подтвердили, что в центре Юпитера, который состоит не менее чем на 90 процентов по массе из водорода и гелия, находятся тяжелые элементы общей массой порядка 10 масс Земли. Однако они не сконцентрированы в ядре, а вместо этого перемешаны в вышележащем слое, состоящем из водорода, большая часть которого находится в состоянии жидкого металла.

Кроме того, данные с обоих спутников позволили ученым заключить, что внешние слои как Юпитера, так и Сатурна, играют большую, чем ожидалось, роль в формировании магнитных полей этих планет, добавил Стивенсон. Теперь, чтобы лучше понять эти процессы, ученым требуются новые эксперименты, в ходе которых будут смоделированы давления и температуры, поддерживающиеся на этих гигантских планетах.

Источник

Тонны сжатого кислорода могут скрываться в расплавленном железном ядре Земли

Обширные океаны магмы, находящиеся глубоко под поверхностью Земли, могут накачивать кислород в жидкое ядро планеты. И этот кислород оказывает влияние на характер землетрясений и вулканов, наблюдаемых на поверхности нашей планеты.

Состав ядра нашей планеты оказывает влияние на процессы, протекающие на ее поверхности. Поэтому данные о характере землетрясений, получаемые сейсмологами на Земле, позволяют делать выводы о разнице плотностей между внешним ядром из жидкого железа и значительно более плотным внутренним ядром из твердого железа.

«Если бы ядро состояло только из чистого железа, то разница между плотностями твердого внутреннего ядра и жидкого внешнего ядра составляла бы примерно 1,5 процента, – рассказал главный автор нового исследования физик Дарио Алфе (Dario Alfe) из Университетского колледжа Лондона, Великобритания, представляя свою работу на мартовском собрании Американского физического общества. – Однако сейсмология говорит нам о разнице в 5 процентов».

Это означает, что во внешнем ядре имеется примесь элемента, более легкого, чем железо, пояснил Алфе. Методом исключения он и его коллеги пришли к выводу, что этим элементом является кислород, которым весьма богаты силикатные расплавы окружающих ядро пород мантии Земли. Обогащенный кислородом слой жидкого железа, разумеется, будет отличаться по структуре от расплавленной ржавчины, замечает Алфе, поскольку в ядре Земли поддерживаются особые условия – гигантские температуры и давления – однако он будет находиться у поверхности жидкого внешнего ядра, поскольку имеет меньшую плотность, по сравнению с чистым железом – иными словами, будет плавать на поверхности океана из чистого железа.

Однако Алфе и его команда на данном этапе своего исследования не могут гарантировать, что элементом, снижающим плотность внешнего ядра, является именно кислород. Для подтверждения своих догадок они с нетерпением ждут результатов планируемых в настоящее время экспериментов по измерению параметров нейтрино, рождающихся в недрах нашей планеты – так называемых «геонейтрино». Хотя эти частицы являются очень редкими, они несут много важной информации о структуре недр Земли, пояснил Алфе.

Источник

НАСА делает невероятные снимки ударных волн, производимых сверхзвуковыми джетами

НАСА получило беспрецедентные снимки, на которых запечатлено взаимодействие ударных волн, идущих от двух сверхзвуковых самолетов – и эти снимки могут помочь агентству в разработке моделей инновационных сверхзвуковых реактивных самолетов, способных взлетать, не создавая мощного звукового удара.

Когда самолет достигает этой пороговой отметки – примерно 1225 километров в час на уровне моря – он порождает волны давления в окружающем его воздухе, которые обусловливают возникновение «ушераздирающего» звука.

В ходе этой демонстрации пилоты Лётно-исследовательского центра имени Армстронга, США, искусно вели два сверхзвуковых реактивных самолета T-38 на расстоянии всего лишь 9 метров друг от друга, в то время как сверху над ними находился еще один самолет, оснащенной новой камерой для скоростной фотосъемки.

Это рандеву – состоявшееся на высоте примерно 10000 метров – позволило получить невероятные снимки ударных волн, расходящихся в стороны от обоих самолетов.

«Когда один из самолетов летит в воздухе сразу же за другим самолетом, картина расположения в пространстве изобар ударных волн существенным образом меняется», - отметил Нил Смит из фирмы AerospaceComputing Inc, сотрудник инженерной фирмы, сотрудничающей с НАСА, в посте, опубликованном на веб-сайте агентства.

«Эти данные помогут нам глубже разобраться в деталях взаимодействия между ударными волнами».

Звуковые удары представляют собой большую проблему для авиации – и поэтому в настоящее время сверхзвуковые самолеты не используются в гражданской авиации США. Способность получать такие подробные снимки ударных волн, расходящихся от сверхзвуковых самолетов, поможет НАСА в разработке экспериментального сверхзвукового самолета X-59, который сможет преодолевать звуковой барьер со значительно менее интенсивным хлопком, по сравнению с предыдущими моделями сверхзвуковых самолетов.

Источник

Физики нашли доказательства того, что звуковые волны могут переносить массу 

Команда исследователей представила новые доказательства того, что звуковые волны могут переносить массу и подвержены влиянию гравитации.
Ранее ученые были уверены в том, что звук является переносчиком энергии, но не массы. Однако трое физиков из Колумбийского университета нашли способ опровержения этого.
Используя квантовую теорию поля, они показали, что звуковые волны, движущиеся через сверхтекучий гелий, переносили незначительное количество его массы. Точнее говоря, они установили, что во время движения звуковых волн в веществе, фононы начинали взаимодействовать с гравитационным полем, вызывая перемещение массы. По словам исследователей, это явление можно наблюдать в большинстве материалов.
Используя эффективные методы теории поля, они показали, что звуковая волна, интенсивностью 1 Вт/м2, движущаяся в воде на протяжении 1 секунды, будет нести около 0,1 мг массы. Ученые также отметили, что масса была частью исследуемой системы, которая перемещалась вместе с волной, двигаясь из одного места в другое.
Однако команда применяла математические расчеты для доказательства, а не производила фактические замеры переносимой массы. По мнению ученых, в лаборатории для подобных измерений можно использовать движение звуковых волн в конденсате Бозе-Эйнштейна. Они также говорят, что это явление можно изучать в природной среде, при землетрясении, когда звуковые волны могут переносить миллионы тонн вещества через центр планеты.
Напомним, что ЦЕРН займется поиском темных фотонов и нейтралино, связанных с темной материей.

Источник

Создана поверхность, по которой свет «бежит» без потерь

Физики из Университета ИТМО создали первую искусственную диэлектрическую поверхность, в которой распространение электромагнитных волн не зависит от дефектов и может быть управляемым. В будущем такая структура станет основой для создания более надежных оптических приборов и линий связи. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Статья об исследовании опубликована в Applied Physics Letters.
Большинство материалов можно отнести к проводникам или изоляторам: они или пропускают электрический ток, или нет. Но есть и те, что проводят только в тонком слое по поверхности, — топологические изоляторы. Самое необычное их свойство в том, что проходящий ток устойчив к любым примесям и дефектам материала и «бежит» без потерь. Эту особенность называют топологически защищенным краевым состоянием.
Предыдущие исследования показали, что электромагнитными аналогами классических топологических изоляторов в определенном режиме могут быть фотонные кристаллы из ферритовых стержней (ферриты — это магнитные материалы из оксидов железа и других металлов). Однако экспериментальные установки с ферритовыми стержнями, во-первых, очень громоздкие, до нескольких метров; во-вторых, в них можно создавать топологически защищенные краевые состояния только в микроволновом частотном диапазоне. В оптическом диапазоне, то есть в диапазоне видимого и ближнего инфракрасного света, у магнитных материалов очень слабый отклик.
Новое решение для создания топологически защищенных краевых состояний в оптическом диапазоне нашел Александр Ханикаев, профессор Университета ИТМО в Санкт-Петербурге и Городского университета Нью-Йорка (США). Он первым предположил, что топологические краевые состояния можно создать в метаматериалах. Так называют искусственные вещества с уникальными электромагнитными свойствами. В них могут имитироваться свойства электронов в твердых телах, такие как спин (собственный магнитный момент электрона), и действующие на них синтетические поля.
Концепцию Александра Ханикаева подтвердил международный коллектив физиков из России, США и Австралии, эксперименты проводились на базе Университета ИТМО. Впервые топологически защищенные краевые состояния продемонстрировали в метаматериале на основе металлов. Однако с последними нельзя работать в оптическом диапазоне из-за большого поглощения света. Поэтому для следующего эксперимента использовали диэлектрический метаматериал, точнее метаповерхность — один слой искусственной структуры.
Метаповерхность состояла из основы, на которой в строгом порядке закрепили мета-атомы, сделанные из керамических дисков. Их расположили так, чтобы расстояния между ними оказались меньше длины волны видимого света. Все мета-атомы были сделаны одинаково, но повернуты по-разному: в одной части структуры ориентированы вверх, а в другой вниз. На границе между этими частями — доменной стенке — и возникали топологически защищенные краевые состояния.
Так как исследователи стремились проверить концепцию наличия топологически защищенных краевых состояний в диэлектрических метаповерхностях, эксперимент проводился не в оптическом диапазоне, где пришлось бы работать с наномасштабными элементами, а в более простом варианте, с излучением в микроволновом диапазоне. Гипотеза подтвердилась: при возбуждении электромагнитной волны на доменной стенке метаповерхности формировалось краевое состояние. Физики показали, что доменная стенка может проходить не по прямой линии, а зигзагом, и топологически защищенное краевое состояние все равно распространяется по стыку двух типов метаповерхности не отражаясь. Подобная структура в оптическом диапазоне может стать основой для «защищенных» оптических приборов.
«Нам удалось показать, что можно создать диэлектрическую метаповерхность, поддерживающую топологически защищенные краевые состояния, — говорит ведущий автор исследования, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Алексей Слобожанюк. — На основе этой работы мы уже разработали новый эксперимент с мета-атомами более простой формы, которую будет проще повторить в наномасштабах. Так можно реализовать новые оптические устройства, поддерживающие защищенные краевые состояния в оптическом диапазоне».
В исследовании участвовали также ученые из Городского университета Нью-Йорка и Университета Техаса в Остине (США) и Австралийского национального университета. 

Источник

Физики узнали, как оказаться по ту сторону черной дыры

До этого момента существовали разные теории о попавшей в черную дыру информации. Первая говорит о том, что после попадания в черную дыру информация исчезает. Так должно происходить, если она подчиняется термодинамическому описанию, которое предложил Стивен Хокинг, однако предположение идет вразрез с общими принципами квантовой механики.
Вторая теория существует в рамках классической физики и говорит о том, что эта информация есть, просто мы не можем её увидеть. Третья же утверждает, что черные дыры — «проходы» между Вселенными и попавшая туда информация просто перемещается из нашей Вселенной в другую.
Новый протокол проверки квантового перемешивания информации может помочь физикам изучать квантовые процессы, протекающие внутри черной дыры, и узнавать о том, что происходит с информацией после попадания внутрь.
"Наш метод основан на работе с двумя копиями взаимодействующей системы кубитов. Все (кроме одного) элементы каждой из копий находятся в состоянии квантовой запутанности с соответствующими элементами из другой копии, а единственный не запутанный элемент является входом, через который в систему подаются квантовые данные", — цитирует Planet Today сотрудника Объединенного квантового института при Мэрилендском университете Кевина Лэндсмана.
Ученые уверены, что новая теория может помочь исследовать черные дыры. Также разработка может пригодиться для квантовой телепортации. 

Источник

Аппарат SpaceX Dragon выглядит как поджаренный зефир

Когда на прошлой неделе SpaceX запустила свой первый пассажирский аппарат Dragon на Международную космическую станцию, это был блестящий белый корабль. Теперь Dragon вернулся, и он не выглядит таким новым.

SpaceX Dragon вернулся на Землю сегодня, 8 Марта, с плавным приводнением в Атлантическом океане, недалеко от восточного побережья Флориды, завершив шестидневный тестовый полет на Международную космическую станцию. Когда космический корабль отстыковался от космической станции в начале дня, он все еще был чистым и белым. Но теперь, после того, как он испытал огненный жар от повторного входа в атмосферу, он перестал быть похожим на самого себя.

"Вы также могли заметить, что теплозащита на внешней стороне Dragon, была белой во время запуска", - сказала инженер SpaceX Кейт Тайс во время прямой трансляции спуска. "Конечно, он был обожжен плазмой, когда снова вошел в атмосферу Земли, поэтому теперь у него прекрасный вид поджаренного зефира".

"Это просто здорово видеть, как доказательство его возвращения на Землю из космоса", добавил Тайс.

Dragon SpaceX, как и все возвращающиеся космические корабли, имеет защитную тепловую оболочку, чтобы нести на себе всю тяжесть теплового удара во время входа в атмосферу. Эти белые теплозащитные слои вдоль корабля выглядят так, как будто они были немного приготовлены. И этого можно было ожидать.

Dragon является первым космическим кораблем SpaceX, построенным для перевозки астронавтов для НАСА в рамках коммерческой программы. Этот полет, называемый Demo-1, был испытательной миссией, чтобы проверить, будет ли космический корабль готов для перевозки астронавтов. Для Demo-1 экипаж Dragon состоял из манекена астронавта по имени Рипли, названного в честь персонажа из киноэпопеи "Чужие".

В дополнение к SpaceX Dragon, НАСА также планирует отправлять астронавтов на Старлайнере CST-100, построенном Boeing в этом году. В апреле на этом космическом корабле будет совершен собственный испытательный полет. SpaceX и Boeing также должны успешно выполнить испытания бортовых систем своих транспортников перед запуском астронавтов в космос.

Источник

Выходцы из России нашли «видимую» замену темной материи

Необычно высокая скорость движения звезд на окраинах галактик может объясняться не наличием загадочной "темной материи", а тем, что фотоны, частицы света, потенциально имеют ненулевую массу. К такому выводу пришил российские физики, работающие в Германии и США, опубликовавшие статью в Astrophysical Journal.
"Мы показали, что даже если масса фотонов будет ниже, чем текущий предел, полученный экспериментальным путем, то тогда их взаимодействия с материей будут порождать силу, которой хватит для объяснения аномалий в скорости вращения звезд вокруг центра Галактики. Это очень интересный результат", — рассказывает Дмитрий Будкер из университета Гутенберга в Майнце (Германия).
Достаточно долгое время ученые считали, что Вселенная состоит из той материи, которую мы видим, и которая составляет основу всех звезд, черных дыр, туманностей, скоплений пыли и планет. Но первые наблюдения за скоростью движения звезд в близлежащих к нам галактиках показали, что светила на их окраинах движутся в них с невозможно высокой скоростью, которая была примерно в 10 раз выше, чем показывали расчеты на базе масс всех светил в них.
Причиной этого, как сегодня считают ученые, была так называемая темная материя — загадочная субстанция, на чью долю приходится примерно 75% от массы материи во Вселенной. Как правило, в каждой галактике примерно в 8-10 раз больше темной материи, чем ее видимой "кузины", и эта темная материя удерживает звезды на месте и не дает им "разбежаться".
Ее безуспешные поиски в последние два десятилетия заставили многих теоретиков искать альтернативные формы этой субстанции, к примеру аксионы, сверхлегкие частицы, похожие по массе и свойствам на нейтрино. Их первые поиски тоже завершились безрезультатно, что делает эту невидимую субстанцию еще более загадочной.
Будкер и его коллеги нашли неожиданную замену для темной материи — вполне видимые частицы света, фотоны, изучая то, как поменяется облик Галактики, если эти обитатели микромира не были бы безмассовыми переносчиками электромагнитных взаимодействий, как сейчас считают теоретики, а имели крайне малую, но массу.
В таком случае, как отмечают теоретики, поведение фотонов будет описываться не классическими уравнениями Максвелла, а их расширенной версией, описывающей поведение других переносчиков фундаментальных сил природы, W и Z-бозонов. Используя эти формулы, выходцы из России просчитали то, как "новые свойства" фотонов будут влиять на поведение звезд и газа в Млечном Пути.
Как оказалось, внутри Галактики возникнет центростремительная сила, которая будет толкать газ в сторону ее ядра и заставлять его двигаться быстрее, чем при ее отсутствии. При определенной конфигурации "общегалактических" магнитных полей она будет достаточно сильной для того, чтобы объяснить необычную скорость движения звезд на окраинах Млечного Пути.
Вдобавок, ученые выяснили, что малые и крупные звезды в подобной вариации Галактики будут вести себя не совсем так, как во Вселенной с безмассовым фотоном. При этом они будут отличаться друг от друга сильнее, чем в "нашей" реальности из-за того, что аномалии будут почти не заметны для светил размером с Солнце, но будут особенно сильно проявляться для звезд-гигантов.
Эти различия связаны с тем, что "новая" сила, как показали расчеты Будкера и его коллег, будет сильнее всего влиять на движение разреженных облаков газа и короткоживущих крупных светил, не успевающих сильно изменить скорость движения до своей смерти.
При этом она почти не будет сказываться на звездах размером с Солнце, способных просуществовать несколько миллиардов лет — на манеру их движения будет сильнее всего влиять классическая гравитация, а не электромагнитные взаимодействия. Ее действие на них будет выражаться в том, что орбиты таких светил должны стать не круговыми, а эллиптическими.
"В реальности, конечно, мы пока не открыли ни одной звезды размером с Солнце, которая бы двигалась таким образом. Поэтому мы считаем, что наша теория объясняет не все, а лишь часть аномалий, связываемых сегодня с темной материей. В любом случае, нам не следует отбрасывать подобные гипотезы до того, как мы поймем, что в реальности представляет эта субстанция", — заключает физик.

Источник

Физики, возможно, нашли способ извлечь информацию из черной дыры

Черные дыры представляют собой «гравитационных монстров», внутри которых происходит сжатие газа и пыли до состояния крохотной точки. Согласно современной физике, информация о частицах навсегда пропадает после их попадания в черную дыру. Однако в соответствии с результатами нового эксперимента квантовая механика может быть использована для того, чтобы «заглянуть» в черную дыру.

«В квантовой физике информация не может быть потеряна навсегда, - сказал Кевин Лэндсмен (Kevin Landsman), студент магистратуры Объединенного квантового института Мэрилендского университета, США. – Вместо этого информация может быть скрыта или «размазана» среди неразрывно связанных друг с другом субатомных частиц».

Лэндсмен и его соавторы показали, что они могут измерить, когда и насколько быстро информация «размазывается» внутри упрощенной модели черной дыры – что позволило «взглянуть» на те сущности, которые прежде были недоступны для понимания.

В 1970-е гг. знаменитый британский физик-теоретик Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут со временем уменьшаться в размерах. Согласно законам квантовой механики, перед горизонтом событий черной дыры – или точкой невозврата – непрерывно рождаются пары субатомных частиц. Одна частица из этой пары падает в черную дыру, в то время как другая частица улетает в сторону от черной дыры и уносит с собой небольшую часть энергии. Таким образом, с течением времени происходит уменьшение массы-энергии черной дыры – ее «испарение» - за счет излучения, называемого хокинговским излучением.

В своем новом эксперименте Лэндсмен и его команда показывают, каким образом можно использовать одну из частиц хокинговской пары для получения информации о частицах, находящихся внутри черной дыры. Поскольку эта пара частиц находится в состоянии квантовой запутанности, состояние одной из частиц пары тесно связано с состоянием второй частицы, и измерение свойств одной из частиц может раскрыть важные свойства другой.

В своей работе Лэндсмен и его коллеги использовали для расчетов состояния частиц, находящихся внутри черной дыры - а точнее, ее упрощенной модели - квантовый компьютер. Квантовый компьютер производит расчеты при помощи запутанных квантовых битов, или кубитов – основной единицы информации в квантовых расчетах. Затем исследователи построили простую модель черной дыры, используя три ядра атома иттербия, которые находились в состоянии квантовой запутанности друг с другом.

Используя другой, внешний кубит, физики смогли выяснить, в какой момент информация о свойствах частиц, находящихся внутри этой тройной системы, «размазывается» между ними, а также оценить степень этой «размазанности». Что еще более важно – расчеты показали, что специфическая связь между двумя отдельными частицами оказывалась крепче, чем связи каждой из частиц этой пары со всеми остальными частицами «черной дыры», пояснили авторы.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Источник

Ученые создали антилазер для произвольных волн

Команда исследователей разработала трехмерный антилазер, который способен практически полностью поглощать один конкретный тип произвольных волн.
Лазер является идеальным источником света, генерирующий волны четко определенного цвета. Однако также возможно создать противоположное устройство, которое отлично поглощает конкретные волны и почти полностью рассеивает их энергию. Команда ученых из Венского технического университета совместно с коллегами из Ниццы разработала метод для использования этого эффекта в очень сложных системах, в которых световые волны случайным образом распространяются в произвольных направлениях.
С помощью математических расчетов и компьютерного моделирования физики доказали, что можно создать идеальный поглотитель, который в зависимости от внутренней структуры будет взаимодействовать с определенными волнами, не позволяя им «ускользать». До сих пор такие антилазеры были реализованы только в одномерных структурах, на которые излучение направлялось с противоположных сторон. Однако австрийцы показали, что подобными свойствами могут обладать многомерные сложные структуры.
Лабораторный произвольный антилазер состоит из микроволновой камеры с центральной поглощающей антенной, окруженной тефлоновыми цилиндрами, расположенными случайным образом. Эти цилиндры отражают и отклоняют волны подобно камням в луже с собой, формируя сложную систему. Направляя излучение и измеряя рассеивание, они определяют внутреннюю структуру каждого объекта. Это позволяет рассчитать волну, которая «впитывается» центральной антенной. Разработанная методика позволяет добиться поглощения поступающего на объект 99,8% сигнала.
Эффект обусловлен тем, что падающая волна расщепляется на множество частей, которые мешают друг другу, и в результате не могут выйти.
Технология находится на раннем стадии развития, но потенциально может быть применена во всех технических дисциплинах, связанных с волновыми явлениями. Например в мобильной связи или медицине. 

Источник

При бурении марсианского грунта зонд НАСА InSight натыкается на препятствие

Первый марсианский самозаглубляющийся зонд типа «крота», установленный на посадочном аппарате НАСА InSight, наткнулся на препятствие при попытке бурения грунта поверхности Красной планеты, сообщает НАСА.

Стационарный марсианский аппарат InSight, совершивший посадку на поверхность планеты в ноябре, развернул этот зонд в составе пакета Heat and Physical Properties Package (HP3). Этот зонд, называемый также «кротом», предназначен для заглубления в грунт и измерения количества тепла, идущего из недр Марса – информация, которая поможет ученым лучше понять структуру планеты и особенности ее формирования.

Однако этот 40-сантиметровый зонд проделал лишь три четверти своего пути в глубину Марса 28 февраля, когда натолкнулся на неожиданное препятствие. Вторая попытка бурения, предпринятая в субботу 2 марта, не дала ощутимого результата. В заявлении представители НАСА сообщили, что данные, полученные на настоящее время, указывают на то, что «крот» наклонен под углом 15 градусов и уперся в довольно крупный камень. И хотя конструкция зонда позволяет ему огибать небольшие валуны при заглублении, тем не менее, команда этого немецкого инструмента приняла решение приостановить операции для проведения тщательного расследования причин возникшей проблемы.

Хотя зонд в настоящее время прекратил заглубление в грунт, он продолжает выполнять остальные свои функции. После настройки необходимых элементов оборудования зонд испустит тепловые импульсы с температурой в 28 градусов Цельсия, чтобы измерить скорость рассеяния тепла под поверхностью Марса.

«Это свойство, известное как теплопроводность, поможет произвести калибровку датчиков, расположенных на кабеле, идущем от задней части зонда к поверхности», сообщили представители НАСА. «После того как зонд опустится достаточно глубоко, эти датчики будут измерять температурное поле недр планеты, связанное с распадом радиоактивных минералов и остаточным теплом формирования Марса».

Источник

Первая экзопланета-кандидат, открытая «Кеплером», теперь наконец подтверждена

Первая экзопланета-кандидат, открытая при помощи ныне выведенного из эксплуатации космического телескопа НАСА Kepler («Кеплер»), наконец получила подтверждение, спустя 10 лет после запуска этого легендарного научного инструмента.

Эта внесолнечная планета-кандидат, известная как KOI (Kepler Object of Interest) 4.01, была изначально идентифицирована как возможная планета размером с Нептун, обращающаяся вокруг звезды диаметром чуть больше нашего Солнца. Но затем объект KOI 4.01 был интерпретирован некоторыми учеными как ложный сигнал, поскольку часть фактов, открытых при наблюдениях с использованием космического телескопа Kepler, не согласовывалась с этим сценарием.

Конкретно противоречие состояло в том, что Kepler обнаружил в системе этой звезды, называемой Кеплер-1658, «второе затмение» - значительный спад яркости, наблюдаемый в тот период, когда планета, предположительно, должна была находиться позади звезды. Планета размером с Нептун, обращающаяся вокруг звезды размером с Солнце, не могла произвести второе затмение родительского светила, спорили тогда ученые.

Однако в новом исследовании астрономы во главе с Эшли Чонтос (Ashley Chontos), студентом магистратуры Гавайского университета, США, пересмотрели архивные наблюдения, выполненные при помощи «Кеплера», и смогли разгадать эту давнюю загадку, представив новое видение структуры родительской системы объекта KOI 4.01.

В своей работе Чонтос и ее группа показывают, что размер родительской звезды планеты KOI 4.01 на самом деле должен быть примерно в три раза больше, чем считалось ранее, поэтому и размер самой планеты оказывается больше – также примерно в три раза. Это, в свою очередь, означает, что планета относится к классу «горячих юпитеров» и движется вокруг звезды с относительно небольшим орбитальным периодом – что, в частности, объясняет тот факт, что планета оказывалась позади родительской звезды неожиданно часто при наблюдениях этой системы.

Исследование принято к публикации в журнале Astronomical Journal.

Источник

Скрытое очарование: физики поймали новую необычную частицу 

Громкое открытие: физики нашли новую элементарную частицу 3 (1D), которая относится к классу чармониев. Слово образовано от английского charm — очарование. Открытие подтвердило — теория строения вещества верна. В теории ученые знали, что частица есть, но поймать не могли. Помогли эксперименты на Большом адронном коллайдере. Их проводила группа ученых, в которую входили представители Новосибирского государственного университета и Курчатовского института.
Сегодня физики знают уже больше десяти подобных частиц, однако новое состояние кваркония получено впервые, отмечает телеканал «Россия 24». Наличие одной из 18 частиц кваркония было предсказано теоретически, но теперь ее впервые удалось поймать за хвост.
"Это частица из очарованного кварка и очарованного антикварка. Такая у нас замечательная терминология. И они очень-очень быстро вращаются один вокруг другого. Это достаточно быстрый процесс, и очень необычный, — поясняет старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики НИЦ «Курчатовский институт» Иван Беляев. — Эта частица имеет не просто очарование, она имеет скрытое очарование, потому что она содержит один очарованный кварк и один антиочарованный кварк или очарованный антикварк. Поэтому очарование — минус 1. Поэтому суммарно очарования нет. То есть оно есть, но это скрытое очарование".
"Открытие этой частицы позволяет закрыть белые пятна стандартной модели. Стандартная модель была предложена в 1964 году. Это такой прекрасный теоретический инструмент, который позволяет описывать всю совокупность знаний, которая у нас есть по физике элементарных частиц. В этой модели сделано много предсказаний. И вот как раз обнаружение этой частицы — еще одно белое пятно теоретической модели, которое именно подтверждает ее", — продолжил первый заместитель директора по науке НИЦ «Курчатовский институт» Виктор Егорычев.
Большой адронный коллайдер был открыт в 2008 году. Этот крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц был построен на территории ЦЕРН — Европейской организации по ядерным исследованиям. Коллайдер залегает под землёй на французско-швейцарской границе. Сталкивая протоны и тяжелые ядра атомов на высоких скоростях, ученые получают новые элементарные частицы.
Возможно, эксперименты помогут физикам приблизиться к разгадке Большого взрыва и больше узнать о том, как устроена Вселенная. Российские ученые давно вносят свой весомый вклад в исследования: на коллайдере работают специалисты из Института ядерной физики Сибирского отделения РАН и Новосибирского государственного университета. 

Источник

Пара гигантских пузырей испускает космические лучи в сторону Земли

Ученые обнаружили в близлежащей галактике гигантские космические «ускорители частиц», которые, вероятно, направляют в сторону Земли потоки частиц высокой энергии.

Используя данные, собранные при помощи космического телескопа Hubble («Хаббл») и рентгеновской космической обсерватории Chandra («Чандра»), исследователи обнаружили гигантские космические пузыри в окрестностях центра галактики под названием NGC 3079, которая находится на расстоянии примерно 67 миллионов световых лет от Земли. Подобные пузыри носят название «сверхпузырей», поскольку имеют очень большие размеры. Согласно исследованию, размер одного из этих вновь открытых пузырей составляет 4900 световых лет, в то время как другой пузырь составляет около 3600 световых лет в диаметре.

Сверхпузыри формируются, когда мощные ударные волны выталкивают газ, испускаемый звездами, далеко в космос, оставляя позади себя полости в форме пузырей. Ученые до сих пор не до конца понимают процессы формирования сверхпузырей.

Образование этих космических структур может быть связано с мощными ветрами, дующими со стороны новорожденных звезд, указали исследователи из НАСА в своем заявлении, сделанном в связи с данным открытием. Или они могут формироваться под действием энергетических выбросов со стороны сверхмассивных черных дыр, поглощающих материю. (Исследователи указывают, что заметили одну такую черную дыру в центре галактики NGC 3079 – и эта черная дыра располагается прямо между двумя гигантскими пузырями).

Внешний край гигантского пузыря является высокоэнергетическим объектом – при столкновении пузыря с окружающим его газом происходит формирование мощных ударных волн. Заряженные частицы отскакивают от линий магнитных полей внутри этих ударных волн «как шары в пинбольном автомате», согласно заявлению, и иногда, разогнавшись до огромных скоростей, они направляются в космос.

Поэтому такие пузыри могут служить гигантскими космическими «ускорителями частиц», в которых частицы приобретают энергию, подчас в 100 раз превышающую максимальную энергию частицы в Большом адронном коллайдере. Эти высокоэнергетические частицы могут быть одним из источников таинственных космических лучей, непрерывно бомбардирующих поверхность нашей планеты, пояснили авторы.

Исследование опубликован в журнале Astrophysical Journal; главный автор Цзян-Тао Ли (Jiang-Tao Li).

Источник

Физики из Йеля создали лазер, способный проходить через стены

Ученые из США выяснили, как можно заставить луч обычного лазера пройти через плотный туман или белые стены, особым образом поменяв пространственную структуру его импульсов. "Рецепт" по созданию подобных лазерных установок был представлен в журнале Nature Photonics.
"Как правило, любой оптический луч, попадающий в рассеивающую среду, такую как туман, начинает распространяться в боковых направлениях. Мы выяснили, что лазерный луч можно подготовить таким образом, что он начнет двигаться через нее только вперед", — рассказывает Хуэй Цао (Hui Cao) из Йельского университета (США).
В последние годы ученые активно работают над созданием гаджетов, позволяющих видеть через стены и заглядывать в недоступные уголки пространства. К примеру, в октябре 2015 года физики из МИТ научились смотреть через стены и видеть силуэты людей, используя обычные WiFi-передатчики и приемники, а их коллеги из Шотландии создали камеру, способную "заглядывать за угол".
Цао и ее коллеги сделали еще один прибор подобного рода, "научив" лазерный луч проходить через туман и любые другие непрозрачные предметы, не поглощающие, а отражающие свет, наблюдая за тем, как пучок частиц света взаимодействовал с тонкой стенкой из белого материала.
Ученых интересовало то, какая часть фотонов все же просачивается через подобные препятствия, избегая столкновений с электронами во время движения через непрозрачную и рассеивающую среду, и какие свойства луча влияют на их число.
Для этого йельские физики расположили две сверхчувствительных матрицы сзади листа из спрессованных наночастиц из оксида цинка, игравших роль этой стенки, и начали следить за тем, как много света проходило через разные ее участки.
Эти опыты Цао и ее команда проводили, используя так называемый пространственный модулятор света — особый оптический прибор, позволяющий гибко управлять пространственной структурой пучков электромагнитных волн. Его аналоги можно встретить в любом проекторе и во многих научных приборах.
Оказалось, что пространственные модуляторы могут задать такую форму луча света, что он начнет проходить через непрозрачные объекты. Это будет происходить в том случае, если его структура будет определенным образом соответствовать ширине своеобразных "каналов" между атомами и электронами, через которые свет может беспрепятственно двигаться.
При подобном подборе параметров, как отмечают исследователи, лазерный луч переставал рассеиваться, а его мощность вырастала в 4,5 раза. Подобным образом, по их словам, он будет вести себя не только при столкновении со стенкой, но и с туманом или прочими рассеивающими средами.
Как надеются Цао и ее коллеги, их открытие позволит создать автомобильные лампы, способные работать в любых погодных условиях, лазеры, способные проникать внутрь тканей тела животных и людей для проведения медицинских операций и научных экспериментов, а также многие другие полезные оптические приборы. 

Источник

Радиообсерватория ALMA слышит «плач младенца» со стороны новорожденной звезды

Астрономы проникли в подробности загадочного происхождения двух различных газовых потоков, наблюдаемых со стороны новорожденной звезды. Используя радиообсерваторию ALMA, исследователи обнаружили, что поток, движущийся с меньшей скоростью, и высокоскоростной джет, идущие со стороны звезды, не являются соосными в пространстве, и что быстрый джет сформировался позднее медленного потока. Это позволило команде утверждать, что эти два потока были испущены из разных областей протозвездного диска.

Новорожденные звезды растут за счет аккреции окружающего их материала, представляющего собой газ и пыль, однако не весь материал в конечном счете оказывается внутри звезды. Часть материала выбрасывается с поверхности будущего светила, формируя потоки материала или джеты, напоминающие в этот период эволюции звезды «плач младенца».

В новой работе Юко Мацусита (Yuko Matsushita), студент магистратуры Университета Кюсю, Япония, и ее команда использовали обсерваторию ALMA для наблюдений структуры потоков, идущих со стороны звезды MMS5/OMC-3 и обнаружили два различных потока, движущихся с разной скоростью. Анализ данных показал, что быстрый джет был испущен примерно 500 лет назад, в то время как медленный поток сформировался еще 1300 лет назад.

Относительно происхождения потоков материала, испускаемых новорожденной звездой, существуют две основные альтернативные точки зрения. Согласно первой гипотезе, различные по характеру потоки испускаются из разных зон околозвездного диска, а вторая версия предполагает, что сначала звезда испускает быстрый джет, который врезается затем в окружающее звезду облако из газа и пыли, в результате чего формируется вторичный поток материала, движущийся с более низкой скоростью. Результаты, полученные в этом исследовании, свидетельствуют в пользу первой гипотезы, согласно которой потоки материала, извергаемого новорожденной звездой, исходят из различных областей ее околозвездного диска, считают Мацусита и ее коллеги.

Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal.

Источник

Физики раскрыли секрет невероятной быстроты движения акул-мако

Акулы-мако могут разгоняться до 110 километров в час во время рывка за добычей благодаря уникальной структуре их чешуи, заставляющей воду течь только в одну сторону вдоль нее. К такому выводу пришли ученые, выступившие с докладом на конференции Американского физического общества в Вашингтоне.
"Мы провели опыты в гидродинамической трубе, в ходе которых мы измерили срыв потока — силу, которая, к примеру, тянет вашу руку в стороны, если высунуть ее из окна машины и расположить вертикально по отношению к потоку воздуха. Оказалось, что она была заметно меньше для кожи акул, чем для гладкой поверхности", — рассказывает Эйми Ланг (Amy Lang) из университета Алабамы (США).
Акулы принадлежат к числу одних из самых долгоживущих рыб и просто позвоночных животных на Земле. К примеру, гренландские акулы Somniosus microcephalus в среднем живут около двух или трех сотен лет, а некоторые особи могут дожить до возраста в 500 лет, что делает их самыми долгоживущими существами на планете.
Помимо рекордов долгожительства, акулы к тому же относятся к числу самых активных и быстрых подводных хищников. Хорошо известно то, что мако (Isurus oxyrinchus) могут плыть с "крейсерской" скоростью в 74 километра в час и разгоняться до 110 километров в час в тот момент, когда они видят добычу.
Ланг и ее коллеги раскрыли главный секрет "суперскорости" этого вида акул, изучая другую их необычную черту — способность "взъерошивать" чешую, менять угол наклона ее пластинок, в некоторых уголках их тела.
Эти наслоения "биоброни" акул устроены таким образом, что хищница может отклонять их в сторону от тела на 30-40 градусов. При этом их поверхность остается гладкой, если смотреть на рыбу со стороны носа, и становится похожей на раскрытую сосновую шишку с обратного конца.
Подобная "изменяемая геометрия" чешуи, как выяснила Ланг еще 10 лет назад, экспериментируя с искусственными копиями кожи мако, может улучшать гидродинамику тела акулы и помогать ей плыть быстрее. Недавно ее команда провела опыты с настоящими образцами чешуи и покровов этих рыб и проверила, насколько справедливыми были эти предположения.
Для этого ученые создали особую установку, которая позволила им очень точно измерить силу срыва потока, порождаемую образцами кожи акулы и другими фрагментами мягких материалов, и понять, как они взаимодействуют с упорядоченными и турбулентными потоками воды в разных условиях.
Эти замеры подтвердили их первоначальную гипотезу и показали, что кожа мако действительно управляет движением разных типов потоков воды примерно так же, как это делают шарики для гольфа, покрытые множеством микроскопических лунок. Они нейтрализуют срыв потока при ударе по мячу и позволяют ему пролететь на 30% дальше, чем гладкий шар такой же массы и размеров.
Как предполагают ученые, искусственные аналоги чешуи акулы сделают вертолеты и самолеты более экономичными или маневренными, позволяя им быстрее или проще преодолевать сопротивление воздуха. Этими разработками уже заинтересовались инженеры фирмы Boeing и Армия США. 

Источник

ерная дыра промежуточной массы падает в сверхмассивную черную дыру Галактики

Астрономы обнаружили скрытую от наблюдений черную дыру по влиянию, оказываемому ею на облако межзвездного газа. Исследователи отмечают, что число таких «спокойных» черных дыр в нашей Галактике может достигать свыше 100 миллионов. Эти результаты дают новый метод поисков других скрытых от наблюдений черных дыр и помогают нам глубже понять процессы роста и эволюции таких объектов.

Черные дыры представляют собой объекты с настолько мощной гравитацией, что ничто – и даже свет – не может покинуть их пределов. Поскольку черные дыры не излучают свет, астрономы могут сделать вывод о наличии черной дыры только по ее гравитационному влиянию на другие объекты. Массы черных дыр составляют от примерно 5 масс Солнца до нескольких миллионов масс нашего светила. Астрономы считают, что небольшие черные дыры сливаются и постепенно вырастают в более крупные черные дыры, однако никто никогда не видел черную дыру промежуточной массы – объекта, масса которого составляла бы сотни или тысячи масс Солнца.

В новом исследовании команда, возглавляемая Сюнья Такекавой (Shunya Takekawa) из Национальной астрономической обсерватории Японии, обратила свое внимание на объект под названием HCN-0.009-0.044, газовое облако, движущееся необычным образом близ центра Галактики, на расстоянии около 25000 световых лет от Земли в направлении созвездия Стрельца. Исследователи использовали радиообсерваторию ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) для проведения наблюдений этого объекта в высоком разрешении и обнаружили, что облако вращается вокруг невидимого массивного объекта.

Подробный кинематический анализ материала облака показал наличие скрытой массы порядка 30000 солнечных масс, сконцентрированной в области размером меньше Солнечной системы. На основе этих данных ученые пришли к выводу, что имеют дело с черной дырой промежуточной массы.

Согласно авторам работы, эта черная дыра промежуточной массы находится на расстоянии всего лишь в 20 световых лет от центральной сверхмассивной черной дыры Млечного пути и в будущем упадет на эту гигантскую черную дыру, подобно тому, как на нее падает газ из окружающего пространства.

Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal Letters.

Источник