Новости науки

Физики из России создали новый тип

Физики из Санкт-Петербурга разработали новый тип лазерных диодов, излучение которых можно сфокусировать в очень тонкий луч, и использовали их в качестве "сердца" оптического пинцета, за создание которого только что была присуждена Нобелевская премия. Их выводы были представлены в журнале Scientific Reports.

"Нам удалось показать, что можно создать пучок Бесселя, особым образом "закрученный свет", даже из лазерного луча с очень плохими пространственными характеристиками. Это открывает новые возможности для использования мощных полупроводниковых лазеров", — рассказывает Григорий Соколовский из Физико‐технического института РАН в Санкт-Петербурге, чьи слова приводит пресс-служба заведения.

Световые щипцы, или оптические пинцеты, представляют собой особые инструменты, способные манипулировать микроскопическими кусочками материи, в том числе живыми клетками, при помощи частиц света. Как правило, главную роль в таких приборах играют микролазерные излучатели, испускающие особые, "закрученные" импульсы света.

Первые подобные устройства, за создание которых сегодня была присуждена Нобелевская премия, обладали массой ограничений – они не могли работать в "грязной" среде, где в луч лазера попадали "ненужные" частицы, и могли манипулировать ими лишь на небольшом расстоянии.

Примерно шесть лет назад ученые смогли решить большую часть этих проблем, используя не простые лучи лазера, а так называемые пучки Бесселя. Под этим словом математики и физики понимают набор из пучков света особой формы, закрученных так, что их мощность остается постоянной по мере распространения. Если посмотреть на них с одной стороны, они похожи на букву Х, а с другой – на набор вложенных друг в друга колец.

 

© Sokolovskii et al. / Scientific Reports 2018

Линза "нобелевского" лазера, созданного российскими и зарубежными физиками, а также его сфокусированный луч

Благодаря такой форме, пучки Бесселя могут "огибать" различные частицы, не рассеиваясь на них, и сохранять фокусировку при движении на больших расстояниях. Математически "полноценный" луч такого типа получить невозможно, однако его почти полные аналоги можно легко создать, пропустив лазерный пучок через коническую линзу особой формы.

Соколовский и его коллеги одновременно создали новый тип оптических щипцов, и смогли заметно улучшить работу лазерных диодов, обратив внимание на то, что пучки Бесселя можно использовать для ликвидации главного недостатка полупроводниковых лазеров — низкой "кучности" их излучения.

Российские физики проверили, так ли это на самом деле, проведя совместный эксперимент с учеными из Греции и Великобритании. Их трехмерные лазерные нанопринтеры помогли команде Соколовского изготовить миниатюрные конические линзы и "выточить" их на конце оптоволокна, через которое пропускалось излучение диода.

Подобрав правильную геометрию линз, физикам удалось сфокусировать луч диода примерно в 10 раз лучше, чем это можно сделать при помощи классических сферических линз. В результате этого диаметр светового пятна лазера уменьшился до 2-4 микрометров, чего хватает для использования подобных диодов в качестве "сердца" световых щипцов.

Как показали дальнейшие опыты, луч подобных размеров хорошо захватывает одиночные эритроциты, красные кровяные клетки, имеющие сопоставимые габариты, и перемещает их на достаточно большие расстояния.

Помимо оптических щипцов, подобные лазеры можно применять для создания различных технологий обработки материалов, трехмерных нанопринтеров, а также для уменьшения размеров и значительного удешевления многих других лазерных установок, где сегодня применяются твердотельные и волоконные лазеры.

Источник

Физики из России выяснили, что заставляет атомы ртути превращаться в "яйца"

Российские и зарубежные ученые, работающие в ЦЕРН, нашли объяснение того, почему атомы некоторых изотопов ртути могут резко растягиваться, превращаясь в "яйцо", если из них выбить всего один нейтрон. Их выводы были представлены в журнале Nature Physics.

"Поведение таких экзотических ядер было крайне сложно не только наблюдать, но и просчитывать, из-за чего их форма оставалась загадкой для нас. Только после создания ускорителя RILIS в рамках проекта ISOLDE и объединения усилий с другими учеными мы смогли заглянуть внутрь этих изотопов", — заявил Брюс Марш (Bruce Marsh), представитель ЦЕРН и глава коллаборации.

Тайны микромира

Ядро атома может быть более или менее устойчивым в зависимости от того, заполнены ли до конца оболочки из нейтронов и протонов. Если оболочки заполнены, то ядро более устойчиво. Таким образом, изотопы с ядрами, содержащими определенное количество нейтронов и протонов — "магические числа" — могли существовать достаточно долго. До сих пор ученым было известно только семь магических чисел — 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126.

При избытке нейтронов или при их нехватке ядра тяжелых элементов становятся крайне неустойчивыми. В некоторых случаях они приобретают крайне необычную форму, похожую на грушу, мяч для регби или яйцо. Почему это происходит, физики пока понимают далеко не полностью.

К примеру, примерно полвека назад ученые ЦЕРН нашли намеки на то, что ядра некоторых изотопов ртути, таких как ртуть-181, ртуть-183 и ртуть-185, имеют вытянутую форму и несколько других аномальных свойств. При этом атомы свинца, похожие на них по массе и отличающиеся лишь двумя "лишними" протонами, а также остальные изотопы ртути, выглядят вполне заурядно, напоминая обычный круглый футбольный мяч. 

Участники коллаборации ISOLDE, как отмечает Марш, уже много лет изучают и "магические" ядра, и их нестабильные антиподы, проверяя эти открытия и пытаясь понять, что происходит внутри подобных ядер и как по ним распределены протоны и нейтроны.

Для ответа на этот вопрос физики недавно создали ускорительную установку RILIS, которая разгоняет ядра интересующих ученых элементов до сверхвысоких скоростей и считывает их форму, обстреливая их пучками лазерного излучения.

Когда эти лучи сталкиваются с атомами, их фотоны взаимодействуют с электронами, вращающимися вокруг ядра, и их свойства незаметным образом, но меняются, что отражается на их спектре. Отслеживая эти изменения, ученые могут определять форму и размеры этих атомов, а также многие другие их свойства.

Ядра-перевертыши

В прошлом, подобные эксперименты уже проводились, однако детекторам прошлых поколений не хватало точности, чтобы доказать, что ядра некоторых изотопов ртути похожи по форме не на шар, а на мяч для регби. Установка RILIS не только помогла решить эту проблему, но и открыть еще два "аномальных" изотопа – ртуть-177 и ртуть-179, чьи атомы в среднем живут всего несколько сотен миллисекунд.

Используя данные, собранные в ходе этих наблюдений, физики попытались понять, что заставляет шарообразные ядра ртути превращаться в "яйца", используя методы математического моделирования.

Их расчеты показали, что яйцеобразная форма атомов ртути-181, ртути-183 и ртути-185 была связана с тем, что внутри них существовала группа из четырех протонов и нескольких связанных с ними нейтронов, отличавшихся аномально высоким уровнем энергии.

Взаимодействия этой "могучей кучки" частиц с остальными протонами и нейтронами определяют форму ядра. Если нейтронов в нем содержится нечетное количество, то тогда оно деформируется, а при четном числе частиц обе "группировки" уравновешивают друг друга.  Что интересно, любые возбуждения будут заставлять атом превратиться из шара в яйцо и наоборот, в зависимости от изначального числа нейтронов.

Как надеются физики, их расчеты и экспериментальные данные помогут открыть еще более экзотические формы атомных ядер, интересные с точки зрения поисков "островка стабильности" – особой области масс и атомных чисел в периодической таблице Менделеева, элементы которой не распадаются неожиданно долгое время.

Источник

Нобелевскую премию получили ученые за открытия в области лазерной физики

Нобелевскую премию по физике за 2018 год присудили Артуру Эшкину, Жерару Муру и Донне Стрикланд за новаторские изобретения в области лазерной физики, сообщил Нобелевский комитет Королевской шведской академии наук.

Отмечается, что их открытия произвели революции в лазерной физике и сегодня "чрезвычайно маленькие объекты и невероятно быстрые процессы можно наблюдать в новом свете".

Эшкин получит половину награды "за оптические пинцеты и их применение в биологических системах". Другую половину вручат профессорам Муру и Стрикланд — "за разработку метода генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов".

Эшкин — американский физик, пионер в области создания оптических ловушек, автор 47 патентов. Он также известен исследованиями в областях фоторефракции, генерации второй гармоники и нелинейной оптики в волокнах.

Муру и Стрикланд — французский и канадский физики. В 1985 году они предложили новую технику сверхмощных лазерных импульсов — усиление чирпированных импульсов.

Церемония награждения лауреатов пройдет по традиции 10 декабря, в день смерти основателя Нобелевских премий — шведского предпринимателя и изобретателя Альфреда Нобеля (1833-1896). Четыре из пяти завещанных им премий обычно вручают в Стокгольме. Премия мира, согласно воле ее основателя, вручается в Осло, также 10 декабря.

Сумма каждой из Нобелевских премий в 2018 году составляет девять миллионов шведских крон (более миллиона долларов).

Источник

Физики "научили" квантовый компьютер работать с обычным оптоволокном

Физики из Австрии создали новый тип кубитов, ячеек памяти квантового компьютера, способных обмениваться информацией при помощи обычного оптоволокна. Их описание и первые результаты опытов были представлены в журнале npj Quantum Information.

"Наши кубиты состоят из карбида кремния, полупроводникового материала. В нем часто появляются дефекты, с которыми технологи постоянно вынуждены бороться. Нам же наоборот, эти примеси нужны, и огромный массив данных, собранных коллегами, помог нам понять, как они влияют на свойства кристалла", — рассказывает Том Босма (Tom Bosma) из университета Гронингена (Нидерланды).

Кубиты представляют собой одновременно и ячейки памяти, и вычислительные модули квантового компьютера, которые могут одновременно хранить в себе и логический ноль, и единицу благодаря законам квантовой физики. Объединение нескольких кубитов в единую вычислительную систему позволяет очень быстро решать математические или физические задачи, поиск ответа на которые при помощи методик перебора заняло бы время, сопоставимое со сроками жизни Вселенной.

Физики быстро научились изготовлять одиночные кубиты, способные жить достаточно долго для ведения вычислений. С другой стороны, попытки объединить несколько кубитов сталкиваются сегодня с большими трудностями из-за того, что записать и считать данные из них не так просто, как изначально казалось. 

Эти проблемы, как отмечает Босма, отчасти связаны с тем, что современные технологии передачи информации, в том числе различные оптоволоконные каналы связи, мало приспособлены для работы с кубитами. По сути, физикам и инженерам приходится с нуля создавать все шины данных и системы связи, необходимые для объединения небольших групп кубитов в более сложные системы и квантовые сети.

Босма и его коллеги сделали большой шаг к решению этой проблемы, создав достаточно долгоживущие и при этом "быстрые" кубиты, способные почти мгновенно менять свое состояние при записи новой информации, работой которых можно манипулировать при помощи инфракрасного излучения.

Их "сердцем" служит так называемый дефект — атом азота или другого элемента, "затесавшийся" в толщу атомов углерода. Подобные дефекты ученые называют "вакансиями", или NV-центрами, так как добавление "чужого" атома в карбид кремния или алмаз создает особое пустое место с необычными свойствами. В этой точке атом углерода отсутствует, но при этом она обладает всеми свойствами атома, который бы находился в этой точке в "замороженном" состоянии. 

Благодаря этому NV-кубиты обладают очень длинными сроками жизни по сравнению с другими ячейками памяти, однако их поведением и скоростью обновления достаточно сложно управлять. Босма и его команда решили эту проблему, воспользовавшись тем массивом данных, который был собран другими учеными и инженерами при разработке сверхчистых версий оптоволокна.  

Как оказалось, замена азотных дефектов на их молибденовые аналоги резко поменяла свойства подобных кубитов. Они почти не потеряли в стабильности, но при этом они стали более отзывчивыми при попытке поменять их содержимое, и начали взаимодействовать не с фотонами видимого света или микроволнами, а с инфракрасным излучением.

Что самое важное, ученым удалось подобрать свойства этих "вакансий" таким образом, что кубиты начали работать на тех же частотах, что и инфракрасные лазеры, используемые в системах связи.

Это, как отмечают физики, позволяет использовать их для обмена информацией в рамках "составных" квантовых компьютеров и приближает нас к созданию полноценного квантового интернета.

Источник

Почему некоторые взрывы сверхновых производят много марганца и никеля

Исследователи обнаружили, что белые карлики с массами, близкими к максимальной стабильной массе (называемой пределом Чандрасекара), вероятно, производят большие количества марганца, железа и никеля, если они обращаются вокруг другой звезды, а затем взрываются как сверхновые типа Ia.

Сверхновая типа Ia представляет собой термоядерный взрыв углеродисто-кислородного белого карлика, вокруг которого обращается другая звезда - составляющие вместе двойную звездную систему. Во Вселенной сверхновые типа Ia являются основными источниками элементов группы железного пика (от скандия до никеля), включая марганец, железо и никель, а также некоторых элементов средних масс, включая кремний и серу.

Для изучения характера двойных систем, приводящих к взрывам сверхновых типа Ia, в новой научной работе исследователи во главе с Шин-Чи Люном (Shing-Chi Leung) из Института физики и математики Вселенной им. Кавли Токийского университета. Япония, провели математическое моделирование, используя методы многомерной гидродинамики. В ходе этого моделирования ученым удалось показать на примере галактики 3C 397, расположенной в нашей Галактике на расстоянии примерно 5,5 парсека от центра диска Галактики, что отношения содержаний марганца, железа и никеля в таких системах чувствительны к массе и металличности белого карлика. Измеренные значения параметров системы 3C 397 могут быть объяснены, если белый карлик имеет массу, близкую к пределу Чандрасекара и высокую металличность, отмечают авторы.

Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal.

Источник

Галактики, падающие на скопление, демонстрируют живописный

Астрономы при помощи космического рентгеновского телескопа НАСА Chandra ("Чандра") запечатлели гигантский "хвост" горячего газа, протянувшийся более чем на один миллион световых лет со стороны группы галактик, падающей в глубины большего по размерам скопления галактик. Подобные открытия позволяют астрономам глубже понять обстановку и условия, в которых происходила эволюция крупнейших структур Вселенной.

Скопления галактик являются крупнейшими структурами во Вселенной, связанными гравитационно. И хотя скопления могут содержать сотни и даже тысячи галактик, львиная доля массы скопления приходится на горячий газ, который испускает рентгеновские лучи, и невидимую темную материю. Но как эти космические гиганты могли вырасти до таких размеров?

На этом новом снимке показан один из механизмов: захват галактик действием экстремально мощной гравитации скопления галактик. На расположенном слева изображении представлен общий вид скопления галактик под названием Абель 2142. Это скопление содержит сотни галактик, окруженных горячим газом с температурой в несколько миллионов градусов Цельсия, который наблюдался при помощи обсерватории Chandra (фиолетовый цвет). Центр скопления Абель 2142 расположен в центре этого облака фиолетового излучения, в нижней части этого изображения. Здесь показан только горячий газ, поскольку менее горячий газ, расположенный дальше от середины скопления, не обнаруживается как "фиолетовое излучение". На этом комбинированном снимке данные, собранный при помощи "Чандры", объединены с оптическими данными, собранными при помощи Слоуновского цифрового обзора неба и представленными в красном, зеленом и голубом цветах.

Яркий рентгеновский "хвост", расположенный в верхнем левом углу левого изображения, направлен в сторону скопления галактик Абель 2142. На правом изображении этот "хвост" представлен крупным планом. Основная часть хвоста является упорядоченной, поскольку газ этой группы галактик "защищают" от разрывов под действием гравитации скопления магнитные поля; и только ближе к верхней его части "хвост" становится неправильным по форме и клочковатым - это зона турбулентности.

Нижняя часть "хвоста" светится ярче, чем его верхняя часть. Согласно астрономам, это может быть связано с яркими активными ядрами галактик группы, расположенных в ее "нижней" части.

Работа, посвященная анализу этих наблюдений, появилась в журнале Astronomy & Astrophysics; главный автор Д. Эккерт (D. Eckert).

Источник

Происхождение

Астрофизики наконец предложили объяснение резким "перепадам настроения" самых крупных, ярких и редких звезд во Вселенной.

Эти звезды, называемые яркими голубыми переменными, периодически извергают материал в ходе ослепительных вспышек, называемых "звездными гейзерами". В ходе этих мощных извержений происходит выброс материала массой с целую планету в космос в течение нескольких суток. Причина этой нестабильности, однако, оставалась загадкой для астрономов на протяжении нескольких десятилетий.

Теперь новая численная модель, построенная командой астрофизиков, показывает, что турбулентное движение во внешних слоях массивной звезды приводит к формированию плотных сгустков звездного материала. Эти сгустки поглощают интенсивный свет звезды, подобно солнечному парусу, и в результате этого происходит выброс материала в космос. После выброса достаточного количества массы звезда вновь "успокаивается", до тех пор пока не происходит восстановление ее внешних слоев и повтор цикла, сообщают астрофизики в своей работе.

Существование и эволюция звезды определяются балансом между гравитацией с одной стороны и давлением фотонов света - с другой. Ранее предлагаемые объяснения выбросов материала со стороны ярких голубых переменных демонстрировали, что такие элементы, как гелий во внешних слоях атмосферы звезды, могут поглощать достаточное число фотонов, чтобы быть выброшенными в космос в составе потоков материала. Однако простые численные модели, построенные для одного измерения, не поддерживали эту версию: внешние слои не имели достаточной плотности, чтобы поглотить такое количество света, которого хватило бы для преодоления гравитации.

Однако в новом исследовании ученые во главе с Яном-Фей Цзяном (Yan-Fei Jiang ) провели 3-D моделирование физики ярких голубых переменных и показали, что, несмотря на относительно низкую плотность гелия во внешних слоях звезды при рассмотрении системы в одном измерении, анализ ее структуры в трех измерениях демонстрирует, что во внешних слоях имеются сгустки материи с повышенной плотностью, которые могут обладать достаточно высоким уровнем непрозрачности, чтобы поглощать излучение и извергаться в форме "звездных гейзеров", считают авторы.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Источник

Новая классификация экзопланет на основе данных, собранных спутником «Гея»

В современных каталогах насчитывается примерно 4433 экзопланеты. Обычно радиусы этих планет рассчитывают, исходя из радиуса родительской звезды и кривой ее блеска, демонстрирующей спады яркости при прохождении перед звездой планеты. Поэтому радиус родительской звезды является ключевым параметром для расчета радиуса экзопланеты. Недавний релиз данных, собранных при помощи миссии Gaia («Гея») Европейского космического агентства, позволил астрономам значительно повысить точность измерения свойств звезд – до значения погрешности не более 8 относительных процентов – для примерно 108 тысяч светил, входящих в зону наблюдения «охотника за экзопланетами», космического телескопа Kepler («Кеплер»).

В новом исследовании Димитар Сасселов (Dimitar Sasselov) с коллегами использовали эти уточненные данные для расчетов радиусов 4268 экзопланет. Такой большой банк данных позволил команде сделать выводы о распределении экзопланет по размерам. Согласно новой классификации, предложенной Сасселовым и его командой, следует выделять три группы экзопланет в зависимости от размера: планеты радиусом менее 4 радиусов Земли, планеты радиусом от 4 до 10 радиусов нашей планеты и планеты-гиганты радиусом более 10 радиусов Земли. Планеты первой группы подразделяются на две подгруппы, планеты радиусом менее двух радиусов Земли и планеты радиусом более двух радиусов но менее четырех радиусов нашей планеты. Эти планеты в основном содержат мало газа. Вторая из трех групп является «переходной» между каменистыми небольшими планетами и планетами-гигантами; она является относительно малочисленной по невыясненным на сегодняшний день причинам, показывают ученые. Третья новая классификационная группа включает газовые гиганты, в составе которых в основном доминируют водород и гелий; в число этих планет входят аналоги Юпитера и даже коричневые карлики.

Анализируя свойства планет, входящих в группу с размерами от 2 до 4 радиусов Земли, авторы заключают, что в этой группе находится наибольшее число «водных миров», то есть экзопланет, богатых водой. Согласно команде Сасселова, эти результаты помогут повысить эффективность отбора объектов для последующих дополнительных наблюдений, включая потенциально обитаемые планеты.

Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Источник

Доказано существование прелестных частиц

Ученые Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) подтвердили существование двух ранее предсказанных частиц и нашли признаки еще одной новой частицы. Об этом сообщает издание Science Alert.

Найденные две частицы — Σb(6097)+ и Σb(6097)- — являются барионами, то есть они состоят из трех кварков, фундаментальных частиц в Стандартной модели. Первая состоит из двух верхних кварков и одного боттом-кварка (или прелестного кварка — «прелестью» называется специфическая квантовая характеристика кварка), а вторая — из двух нижних кварков и одного боттом-кварка. Таким образом, новые частицы относятся к прелестным барионам. Этим они отличаются от протона и нейтрона, в которых прелестный кварк заменен на нижний и верхний кварк соответственно. Кроме того, новые барионы примерно в шесть раз массивнее протона.

Третья частица, пока еще не обнаруженная с необходимой для утверждения об открытии достоверностью, относится к тетракваркам, то есть состоит из двух кварков и двух антикварков. Тетракварки являются экзотическими мезонами, в которых число кварков и антикварков всегда равное. Новый кандидат назван Zc-(4100) и должен включать в себя два прелестных кварка. Он образуется при распаде B-мезонов.

Ранее, в августе, сообщалось, что физики, работающие на Большом адронном коллайдере в составе коллабораций ATLAS и CMS (ЦЕРН), впервые наблюдали распад бозона Хиггса на два боттом-кварка. Это открытие вновь подтверждает Стандартную модель, описывающую свойства элементарных частиц.

Источник

Древний Марс был пригоден для подповерхностной жизни, выяснили ученые

В новом исследовании показано, что древний Марс, вероятно, обладал достаточным количеством химической энергии, чтобы под его поверхностью могла развиваться микробная жизнь.

«Мы показали, исходя из базовых физических и химических расчетов, что под поверхностью Марса, вероятно, находилось достаточно растворенного водорода, чтобы поддерживать глобальную подповерхностную биосферу, - сказал Джесси Тарнас (Jesse Tarnas), студент магистратуры Браунского университета, США, и главный автор нового исследования. – Условия в этой «обитаемой зоне» могли быть схожими с условиями в местах на Земле, где развивается подземная жизнь».

На Земле получили распространение так называемые подповерхностные литотрофные микробные экосистемы. Несмотря на недостаток солнечного света, эти подземные микробы получают энергию за счет отрыва электронов от молекул в окружающей их среде. Растворенный молекулярный водород является прекрасным донором электронов и известным источником энергии для подповерхностных литотрофных микробных экосистем на Земле.

В этом новом исследовании показано, что в результате радиолиза – процесса, в котором происходит радиационное расщепление воды на ее химические составляющие, кислород и водород – под поверхностью древнего Марса могло сформироваться большое количество водорода. Согласно оценкам исследователей, концентрации водорода в коре Красной планеты примерно 4 миллиарда лет назад находились в диапазоне концентраций, в который попадают условия существования множества бактерий, обнаруживаемых сегодня на Земле.

Эти находки могут помочь выявить зоны поверхности Марса, являющиеся наиболее перспективными для изучения при помощи будущих марсианских миссий – таковыми, с точки зрения авторов исследования, являются места, в которых фрагменты подповерхностной «обитаемой зоны» были обнажены в результате, например, событий падения метеоритов.

Исследование опубликовано в журнале Earth and Planetary Science Letters.

Источник

В космосе нашли опровергающий законы физики объект

Ученые Амстердамского университета (Нидерланды) обнаружили уникальную нейтронную звезду, которая извергает релятивистские струи плазмы несмотря на то, что у нее достаточно сильное магнитное поле. Согласно современным теоретическим моделям, джеты могут возникать у звезд с более слабым магнитным полем. Об этом сообщает издание Science Alert.

Нейтронная звезда находится в составе двойной системы Swift J0243.6+6124, удаленной от Земли на 24 тысячи световых лет. Вещество от более крупной звезды, находящейся рядом с компактным объектом, перетекает на последний, образуя аккреционный диск. С полюсов нейтронной звезды выбрасываются струи ионизированных частиц, достигающих околосветовых скоростей.

Джеты были обнаружены у многих объектов, поглощающих вещество компаньона, включая черные дыры, белые карлики и других нейтронных звезд. В то же время они не наблюдались у звезд с мощным магнитным полем, и считалось, что оно препятствует образованию струй.

Ученые зафиксировали радиоизлучение от Swift J0243.6+6124, указывавшее на существование джетов, которые слабее известных аналогов примерно в 100 раз. В то же время магнитное поле нейтронной звезды в 10 триллионов раз сильнее, чем у Солнца. Это опровергает гипотезу о магнитном подавлении релятивистских струй, согласно которой сильное поле отталкивает диск. Последний должен находиться в достаточной близости от нейтронной звезды, чтобы джет мог образоваться. Ученые полагают, что в случае Swift J0243.6+6124 струи формируются из-за большого количества вращательной энергии диска, однако это предположение предстоит проверить.

Источник

Ядерная паста - самая прочная субстанция, известная науке

Команда исследователей рассчитала прочность материала, расположенного глубоко под корой нейтронных звезд и обнаружила, что он является самым прочным материалом во Вселенной, известным науке.

Мэтью Каплан (Matthew Caplan), исследователь-постдок из Университета Макгилл, Канада, вместе с коллегами из США успешно провел крупнейшее компьютерное моделирование физики коры нейтронных звезд, впервые описав процессы ее разлома.

«Прочность коры нейтронных звезд, в частности, нижнего слоя коры, имеет большое значение для изучения ряда астрофизических процессов, однако обусловливающие эту прочность факторы недостаточно глубоко изучены в настоящее время», - сказал Каплан.

Нейтронные звезды формируются при взрывах сверхновых, представляющих собой «схлопывание» объекта размером с Солнце до размеров Монреаля, в результате чего их плотность становится «в сотню триллионов раз больше плотности самого плотного материала, обнаруживаемого на Земле». Из-за мощнейшей гравитации внешние слои нейтронной звезды застывают в твердое вещество, что придает ей сходство с Землей, имеющей твердую кору, окружающую жидкое ядро.

Высокая плотность обусловливает уникальную структуру материала недр нейтронных звезд, известного как ядерная паста. Благодаря проведенным вычислениям, потребовавшим 2 миллиона часов машинного времени на суперкомпьютере – что эквивалентно 250 годам вычислений на ноутбуке с одним хорошим центральным процессором – Каплан и его коллеги смогли «растянуть и деформировать» материал, расположенный глубоко в недрах нейтронной звезды.

Эти находки могут помочь астрофизикам глубже понять гравитационные волны, подобные тем, что были обнаружены в прошлом году со стороны сталкивающихся нейтронных звезд. Эти новые результаты даже содержат указания на то, что одиночные нейтронные звезды способны генерировать небольшие по интенсивности гравитационные волны, отметили авторы.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Источник

Астрономы из Калифорнии начали поиски инопланетян в соседней галактике

Американские планетологи начали масштабные поиски сверхразвитых инопланетных цивилизаций "у триллиона планет" в соседней Туманности Андромеды, наблюдая за "искусственными вспышками" у ее звезд. Об этом они рассказали на круглом столе НАСА по поиску техногенных следов пришельцев, проходящим сегодня в Хьюстоне.

"Мы предполагаем, что во Вселенной должны существовать цивилизации, не уступающие нашей в уровне развития. Они, как и наш коллега Филип Лубин, могут создавать сверхмощные лазеры, при помощи которых они будут "помечать" себя для землян и других собратьев по разуму. Если этот лазер проработает достаточно долго, наша система найдет его", — заявил Эндрю Стюарт (Andrew Stuart) из университета Калифорнии в Санта-Барбаре (США).

Более полувека назад американский астроном Фрэнк Дрейк разработал формулу для вычисления количества цивилизаций в Галактике, с которыми возможен контакт, пытаясь оценить шансы на обнаружение внеземного разума и жизни.

Физик Энрико Ферми в ответ на достаточно высокую оценку шансов межпланетного контакта по формуле Дрейка сформулировал тезис, который сейчас известен как парадокс Ферми: если инопланетных цивилизаций так много, то почему человечество не наблюдает никаких их следов?

Этот парадокс ученые пытались решить множеством способов, самым популярным из которых является гипотеза "уникальной Земли". Она говорит о том, что для появления разумных существ необходимы уникальные условия, по сути, полная копия нашей планеты.

Другие астрономы считают, что мы не можем связаться с инопланетянами по той причине, что галактические цивилизации или исчезают слишком быстро, чтобы мы могли их заметить, или же потому, что они активно скрывают факт своего существования от человечества.

Стюарт, Лубин и их коллеги предлагают радикально расширить границы поисков "братьев по разуму" – следы их существования следует искать не только в Млечном Пути, но и в соседних галактиках.

Подобные поиски, как отмечают ученые, следует вести не в радиоволновом, а в оптическом диапазоне сразу по нескольким причинам. Во-первых, вспышки лазера и другие световые сигналы, поступающие от определенных звезд, гораздо проще увидеть и отличить от излучения, вырабатываемого другими объектами в далеких галактиках, используя даже небольшие телескопы.

Во-вторых, это свойство световых сигналов позволяет одновременно наблюдать за почти неограниченным числом потенциально обитаемых звездных систем в ближайших галактиках, повернутых к нам "лицом". Это должно в разы ускорить поиски сверхразвитых инопланетных цивилизаций и заметно повышает наши шансы на их обнаружение.

Сейчас Стюарт и его команда проверяют работу этой методики на Туманности Андромеды – ближайшей "соседке" Млечного Пути, похожей на нее по размерам и устройству. Сейчас ученые используют для этих наблюдений три десятка телескопов, каждый из которых следит за своим участком галактики.

Программа, созданная Стюартом специально для поисков следов пришельцев, склеивает эти снимки и удаляет с них все известные переменные источники света, в том числе звезды-цефеиды, ядра далеких галактик и спутники на околоземной орбите.

В общей сложности, по словам Лубина и его единомышленников, в Туманности Андромеды должно присутствовать свыше триллиона планет. Хотя бы одна них, как надеются ученые, дала жизнь разумным существам, сумевшим выбраться в космос и осознать то, что во Вселенной должны существовать и другие цивилизации.

Источник

Астрофизики впервые точно измеряют скорость вращения солнцеподобных звезд

Звезды, подобные Солнцу, вращаются в два с половиной раза быстрее на экваторе, чем на более высоких широтах, выяснили ученые из Нью-Йоркского университета в Абу-Даби, Объединенные Арабские Эмираты – и эти находки бросают вызов современным научным представлениям о вращении таких звезд.

До настоящего времени у ученых было мало точных данных о характере вращения солнцеподобных звезд, известно было лишь то, что их экватор вращается быстрее, чем средние широты, по аналогии с Солнцем.

Исследователи из Центра наук о космосе Нью-Йоркского университета в Абу-Даби использовали результаты наблюдений, проведенных при помощи космического телескопа НАСА Kepler («Кеплер») и методы астросейсмологии – анализ распространения звуковых волн внутри звезд – для получения беспрецедентно точных данных о вращении солнцеподобных звезд.

Это исследование обнаружило, что солнцеподобные звезды - которые близки к Солнцу по массе и возрасту - действительно вращаются подобно нашей звезде, в том смысле, что их экваториальные области вращаются быстрее, чем средние и высокие широты. Но есть одно принципиальное отличие.

Экватор Солнца вращается примерно на 10 процентов быстрее, чем средние широты, а экватор солнцеподобных звезд – до 2,5 раза быстрее, чем средние широты этих звезд.

«Это очень неожиданный результат, и он бросает вызов современным численным моделям, согласно которым эти звезды не способны поддерживать дифференциальное вращение настолько большой величины», - сказал Отман Беномар (Othman Benomar), научный сотрудник Центра наук о космосе Нью-Йоркского университета в Абу-Даби и главный автор нового исследования.

Понимание дифференциального вращения может помочь исследователям получить более глубокое представление о магнитных полях звезды, определяющих, в частности, в случае Солнца вероятность возникновения и мощность вспышек, обусловливающих возникновение на Земле геомагнитных бурь, пояснили авторы.

Исследование опубликовано в журнале Science.

Источник

Живые клетки выкидывают квантовые трюки, нарушая законы физики

Австрийский физик Эрвин Шредингер в середине прошлого века первым попытался объяснить феномен жизни при помощи квантовой механики. Сейчас накопилось достаточно данных, чтобы строить гипотезы о том, как в организме возникают квантовые эффекты и зачем они вообще там нужны. РИА Новости рассказывает о последних достижениях квантовой биологии.

Кот Шредингера скорее жив

В книге "Что такое жизнь с точки зрения физики?", опубликованной в 1945 году, Шредингер описывает механизм наследственности, мутаций на уровне атомов и молекул через квантовую механику. Это способствовало открытию структуры ДНК и подтолкнуло биологов к созданию собственной теории, основанной на строгих физических принципах и экспериментальных данных. Однако квантовая механика пока остается за ее рамками.

Тем не менее квантовое направление в биологии продолжает развиваться. Его последователи активно ищут квантовые эффекты в реакциях фотосинтеза, физическом механизме обоняния и способности птиц чувствовать магнитное поле Земли.

Фотосинтез

Растения, водоросли и многие бактерии черпают энергию напрямую из солнечного света. Для этого у них есть своеобразные антенны в клеточных мембранах (светособирающие комплексы). Оттуда квант света попадает в реакционный центр внутри клетки и запускает каскад процессов, синтезирующих в итоге молекулу АТФ — универсальное топливо в организме.

Ученые обращают внимание на то, что преобразование квантов света происходит очень эффективно: все фотоны попадают с антенн в состоящий из белков реакционный центр. Туда ведет много путей, но как фотоны выбирают лучший? Может быть, они используют все пути сразу? Значит, нужно допустить наложение разных состояний фотонов друг на друга — квантовую суперпозицию.

Проводились эксперименты с живыми системами в пробирках, возбуждаемыми лазером, чтобы наблюдать квантовую суперпозицию и даже некий "квантовый бит", но результаты получились противоречивыми.

 

© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина, Depositphotos

Квантовые эффекты в биологии

Птичий компас

Птичка под названием "малый веретенник" совершает беспосадочный перелет с Аляски в Новую Зеландию через Тихий океан — 11 тысяч километров. Малейшая ошибка в направлении стоила бы ей жизни.

Установлено, что птицы ориентируются по магнитному полю Земли. Некоторые перелетные певчие виды чувствуют направление магнитного поля с точностью до пяти градусов.

Для объяснения уникальных навигационных способностей ученые выдвинули гипотезу о встроенном птичьем компасе, представляющем собой частицы магнетита в теле.

В соответствии с другой точкой зрения, на сетчатке птичьего глаза есть особые белки-рецепторы, которые включаются под действием солнечного света. Фотоны выбивают из молекул белков электроны, превращая их в свободные радикалы. Те приобретают заряд и, словно магнитики, реагируют на магнитное поле. Его изменение способно переключать пару радикалов между двумя состояниями, которые существуют как бы одновременно. Предполагается, что птицы чувствуют разницу этих "квантовых скачков" и корректируют курс.

Обоняние

Человек различает тысячи запахов, но физические механизмы обоняния до конца не известны. Попадая на слизистую, молекула пахучего вещества встречается с белковой молекулой, каким-то образом ее распознающей и посылающей сигнал нервным клеткам.

Известно примерно 390 типов обонятельных рецепторов человека, которые комбинируются и воспринимают все возможные запахи. Считается, что пахучее вещество словно ключ открывает рецептор-замок. Однако молекула запаха при этом химически не изменяется. Как же рецептор ее опознает? Видимо, он чувствует что-то еще в этой молекуле.

Ученые предположили, что электроны туннелируют (проходят энергетические барьеры без дополнительной энергии) через молекулы запаха и переносят некий информационный код к рецепторам. Попытки соответствующих опытов на плодовых мушках и пчелах пока не дали внятных результатов.

"Поведение любой сложной системы, в частности живой клетки, определяется микроскопическими процессами (химией), а такие процессы можно описать только квантовой механикой. У нас просто нет никакой альтернативы. Другой вопрос, насколько эффективно это описание сегодня. Квантовая механика сложных систем — это называется квантовой информатикой — пока в зачаточном состоянии", — комментирует РИА Новости Юрий Ожигов, сотрудник кафедры суперкомпьютеров и квантовой информатики факультета ВМиК МГУ имени М. В. Ломоносова.

Профессор полагает, что прогрессу в квантовой биологии препятствует то, что современные физические приборы заточены на неживые объекты, опыты на живых системах поставить с их помощью проблематично.

"Надеюсь, это временные трудности", — заключает он.

Источник

Ученые прогнозируют, как должны выглядеть черные дыры прямого коллапса

Черные дыры формируются, когда звезды завершают жизненный цикл и их материя коллапсирует с образованием экстремально плотного объекта, пределы которого не может покинуть ничто – и даже свет. Астрономы считают, что массивные черные дыры могли также формироваться при рождении галактики, однако до сих пор никто не смог заглянуть так далеко назад во времени, чтобы наблюдать условия, в которых происходило формирование этих так называемых «черных дыр прямого коллапса».

Космический телескоп James Webb, запуск которого запланирован на 2021 г., сможет «всмотреться» достаточно глубоко в прошлое нашей Вселенной, чтобы увидеть галактики, в которых происходит рождение таких черных дыр. Теперь в новом исследовании астрономы из Технологического института Джорджии, США, во главе с Кирком С. Барроу (Kirk S. Barrow) провели расчеты, которые позволяют понять, на что именно следует обратить внимание при наблюдениях черных дыр прямого коллапса при помощи этого космического телескопа.

Основные выводы из этого единственного в своем роде исследования сводятся к тому, что, во-первых, прямое формирование таких черных дыр сопровождается особым мощным излучением в рентгеновском и УФ-диапазонах, которое достигнет Земли уже как ИК-излучение с большей длиной волны, поскольку наша расширяющаяся Вселенной «растягивает» коротковолновое излучение. Космическая обсерватория James Webb как раз предназначена для наблюдений в ИК и оптическом диапазонах. Кроме того, излучение, испускаемое материей, падающей в черную дыру прямого коллапса, приведет к вспышке формирования массивных звезд, бедных металлами, нашли авторы.

Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.

Источник

Математики и физики усомнились в доказательстве гипотезы Римана

Шон Кэрролл, известный физик-теоретик из Калифорнийского технологического института, а также многие другие ученые усомнились в справедливости одного из ключевых постулатов доказательства гипотезы Римана, изложенного известным британским математиком Майклом Атьей на Гейдельбергской встрече лауреатов престижных математических премий.

"Идеи Атьи основываются на заманчивом, но ошибочном представлении о том, что постоянная тонкой структуры является простой безразмерной величиной, а не функцией. В этом смысле выкладки Атьи не просто ошибочны — подобным образом эту константу нельзя вывести в принципе. Если говорить проще — невозможно вывести простую фундаментальную формулу для точного вычисления средней температуры по Лос-Анджелесу", — пишет Кэрролл в своем блоге.

Открытие века

На прошлой неделе Майкл Атья (Michael Atiyah) сделал громкое заявление, пообещав представить на очередной встрече Гейдельбергского клуба доказательство гипотезы Римана — одной из нерешенных математических "проблем тысячелетия".

Эта идея, изложенная в 1859 году немецким математиком Бернхардом Риманом, постулирует, что простые числа распределены по математическому пространству не случайным образом, а подчиняются определенной закономерности, которую специалисты в теории чисел называют "дзета-функцией Римана".

За последующие 150 лет математики неоднократно пытались доказать эту гипотезу или проверить ее численным путем, однако пока ни доказательств, ни однозначных противоречий ее положениям найти так и не удалось. 

Поэтому заявление Атьи вызвало большой ажиотаж и в научном сообществе, и в прессе. Споры вышли на новый уровень, когда в Сеть попал препринт статьи Атьи, в котором описывалось это доказательство.

Многие математики весьма скептически отнеслись к тексту, обнаружив несколько крайне спорных моментов и просто опечаток, из-за чего некоторые даже не поверили, что его автором был Атья. Тем не менее на Гейдельбергской встрече Атья действительно изложил содержание этой статьи, сопроводив ее длительным экскурсом в историю теории чисел. 

Как отметил 90-летний корифей британской математики, он решил "проблему тысячелетия" практически случайно, пытаясь найти математическое объяснение так называемой постоянной тонкой структуры — одной из фундаментальных физических констант, приблизительно равной 1/137.

Физический скепсис

В процессе поиска формулы Атья создал особую математическую конструкцию, так называемую функцию Тодда, которая, как он осознал позже, позволяет доказать гипотезу Римана методом от противного.

Эта идея вызвала критику не только со стороны Кэрролла, но и многих других известных физиков и математиков. К примеру, Сабина Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder), космолог из Института передовых исследований во Франкфурте (Германия), пишет, что постоянная тонкой структуры приобретает подобное красивое значение только при низких энергиях и что все попытки вывести ее математически не имеют смысла, так как значение функции зависит от условий во Вселенной.

Чешский физик Любош Мотль (Lubos Motl), один из специалистов в теории струн, отметил, что он на "99% уверен" в том, что Атья ошибается. По словам Мотля, он нашел несколько серьезных ошибок в математических выкладках британца, непосредственно связанных с гипотезой Римана.

Мотль также посчитал попытку Атьи вычислить постоянную тонкой структуры "бессмысленной нумерологией", так как ее значение будет совершенно другим для бесчисленного множества альтернативных Вселенных, чье существование допустимо в рамках теории струн, и поэтому не связанным с математическими константами вроде числа е или пи.

"Конечно, функция Тодда — очень интересная идея, объединяющая в себе мысли Джона фон Неймана и Фридриха Хирцебруха. С другой стороны, учитывая, что и как пишет Атья про постоянную тонкой структуры, мне кажется более вероятным, что все это чепуха и что функций с такими свойствами не существует", — заключает чешский физик.

Источник

В нашей Галактике обнаружены таинственные субструктуры в форме улитки

Команда исследователей из Института наук о космосе Барселонского университета, Испания, и Гронингенского университета, Нидерланды, обнаружила, проанализировав данные, собранные при помощи космической миссии Gaia («Гея»), субструктуры в составе Млечного пути, которые не были обнаружены никогда прежде.

«Мы наблюдали субструктуры, имеющие различные формы, такие как, например, форма улитки. Существование таких субструктур в составе Галактики наблюдалось впервые, благодаря беспрецедентной точности данных, собранных спутником Gaia Европейского космического агентства, - рассказала Тереза Антойя (Teresa Antoja) из Института наук о космосе, являющаяся главным автором новой научной работы. – Эти субструктуры позволяют нам заключить, что диск нашей Галактики испытал мощные гравитационные возмущения примерно 300 и 900 миллионов лет назад соответственно».

Но что могло вызвать эти возмущения? Для ответа на этот вопрос исследователи сравнили структуру и уровень глубины искажений спиральной структуры с моделями динамики Галактики. Это позволило выработать гипотезу, согласно которой такая гравитационная «встряска» была вызвана прохождением карликовой галактики Стрелец мимо Млечного пути.

«Наше исследование свидетельствует о том, что диск нашей Галактики является динамически молодым, чувствительным к возмущениям и изменяющимся с течением времени, - говорит Антойя. – Одной из наиболее примечательных структур, наблюдаемых нами, стала спиральная структура, в которую входят звезды, расположенные недалеко от Солнца – которая никогда никем не наблюдалась прежде».

Подобно камню, брошенному в пруд, или магниту, приближающемуся к листу бумаги с лежащими на нем железными опилками, карликовая галактика, проходящая мимо большей по размерам галактики, вызывает в структуре этой более крупной галактики возмущения, проиллюстрировали свою гипотезу авторы работы. В дальнейшем карликовая галактика Стрелец – как и десятки других небольших галактик – была поглощена нашей Галактикой и вошла в ее состав, добавили исследователи.

Работа опубликована в журнале Nature.

Источник

В России создали термометр для измерения сверхнизких температур в космосе

Российские ученые создали акустический газовый термометр для измерения сверхнизких температур, чтобы с его помощью тестировать работоспособность наземной и космической техники, рассказал в интервью РИА Новости генеральный директор Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений Сергей Донченко.

"Еще одна новинка – акустический газовый термометр, применение которого особенно важно в области измерений низких температур. Например, российская космическая техника полетит к Луне, где температура составляет минус 150 — 200 градусов Цельсия, но как понять, будет ли она работать при такой температуре? Ее проверят в специальных камерах. Но кто подтвердит, что во время испытаний в них создается нужная температура? Теперь, после создания учеными нашего института нового термометра, сопоставимого по характеристикам с лучшими зарубежными образцами, можно с высокой точностью определить фактическую температуру", — сказал он.

По словам Донченко, новый термометр полезен не только для космической аппаратуры, но и для исследования техники, применяемой в Арктике.

"Мест с температурой, которая заставляет даже металл быть хрупким, достаточно и на Земле. Благодаря этому прибору мы участвуем в международном проекте по переопределению единицы температуры с использованием постоянной Больцмана и измерению расхождений между абсолютной термодинамической температурой и действующей международной температурной шкалой", — добавил собеседник агентства.

Источник

"Росатом" поможет ученым искать возможные частицы темной материи

"Производственное объединение "Электрохимический завод" (ЭХЗ, входит в топливную компанию ТВЭЛ госкорпорации "Росатом") передало партию наработанного на своих мощностях стабильного изотопа хром-50 заказчику – Институту ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) для использования в новом масштабном международном научном эксперименте по поиску так называемых стерильных нейтрино – частиц, из которых, возможно, образуется темная материя.

Речь идет о глобальном научном проекте в области нейтринной физики в рамках проекта BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions), сообщила пресс-служба ТВЭЛ. Эксперимент пройдет на базе подземной лаборатории галлий-германиевого нейтринного телескопа в Баксанской нейтринной обсерватории (Баксанское ущелье, Северный Кавказ), созданной еще в советские времена специально для изучения элементарных частиц — нейтрино.

В качестве необходимого для эксперимента BEST искусственного источника так называемых электронных нейтрино выступят диски из радиоактивного изотопа хром-51. Он может быть получен путем облучения стабильного изотопа хром-50. Однако, в хроме природного изотопного состава хрома-50 всего около 4%, а для создания искусственного высокоинтенсивного источника нейтрино необходим хром с обогащением по изотопу хром-50 не менее 97% и с высокой химической чистотой. Специалисты ЭХЗ в нынешнем году освоили технологию получения хрома-50 в виде хромового ангидрида CrO3.

Ожидается, что новый искусственный источник нейтрино на основе радиоактивного изотопа хром-51 активностью около 3 мегакюри будет готов к середине 2019 года, а результаты эксперимента BEST будут опубликованы в 2020 году.

Коллаборация BEST насчитывает 26 исследователей, представляющих 15 научных организаций России, Германии, США, Канады и Японии. Ведущая роль в коллаборации принадлежит российскому научному учреждению – ИЯИ РАН. Эксперимент BEST поможет ответить на вопрос о существовании в природе четвертого типа нейтрино – стерильных (кроме электронных, тау- и мюонных). В последние несколько лет как в связи с появлением новых "аномальных" результатов в экспериментах по изучению нейтринных осцилляций (превращений нейтрино из одного типа в другой), так и с корректировкой космологических данных эта тема получил новое развитие.

Нейтрино крайне сложно зарегистрировать, так как эта элементарная частица практически не взаимодействует с веществом, но при этом играет центральную роль в механизмах горения Солнца и взрывах сверхновых звезд, а также в процессах формирования элементов во время Большого Взрыва. Определение свойств нейтрино позволит значительно продвинуться в понимании физики элементарных частиц и фундаментальных законов Вселенной.

"ПО "Электрохимический завод" (Зеленогорск, Красноярский край) производит низкообогащенный уран для производства ядерного топлива АЭС, стабильные и радиоактивные изотопы различных химических элементов и ряд других высокотехнологичных продуктов.

Источник