Новости науки

"Хорошо, что кварки связаны". Ученые рассказали о субатомном оружии

Теоретики полагают, что во Вселенной существует кварковое вещество. Оно образует звезды, блуждает по космосу, достигая Земли в виде страпелек, на мгновение возникает в ускорителях. Найдется ли кваркам и энергии их взаимодействия практическое применение — в материале РИА Новости.

Пруд во Вселенной

Все, что мы видим вокруг — почва, деревья, животные, люди, — на базовом уровне состоит из кварков. И у них очень необычные свойства.

Кварки не существуют по отдельности, а образуют агрегаты, например, протоны и нейтроны в ядрах обычного вещества. Между собой кварки связаны чудовищными силами, разорвать которые нельзя.

Кварки — массивные частицы. Массу им придает вакуумный конденсат, равномерно заполняющий все пространство.

"Вакуум — это наша среда обитания, в которую мы все погружены. Раньше считали, что пространство абсолютно пустое. Теперь поняли: так не бывает. Пространство всегда чем-нибудь заполнено. Его можно очистить от посторонних частиц, но не до конца. Что-то в любом случае остается, в том числе хиггсовский, глюонный конденсаты", — рассказывает доктор физико-математических наук Сергей Баранов, ведущий научный сотрудник лаборатории взаимодействия излучения с веществом ФИАН.

Вакуумные конденсаты равномерно разлиты в пространстве, словно вода в пруду, приводит аналогию ученый. Когда вода спокойная, мы ее не замечаем. Подул ветер — пошла волна, которую мы и наблюдаем.

У кварков ненулевой "коэффициент вязкости" в хиггсовском конденсате, а также есть цветовой заряд, благодаря которому они "цепляются" за глюонный конденсат. Поэтому их масса складывается из двух источников.

Кварки неделимы, их по праву можно назвать истинными кирпичиками мироздания. Стандартная модель описывает шесть типов кварков в трех поколениях. Самый тяжелый — топ-кварк — смогли обнаружить только в мощнейших ускорителях (Теватрон, БАК).

 

Обычно кварки сидят по своим "квартиркам" — протонам, нейтронам. Между собой они очень прочно склеены глюонным конденсатом, разорвать который невозможно. Только при очень высокой температуре и плотности в ускорителях кварки покидают "квартирки" и образуют кварк-глюонную плазму.

Можно ли расщепить кварки

Кварки и глюонный конденсат взаимодействуют благодаря особой характеристике — цвету. Конечно, это совсем не то, что мы называем цветом в нашей реальности.

"Цветной заряд похож на электрический, только сложнее устроен. Силовые электрические линии располагаются гуще или реже — в зависимости от расстояния до носителя заряда. У цветного заряда картина иная. Все силовые линии стянуты в узкий шнурок, соединяющий два цветных заряда. Толщина у него постоянная. Это означает, что напряжение поля между зарядами не меняется с расстоянием. Строго говоря, разъединить кварки нельзя, потому что нужно затратить бесконечную энергию", — поясняет Баранов.

Однако природа устроена более хитро. В ускорителе кварки растягивают связывающий их силовой шнурок, и в какой-то момент он просто рвется, потому что так энергетически выгоднее. При этом на концах шнурков образуются новые кварки с массой, равной затраченной на разрыв энергии. И возникает всегда тоже пара — на цветном шнурке. Это называется конфайнментом. 

"Очень хорошо, что кварки так связаны. Если бы они вылетали из ядра, образовалась бы ужасная кварковая бомба с энергией больше, чем при ядерном взрыве. Дефект массы близок к ста процентам", — говорит Олег Теряев, начальник отдела лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ (Дубна).

Конфайнмент ставит крест на кварковой бомбе. Расщепить кварковые агрегаты и запустить цепную реакцию их распада с выделением энергии, по аналогии с ядерным распадом, нельзя.

"Энергия в кварках не запасается, а превращается во множество родившихся в этом столкновении частиц. Пока это игрушки для ума, от которых практической выгоды не видно", — заключает Сергей Баранов.

 

Разноцветные гантельки — это пара кварков, связанных "цветными" силами. Чем дальше их растаскивать, тем крепче связь. В какой-то момент она рвется, и на концах возникают новые кварки. В несвязанном состоянии эти частицы не существуют.

Кварковый термояд

Что если рассмотреть не распад кварков, а их синтез? Согласно опубликованной в Nature статье физиков из Израиля и США, слияние двух странных кварков (так называют одну из их разновидностей) с образованием дикварка сопровождается выходом энергии 12 мегаэлектронвольт. Это чуть меньше, чем при слиянии ядер дейтерия и трития с образованием ядра гелия — реакции, используемой в водородной бомбе. Слияние двух более тяжелых B-кварков даст 138 мегаэлектронвольт.

Однако кварковый синтез слишком стремителен, чтобы успеть его куда-то упаковать или как-то удержать. 

Идею кваркового или мезонного (кварк-антикваркового) оружия обсуждали в годы холодной войны, но быстро признали несостоятельной. Ее удел — научная фантастика.

Вот как говорится об этом в романе Сергея Лукьяненко "Лорд с планеты Земля": "Кварковая бомба использовалась для одной-единственной цели. И применяли ее лишь дважды, после чего самые воинственные миры галактики присоединились к договору о запрещении такого оружия. Кварковая бомба уничтожала целую планету. Защиты от нее не существовало".

"Если кидать в кварковое вещество обычное, то оно превратится в кварковое, причем с выделением энергии. Часть унесет нейтрино, часть пойдет в тепло", — рассуждает доктор физико-математических наук Сергей Попов, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга.

И добавляет, что совсем поглотить наш мир кварковое вещество не сможет. Оно заряжено положительно, как и атомные ядра. Следовательно, заряд будет накапливаться, и кварковое пожирание материи в какой-то момент затормозится. 

"От заряда придется избавляться. Можно, в принципе, придумать как. Почему бы и нет? Ученые пытаются обсуждать даже, как черпать энергию из расширяющейся Вселенной. Мы не знаем, реализуется ли такой процесс в природе, удастся ли им манипулировать. Но понимая, что проблемы технические, а не фундаментальные, я не могу не допустить эту идею в фантастическом романе", — говорит ученый.

 

Пульс звезд

Гипотезу о кварках выдвинули в 1964 году американские ученые. Уже через год советские физики Дмитрий Иваненко и Дмитрий Курдгелаидзе предположили, что при некоторых условиях кварки могут существовать по отдельности (произойдет деконфайнмент). Следовательно, они способны образовывать вещество и звезды. Попытки найти в космосе такие объекты пока не увенчались успехом, однако это не значит, что их нет.

"Возможно, какие-то из нейтронных звезд — кварковые с тоненькой оболочкой обычного вещества", — объясняет Сергей Попов.

Нейтронные звезды очень плотные. Их радиус — всего десятки километров. Не исключено, что внутренняя часть состоит из отдельных кварков. Теоретически возможны и целиком кварковые звезды с радиусом шесть-восемь километров.

"Если сближать нейтроны, произойдет обобществление кварков, образуется кварковое ядро во внутренней части звезды. В разных моделях такие ядра возникают. Но на нынешней стадии развития наблюдательной астрофизики ни подтвердить, ни опровергнуть это нельзя", — уточняет Олег Теряев.

 

© NASA/CXC/M.Weiss

Как устроены компактные звезды

Зачерпните мне кварков

"На очень короткое время кварковое вещество возникает в столкновениях тяжелых ионов, например, золота. Как образуются разные фазы у воды — жидкость, лед, пар. Кварковое вещество представляет собой такую фазу. Примеси ее возникают в разных процессах — как маленькие капельки", — продолжает ученый.

Эксперименты с кварковым веществом и кварк-глюонной плазмой уже проводятся. Принципиально новый подход к проблеме применят в Дубне на строящемся коллайдере NICA. Но все это очень короткоживущие процессы, о которых физики узнают косвенным путем. Наблюдать кварковое вещество напрямую, скорее всего, не получится. 

© Иллюстрация РИА Новости . А.Полянина

Так художник представляет себе столкновение тяжелых ядер золота и образование кварк-глюонной плазмы

Можно ли его вообще как-то обнаружить?

"Была красивая идея — найти вещество, вылетающее при слиянии кварковых звезд. В отличие от нейтронного, кварковое вещество способно оставаться в стабильном состоянии. Оно разлетается в виде страпелек — странных капелек — от английского термина strangelet. Возникают такие аномальные штуки, которые могут зафиксировать детекторы космических лучей по необычному отношению массы к заряду", — говорит Сергей Попов. 

Другая идея состояла в том, чтобы уловить следы страпелек, пробивающих Землю насквозь.

"Их плотность, если округлить, в десять раз больше ядерной. При большой массе они могут быть очень компактными, почти как черные дыры. Страпелька, пролетев Землю со скоростью примерно пятьсот километров в секунду, вызовет слабую сейсмичность. Соответственно, искали сигналы сейсмографов, расположенных далеко друг от друга на прямой линии", — рассказывает астрофизик. 

Какое-то время общественность волновал вопрос, не опасны ли страпельки. Эдварду Виттену, американскому физику-теоретику, автору гипотезы о кусках кварковой материи, блуждающей во Вселенной со времен Большого взрыва, пришлось разъяснять, что странные капельки не опаснее кислорода в атмосфере. Впрочем, их так и не обнаружили.

"Изучение кварков — это приобретение фундаментального знания, применимого в ядерной энергетике", — считает Олег Теряев.

По его мнению, кварковую материю следует рассматривать как нечто промежуточное, катализатор чего-то. Капельки кварков хоть и маленькие, возможно, пригодятся в каком-то типе реакций.

Страпелька — кусочек странного кваркового вещества

Источник

Обнаружен новый внесолнечный объект планетной массы с мощным магнитным полем

Астрономы впервые обнаружили при помощи радиообсерватории Karl G. Jansky Very Large Array Национального научного фонда США объект планетной массы, расположенного за пределами Солнечной системы. Этот объект, имеющий массу порядка дюжины масс Юпитера, демонстрирует невероятно мощное магнитное поле, а кроме того, является «планетой-странницей», движущейся в космосе без сопровождения родительской звезды.

«Этот объект находится ровно на условной границе, проводимой между планетой и коричневым карликом, «неудавшейся звездой», и изучение этого объекта позволит нам глубже понять процессы, ведущие к появлению и эволюции магнитных полей как у звезд, так и у планет», - рассказала главный автор нового исследования Мелоди Као (Melodie Kao) из Университета штата Аризона, США.

Коричневые карлики являются объектами, которые имеют слишком большую массу, чтобы считаться планетами, однако этой массы оказывается недостаточно, чтобы запустить процессы термоядерного горения водорода в их ядрах – процессы, превращающие конденсирующийся объект в звезду. Ранее считалось, что коричневые карлики не излучают в радиодиапазоне, однако в 2001 г. при помощи радиообсерватории VLA ученые наблюдали магнитную активность одного из коричневых карликов.

Объект, изученный в этом новом исследовании носит название SIMP J01365663+0933473 и имеет магнитное поле, интенсивность которого более чем в 200 раз превосходит интенсивность магнитного поля Юпитера. По недавним уточненным данным, этот объект имеет массу 12,7 массы Юпитера, в то время как условная граница между планетой и коричневым карликом проходит на отметке в 13 масс Юпитера. Радиус этой планеты составляет 1,22 радиуса Юпитера, ее возраст ученые оценивают в 200 миллионов лет, а расстояние от Земли до этой планеты составляет примерно 20 световых лет. Температура на поверхности планеты составляет около 825 градусов Цельсия, указывают авторы.

Работа опубликована в журнале Astrophysical Journal Supplement Series.

Источник

Сверхновая Кеплера вспыхнула в результате слияния двух звездных остатков

В новом исследовании показано, что взрыв, который Иоганн Кеплер наблюдал в 1604 г., произошел в результате объединения двух объектов, представляющих собой остатки звезд.

Сверхновая Кеплера (SN 1604), от которой теперь остались лишь одни звездные остатки, наблюдалась в направлении созвездия Оруженосца, в плоскости Млечного пути, на расстоянии 16300 световых лет от нас. В новом исследовании астрономы во главе с Пиларом Руизом Лапуэнте (Pilar Ruiz Lapuente) предприняли попытку определить, какая именно система стала прародителем этой сверхновой, а также выяснить, как выглядят остатки этой системы после взрыва.

Один из широко распространенных механизмов формирования сверхновых предполагает двойную систему, в которой одна из звезд превращается в белый карлик и начинает перетягивать массу со звезды-компаньона. По достижении лимита массы, составляющего примерно 1,4 массы Солнца, белый карлик взрывается как сверхновая, при этом на его месте остается нейтронная звезда или черная дыра; звезда-компаньон при этом обогащается тяжелыми элементами, синтезированными при взрыве сверхновой, и может быть вытолкнута из системы.

В своей работе Лапуэнте и его коллеги провели в окрестностях сверхновой Кеплера подробный поиск возможной звезды-компаньона, обращая особое внимание на химически пекулярные (необычные) звезды. Исследователи использовали данные наблюдений, проведенных при помощи космического телескопа Hubble («Хаббл»), 8,2-метрового телескопа Very Large Telescope (VLT) и других обсерваторий, однако в результате так и не смогли найти звезду, подходящую на роль возможного компаньона белого карлика из системы, давшей начало сверхновой Кеплера. По словам авторов, это свидетельствует о том, что сверхновая SN 1604, вероятнее всего, вспыхнула в результате слияния двух различных звездных остатков.

Работа опубликована в журнале Astrophysical Journal.

Источник

Новый каталог спектров объектов Солнечной системы поможет в поисках экзопланет

Детективы-сыщики могут вычислить преступников по отпечаткам пальцев; теперь у астрономов, занимающихся наблюдениями экзорпланет, появилась аналогичная возможность, только вместо бороздок на коже они используют для идентификации характерные особенности спектров света, излучаемого с поверхности экзопланеты.

Исследователи из Корнеллского университета, США, составили новый справочный каталог, используя калиброванные спектры и геометрические альбедо (альбедо - доля света, отраженного от поверхности) для 19 наиболее сильно отличающихся друг от друга тел нашей Солнечной системы. Этот набор включает все 8 планет, от каменистых до газовых; девять спутников планет, от ледяных до непрерывно извергающих лаву; а также две карликовых планеты: одну, находящуюся в Поясе астероидов, Цереру, а вторую – в поясе Койпера, Плутон.

Сравнивая наблюдаемые спектры и альбедо далеких планет с этими опорными данными, астрономы смогут охарактеризовать исследуемые планеты с точки зрения характера их химического состава и определить, является ли планета ледяной, каменистой или газовой.

Каталог включает спектры как высокого, так и низкого разрешения, поскольку при наблюдениях экзопланет не всегда удается получить спектры высокого разрешения и иногда приходится довольствоваться спектрами низкого разрешения - в таких случаях как раз и могут потребоваться для сравнения спектры объектов Солнечной системы низкого разрешения, пояснили авторы.

Этот каталог под названием "A Catalog of Spectra, Albedos and Colors of Solar System Bodies for Exoplanet Comparison" был опубликован в журнале Astrobiology; главный автор этой работы Дж.Г. Мэдден (J.H. Madden).

Источник

Физики воссоздали часть Большого взрыва в самом холодном месте на Земле

Ученые смогли воссоздать процесс сверхбыстрого расширения Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва, наблюдая за расширением самой холодной жидкости на Земле. Их выводы были представлены в журнале Physical Review X.

"Раскрытие секретов расширения Вселенной откроет дорогу для понимания ее сущности. Меня на самом деле очень удивило, как точно наши теоретические расчеты описывали то, что происходило в лаборатории. Мы даже не ожидали, что все пройдет настолько гладко", — заявила Гретчен Кэмпбелл (Gretchen Campbell) из Университета Мэриленда в Гейтерсбурге (США), чьи слова приводит Space.com.

Как сегодня предполагают космологи, материя распространена по Вселенной не равномерно, а в виде гигантской паутины — связанных друг с другом нитевидных скоплений видимой и темной материи, разделенных огромными космическими пустынями.

Эти пустоты и скопления материи считаются своеобразным отголоском "эха" Большого взрыва, так называемых барионных акустических осцилляций, распределивших материю неравномерно по стремительно расширяющейся Вселенной. Ученые давно пытаются понять, что породило эти колебания и как они менялись в первые мгновения существования мироздания.

Кэмпбелл и ее коллеги смогли воспроизвести этот процесс в лаборатории Университета Мэриленда, в одном из самых холодных мест на Земле, используя экзотическую форму материи, так называемый конденсат Бозе — Эйнштейна.

Он представляет собой необычную форму материи, похожую на газ и жидкость одновременно, которая ведет себя как один атом и обладает типичными атомными свойствами. Это позволяет легко манипулировать свойствами подобных искусственных "атомов" и использовать их как ячейки памяти квантовых компьютеров и в качестве аналогов многих причудливых физических объектов.

Для создания аналога материи Вселенной времен Большого взрыва ученые подготовили небольшое облачко конденсата Бозе — Эйнштейна из атомов натрия и закрутили своеобразный "бублик", используя набор лазеров, удерживавших его атомы на месте.

Сжав его при помощи тех же лазеров, физики отключили их и проследили за расширением данного набора атомов, который продолжал вести себя как один квантовый объект. Это, как объясняет Кэмпбелл, имитировало то, что материя Вселенной была изначально однородной и одинаковой по своим свойствам и только после появления "эха" Большого взрыва ее структура поменялась.

Как показал эксперимент, внутри расширяющегося кольца из атомов натрия возникали фактически те же колебания, а также зоны относительно высокой и низкой плотности, предсказывающиеся большинством современных космологических моделей.

Более того, оказалось, что внутри этого кольца возникали примерно такие же зоны турбулентности и очаги нестабильности, которые, как предполагают ученые, разогрели Вселенную до очень высоких температур после ее первоначального резкого охлаждения в результате сверхбыстрого расширения.

Аналогичные модели Большого взрыва, считает Кэмбпелл, можно использовать для быстрой проверки новых космологических теорий, предполагающих иные сценарии расширения Вселенной или поясняющих другие детали процесса ее рождения.

Источник

Терраформирование Марса пока невозможно, считают исследователи

Авторы научно-фантастических произведений уже давно описывают в своих рассказах идею терраформирования, процесса создания условий, приближенных к земным, на поверхности другой планеты. Ученые тем временем предлагают различные варианты терраформирования Марса в рамках его долгосрочной колонизации. Одним из предлагаемых методов терраформирования Красной планеты является высвобождение диоксида углерода, заключенного в полярных шапках, благодаря чему можно увеличить толщину атмосферы планеты и температуру на ее поверхности. В новом исследовании, однако, группа ученых под руководством Брюса Яковски (Bruce Jakosky) из Колорадского университета в Боулдере, США, показывает, что количества диоксида углерода, доступного на планете, будет недостаточно для эффективного терраформирования.

Хотя современная атмосфера Марса состоит в основном из диоксида углерода, она является слишком тонкой, чтобы поддерживать существование воды в жидкой форме на поверхности планеты – вода быстро испаряется или замерзает. Сторонники идеи терраформирования предлагают высвобождать большие количества диоксида углерода, типичного парникового газа, способного удерживать тепло на планете.

Однако расчеты, проведенные Яковски и его коллегами на основе данных, собранных в течение 20 последних лет несколькими марсианскими орбитальными аппаратами, показывают, что даже при высвобождении всего диоксида углерода, имеющегося на Марсе, в его атмосферу, давление этого газа может быть увеличено лишь в несколько раз, в то время как для терраформирования необходимо увеличение давление диоксида углерода 100 и более раз. Таким образом, сегодня и в ближайшем будущем терраформирование Марса не представляется возможным, делают вывод Яковски и его команда.

Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.

Источник

Тектоника плит не является необходимым условием возникновения жизни на планете

Во Вселенной может оказаться намного больше потенциально обитаемых планет, чем считалось ранее, согласно исследователям из Университета штата Пенсильвания, США, которые нашли, что тектоника плит, долгое время считавшаяся необходимым условием формирования потенциально обитаемых условий на планете, на самом деле таковым не является.

Тектоника плит представляет собой процесс, в ходе которого отдельные литосферные плиты коры планеты движутся и сталкиваются друг с другом. Таким образом, поверхность Земли постоянно обновляется за счет вещества мантии. Планеты, на которых отсутствует тектоника плит, однако, очень широко распространены во Вселенной – на самом деле, Земля является единственной планетой с подтвержденной тектоникой плит.

В новом исследовании группа ученых во главе с ассистент-профессором наук о Земле Университета штата Пенсильвания Брэдфордом Фоули (Bradford Foley) на основе обширного компьютерного моделирования жизненного цикла планеты, включающего, среди прочего, составление ее теплового баланса, выяснила, что планеты, на которых отсутствует тектоника плит, могут удерживать на своей поверхности воду в жидкой форме на протяжении нескольких миллиардов лет. В крайнем случае, при определенном размере и химическом составе планета без тектоники плит даже может поддерживать существование жидкой воды на поверхности в течение 4 миллиардов лет – примерно столько составляет возраст нашей Земли, указывают авторы.

Исследование опубликовано в журнале Astrobiology.

Источник

Физики из России и США нашли в Антарктиде следы "нового типа" нейтрино

Уникальные "воздушные шары", летающие над Антарктикой, помогли российским и зарубежным ученым найти потенциальные следы так называемых "стерильных" нейтрино. Их выводы были представлены в статье, принятой к публикации в журнале Physical Review Letters.

"Некоторые теоретики предполагают, что подобные необычные черты сигнала можно объяснить тем, что он был порожден стерильными нейтрино — абсолютно нейтральными частицами, выходящими за пределы Стандартной модели физики. Пока об этом сказать сложно, так как у нас есть всего два события такого рода, но мы постараемся найти и другие сигналы", — заявил Пол Горхэм (Paul Gorham) из университета Гавайских островов в Маноа (США).

Континент-телескоп

Раз в несколько лет ученые из университета Гавайев, НАСА, НИЯУ МИФИ и многих других научных центров мира отправляются в необычные экспедиции на станцию Мак-Мёрдо у южного полюса Земли. Они запускают в холодный полярный воздух аэростаты, начиненные особыми радиоприемниками, и отдают их на волю ветров на последующие несколько недель.

Эти "воздушные шары", проект ANITA, помогают ученым искать так называемые нейтрино сверхвысоких энергий. Они представляют собой следы самых мощных взрывов и катаклизмов Вселенной, происходящих в центрах галактик, окрестностях сверхмассивных черных дыр и других уголках мироздания. Об их природе астрономы продолжают спорить и по сей день.

Очень низкая вероятность регистрации этих частиц заставила физиков превратить всю Антарктику в гигантский детектор подобных нейтрино, пользуясь эффектом, который был предсказан в 1962 году советским физиком Гургеном Аскарьяном. Он заметил, что подобные частицы будут двигаться быстрее скорости света при попадании в лед, в результате чего они будут "тормозить", вырабатывая пучки радиоволн по мере движения через толщу ледника. 

Как рассказывает Горхэм, первые две подобных экспедиции завершились относительной неудачей – ученым не удалось зафиксировать следов нейтрино сверхвысоких энергий, хотя они и "поймали" несколько десятков других космических лучей.

Третий полет шаров ANITA состоялся в декабре-январе 2015 года. На этот раз, как показал анализ собранных ими данных, им удалось зафиксировать одно крайне странное событие, которое очень сложно объяснить в рамках общепринятых представлений о поведении нейтрино сверхвысоких энергий.

Космическая загадка

Дело в том, что радиосигнал, возникший в результате "торможения" нейтрино внутри толщи льда Антарктики, указывал на то, что породившая его частица двигалась не со стороны космоса и открытого неба, а из недр Земли.

Иными словами, данные говорили о том, что нейтрино прошло через всю толщу Земли, проникло внутрь льда и породило рой заряженных частиц. В этом, как объясняет Горхэм, нет ничего необычного – подобным образом через Землю каждую секунду проходит бесчисленное множество нейтрино.

С другой стороны, радиоволны, порожденные этой частицей, обладали крайне необычной поляризацией. По словам физиков, они были больше похожи на пучки электромагнитного излучения, порожденные космическими лучами в атмосфере Земли, чем на следы "подземных" нейтрино.

Пытаясь понять, что могло породить подобные сигналы, ученые еще раз проанализировали данные, собранные в ходе первых двух экспедиций. Оказалось, что во время первого полета детекторы ANITA зафиксировали еще один похожий сигнал, что заставило ученых серьезно отнестись к этой "аномалии".

Призрак "новой физики"

Сравнивая их свойства, Горхэм и его коллеги пришли к выводу, что их породили не "атмосферные" космические лучи, а "подземные" таоны — сверхтяжелые "кузены" электронов, возникшие в толще льда в результате торможения тау-нейтрино.

Подобная идея, в свою очередь, поставила перед учеными новую загадку. Тау-нейтрино просто не должны порождать достаточно большие пучки таонов, движущиеся под тем углом, на который указывали аномальные пучки радиоволн, пойманные ANITA в 2007 и 2015 годах.

Это, соответственно, говорит о двух возможных нарушениях Стандартной модели. С одной стороны, тау-нейтрино высоких энергий могут вести себя не так, как предсказывают ее постулаты, слабее взаимодействия с материей, чем на то указывает теория. В таком случае эти частицы могли породить вспышки сверхновых или гамма-всплески.

С другой стороны, их прародителем может выступать не космический катаклизм, следы которого найти пока не удалось, а "стерильные" нейтрино, еще не открытый четвертый тип этих элементарных частиц. Они должны обладать чрезвычайно большой массой по сравнению с "обычными" нейтрино и не взаимодействовать другой материей никаким образом, кроме как при помощи сил притяжения.

Их существование можно обосновать, минимально поменяв архитектуру Стандартной модели, и их поисками сегодня занимаются десятки детекторов и сотни научных групп. Дальнейшие наблюдения и открытия новых аномальных сигналов на ANITA, как надеется Горхэм, помогут понять, так ли это или нет.

Источник

В МГУ обнаружили два сложных магнетизма

Ученые Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ синтезировали германид диспрозия в метастабильном состоянии. Оказалось, что в этом соединении сосуществуют два явления сложного магнетизма. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds. Пресс-релиз имеется в распоряжении редакции «Ленты.ру».

Германид диспрозия DyGe3 — редкоземельный элемент, который образует тугоплавкие, практически не растворимые в воде оксиды. В ходе исследования под давлением в восемь гигапаскалей были получены поликристаллические образцы германида диспрозия в метастабильном состоянии, которое сохраняется при не очень больших возмущениях.

Выяснилось, что в этом соединении существует волна зарядовой плотности, возникающая в некоторых кристаллах при низких температурах из-за особенностей их электронного строения. Она представляет собой пространственно-периодические смещения ионов и электронной плотности (вероятности обнаружения электрона в определенной точке пространства).

Волна зарядовой плотности влияет на магнитное упорядочение — самопроизвольное выстраивание магнитных моментов (векторов) атомов в веществе. Таким образом, все векторы атомов в веществе имеют определенное направление: они могут быть параллельны (ферромагнитный порядок) или антипараллельны (антиферромагнитный порядок) друг другу. Недавно ученые выяснили, что волна зарядовой плотности может сосуществовать с антиферромагнитным упорядочением.

В германиде диспрозия при понижении температуры происходит переход к волне зарядовой плотности, а при еще более низкой температуре — к антиферромагнитному состоянию.

Исследователи выяснили, что, когда структура кристаллической решетки немного искажается, а симметрия кристаллической структуры в окрестностях некоторых атомов меняется, в веществе происходит переход к волне зарядовой плотности. Волна оказывает определенное влияние на магнитные свойства вещества, приводя, в частности, к появлению спиральной магнитной структуры.

Источник

Астрономы впервые нашли радиоактивную молекулу в космосе

Ученые впервые зафиксировали следы существования радиоактивных молекул в космосе, наблюдая за одной из самых необычных звезд в Млечном Пути, возникшей в результате столкновения двух других светил. Их выводы были представлены в журнале Nature Astronomy.

"По сути, нам удалось "вскрыть" внутренности звезды, разорванной на части три столетия назад, и найти в ней активный источник атомов одного из самых редких и короткоживущих изотопов алюминия. Открытие алюминия-26 в ее останках поможет нам лучше понимать то, как протекает химическая эволюция нашей Галактики", — рассказывает Томаш Камински (Tomasz Kaminski) из Гарвардского университета (США).

Вселенская пропажа

После Большого взрыва во Вселенной существовали только три элемента — водород, гелий и следовые количества лития. Однако через 300 миллионов лет, когда появились первые звезды, начали появляться более тяжелые элементы, рожденные в ходе термоядерных реакций в недрах светил.

Сегодня ученые считают, что все элементы тяжелее железа, в том числе золото, уран, а также другие тяжелые и редкоземельные металлы, возникли по большей части в результате взрывов сверхновых, так как температура и давление внутри звезд слишком низки для их быстрого формирования.

С другой стороны, последние попытки оценить количество золота и других тяжелых элементов, порожденных сверхновыми, говорят о том, что последние формируют эти вещества крайне медленно. Это указывает на то, что в их рождении могли быть замешаны другие, более экзотические процессы, такие как столкновения нейтронных звезд.

Камински и его коллеги открыли еще один источник астрономических "металлов", непосредственно связанный с формированием Земли и других планет, наблюдая за одной из самых причудливых звезд галактики, светилом CK в созвездии Лисички.

Она представляет собой самую древнюю "новую звезду", которая была открыта и изучена профессиональными астрономами еще в конце 17 века. Под этим словом ученые понимают не действительно новые светила, а уже существующие звезды, чья яркость резко выросла и затем упала под воздействием каких-то внутренних процессов или взаимодействий с другими небесными телами.

В отличие от большинства других новых звезд, CK Vulpeculae вспыхнула в 1670 году не в результате взаимодействий между белыми карликами и обычными светилами, а из-за еще более катастрофического события – лобового столкновения двух небольших звезд.

Это "космическое ДТП" привело к взрыву, почти не уступающему по силе вспышке сверхновой, и рождению нового светила, небольшого красного или оранжевого карлика. Эта звезда была в несколько тысяч раз более тусклой, чем сама вспышка, длившаяся примерно два года, из-за чего CK Vulpeculae астрономы не могут найти до сих пор.

Фабрика изотопов

Как отмечает Камински, его команду интересовала не сама звезда, а светящаяся туманность, возникшая после взрыва. Внутри нее, как давно подозревают ученые, должно присутствовать огромное число редких изотопов разных элементов, возникших в момент столкновения светил, когда температуры и давления внутри их материи достигли рекордно высоких величин.

Особый интерес для ученых представляет алюминий-26, один из самых редких изотопов этого металла на Земле, не существующий в природе сегодня. Эта разновидность металла, как считают физики, формируется только во время взрывов сверхновых и в недрах сверхгорячих "косматых" светил, так называемых звезд Вольфа-Райе, и он очень быстро превращается  в стабильный магний-26 за несколько миллионов лет после его рождения.

Первичная материя Солнечной системы, как показывают доли изотопов магния в материи древнейших метеоритов, содержала большие количества алюминия-26. Это поставило перед учеными одну из главных загадок истории формирования Земли и других планет – откуда взялся этот изотоп, были ли сверхновые его единственным источником и где могло родиться Солнце.

Камински и его коллегам удалось частично решить эту загадку, наблюдая за газопылевым "саваном" CK Vulpeculae при помощи микроволнового телескопа APEX, установленного на чилийском высокогорном плато Чахнантор. Как и его "большая сестра", обсерватория ALMA, он может следить за движением даже самых холодных и малочисленных молекул в подобных плотных скоплениях газа и пыли.

Как оказалось, внутри туманности, окружающей CK Vulpeculae, присутствует достаточно большое количество этого металла в виде молекул, содержащих в себе один атом алюминия-26 и фтора. Их общая масса, по словам астрофизиков, была достаточно большой – около 3,4 квинтильона тонн, что эквивалентно четверти массы Плутона.

Они, как отмечает Камински, стали первыми радиоактивными молекулами, которые ученым удалось найти в открытом космосе, и первым свидетельством того, что не весь алюминий-26 вырабатывается сверхновыми и горячими светилами. Дальнейшие наблюдения за этой необычной звездой, как надеются ученые, помогут понять, какую роль подобные столкновения звезд играют в химической эволюции Галактики и в формировании потенциально обитаемых планет.

Источник

«Хаббл» запечатлел Марс и Сатурн в противостоянии

Если на предыдущих изображениях были видны поверхностные детали, на новом снимке преобладает гигантская пыльная буря, окружившая всю планету. Сквозь пыльную пелену проглядывают белые полярные шапки, область Терра Меридиани, кратер Скиапарелли и бассейн Эллада.

Источник

Гамма-всплеск сопровождался продолжительным «отскоком» в радиодиапазоне

В мгновение ока массивная звезда, находящаяся на расстоянии более 2 миллиардов световых лет от нас, «проиграла битву» против гравитации и коллапсировала, в результате чего вспыхнула яркая сверхновая, а в ее центре сформировалась черная дыра.

Эта вновь сформировавшаяся черная дыра разразилась быстро исчезающей, но очень мощной вспышкой гамма-излучения - известной как гамма-всплеск - направленной в сторону Земли. Эта вспышка была зафиксирована 19 декабря 2016 г. при помощи космической обсерватории Swift («Свифт») НАСА.

И хотя гамма-излучение со стороны этого события исчезло из виду всего лишь через 7 секунд после вспышки, излучение с большими длинами волн – включая излучение в рентгеновском, оптическом и радио- диапазонах – наблюдалось в течение нескольких недель. Это позволило астрономам изучить данное высокоэнергетическое событие при помощи наземных обсерваторий, включая радиообсерватории Very Large Array и Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

Эти новые наблюдения позволили команде астрономов под руководством Танмоя Ласкара (Tanmoy Laskar) из Калифорнийского университета в Беркли, США, выяснить, что при вспышке произошло формирование обратной ударной волны, которая оказалась на удивление продолжительной – она наблюдалась в течение нескольких часов, в то время как ученые ожидали наблюдать это событие в течение всего лишь нескольких секунд. Ранее ученые многократно пытались обнаружить такие обратные ударные волны, которые происходят, когда материал, переносимый с джетами, врезается в окружающий умирающую звезду газ, но эти попытки ни разу не увенчались успехом. Вероятно, ошибка состояла в том, что наблюдения следовало проводить не в оптическом, а в миллиметровом диапазоне, предполагает Ласкар.

Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal.

Источник

Сталкивающиеся черные дыры следует искать на периферии спиральных галактик

Находки ученых из Рочестерского технологического института, США, укрепляют уверенность в том, что на периферии спиральных галактик находятся массивные черные дыры. В этих областях космического пространства, которые раньше ускользали от внимания исследователей, следует искать гравитационные волны, формирующиеся при столкновениях массивных тел, сообщают авторы работы.

В этом исследовании астрономы во главе с Суканьей Чакрабарти (Sukanya Chakrabarti), ассистент-профессором Школы физики и астрономии Рочестерского технологического института, предлагают при поисках черных дыр ориентироваться не на сами эти с трудом наблюдаемые объекты, а на те видимые в оптическом диапазоне звезды, из которых эти черные дыры формируются – сверхновые с коллапсом ядра. Медленный распад этих массивных звезд приводит к формированию яркого излучения, испускаемого звездой прежде, чем она превратится в черную дыру.

Используя данные, собранные при помощи обзора неба Supernova Search Ликской обсерватории, в рамках которого изучаются близлежащие галактики, команда сравнила частоту вспышек сверхновых во внешних частях спиральных галактик с частотой возникновения этих событий в галактиках, в которых ученые привыкли искать объекты, порождающие гравитационно-волновые события – в карликовых галактиках и галактиках-спутниках более крупных галактик. В результате проведенного анализа исследователи обнаружили, что и в тех, и в других галактиках частота возникновения сверхновых с коллапсом ядра приблизительно одинакова и составляет примерно две вспышки за одно тысячелетие. Эти результаты могут указывать на то, что периферия спиральных галактик может изобиловать системами, состоящими из двух черных дыр, и потому является перспективным местом для поисков гравитационно-волновых событий с соответствующими им событиями в оптическом диапазоне, которые могут помочь локализовать источник гравитационных волн, считают Чакрабарти и ее коллеги.

Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal Letters.

Источник

Пирамида Хеопса оказалась "концентратором" радиоволн, заявляют физики

Физики из Германии и России изучили свойства пирамиды Хеопса и пришли к выводу, что она может концентрировать электромагнитную энергию во внутренних камерах и фокусировать ее в пространство под собой. Их выводы представлены в Journal of Applied Physics.

"Учитывая большой интерес к пирамидам, мы решили взглянуть на пирамиду Хеопса как на частицу, резонансно рассеивающую радиоволны. Мы получили ряд интересных результатов, которые могут найти важные практические применения", — заявил Андрей Евлюхин, координатор выполненных исследований из Университета ИТМО в Санкт-Петербурге.

Пирамиду Хеопса построили в середине третьего тысячелетия до нашей эры по инициативе фараона Хуфу (Хеопса), представителя четвертой династии Древнего царства — периода возведения всех "великих пирамид" Египта. Эта конструкция высотой в 145 метров и шириной и длиной в 230 метров остается одной из самых высоких и крупных построек, когда-либо созданных человечеством.

За последние два столетия внутри пирамиды ученые обнаружили четыре комнаты, в одной из которых, предположительно, похоронен сам фараон, в другой — его супруга, третья считалась приманкой или ловушкой для грабителей, а четвертая комната была недавно найдена физиками. В стенах коридоров, ведущих к гробнице Хуфу, археологи нашли необычные каналы, которые они посчитали элементами "системы безопасности", оберегавшей фараона от осквернителей.

От магии к "гаджетам будущего"

Пирамиде Хеопса и ее "кузенам" публика часто приписывает различные магические свойства, в том числе способность "концентрировать энергию космоса" и многие другие антинаучные феномены.

Реальные физические свойства пирамиды ученые начали изучать только несколько лет назад, когда исследователи стали искать в ней новые потайные комнаты, используя мюонные сканеры. 

Евлюхин, его коллеги по Университету ИТМО и физики из Университета Ганновера провели одну из первых подобных проверок, изучив то, как пирамида Хеопса будет взаимодействовать с различными формами электромагнитного излучения.

Ученые предположили, что пирамида, как и многие другие рукотворные объекты, может вести себя как фокусирующий и усиливающий колебания резонатор, чья длина волны соразмерна габаритам самого "чуда света". В данном случае речь идет о радиоволнах метрового диапазона в промежутке между 200 и 600 метрами. Примерно в этом же диапазоне работают многие любительские радиостанции и радиосети.

В своих расчетах, как отмечает Евлюхин, ученые учли все известные пустоты внутри пирамиды, а также свойства ее основного строительного материала — глыб известняка. Создав компьютерную модель, физики "обстреляли" ее пучками радиоволн и проследили за тем, как они будут взаимодействовать со структурой в целом и отдельными элементами. 

Как показали расчеты, пирамида Хеопса действительно будет взаимодействовать с "любительскими" радиоволнами, скапливая их энергию в усыпальнице фараона и перенаправляя ее в точку, которая находится непосредственно под основанием "чуда света", где находится третья камера. Сильнее всего она будет воздействовать на волны с длиной в 333 и 230 метров.

По мнению авторов статьи, пирамида Хеопса и ее "собратья" могут взаимодействовать еще сильнее с другими типами волн, однако это еще предстоит проверить. Вдобавок секреты ее структуры можно использовать для образования наночастиц, фокусирующих свет, а не радиоволны, что поможет в создании световых компьютеров и других гаджетов будущего.

Источник

Ученые: наша Вселенная может погибнуть в любой момент

Физики БФУ им. И. Канта рассмотрели одну из возможных математических моделей темной энергии, и выяснили, что будущее нашей Вселенной может быть намного более непредсказуемым и катастрофичным, чем считалось ранее. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале "The European Physical Journal C".

"Учет нового класса сингулярностей (состояний, при которых тот или иной параметр становится бесконечным) делает будущее нашей Вселенной непредсказуемым и опасным. В данной работе мы показали, что некоторые сингулярности могут возникнуть совершенно внезапно, практически в любой момент времени. Ни звезды, ни даже галактики такой катастрофы не переживут, — рассказал один из авторов исследования, профессор БФУ им. И. Канта Артем Юров.

В конце ХХ — начале ХХI века в космологии был сделан целый ряд важных открытий: обнаружены косвенные доказательства инфляционного расширения Вселенной, темная материя и энергия, гравитационные волны. В 1998 году ученые открыли, что наша Вселенная не просто расширяется, а расширяется с нарастающей скоростью.

Причиной этого ускорения ученые считают так называемый "темный сектор" Вселенной. Согласно данным наблюдений, общее содержимое нашей Вселенной лишь на 4,9% состоит из привычной нам барионной материи, остальные 95,1 % приходятся на "темный сектор", который состоит из загадочной темной материи (26,8%) и еще более таинственной темной энергии (68,3%).

О том, что такое темная энергия, существуют три основные гипотезы. Согласно первой, темная энергия это космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной. Вторая гипотеза определяет темную энергию как некую квинтэссенцию — динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени. По третьей, темная энергия есть проявление модифицированной гравитации на расстояниях порядка размера видимой части Вселенной.

"Будущее нашей Вселенной зависит от того, какая из этих моделей верна. Если верная вторая гипотеза и темная энергия действительно является квинтэссенцией, то будущее может оказаться полно удивительных и неприятных сюрпризов. В частности, возможно появление сингулярностей прямо во время ускоренного расширения! Например, среднее давление квинтэссенции может вдруг "взорваться", — отметил профессор Юров.

То, что такая катастрофа возможна, вычислил в 2004 году профессор Кембриджского университета Джон Бэрроу. Более полное математическое изучение этого вопроса позволило физикам Сергею Одинцову, Синити Нодзири и Синдзи Цудзикаве провести классификацию таких возможных катастрофических сингулярностей будущего.

Группа физиков БФУ им. Канта под руководством профессора Артема Юрова предположила и показала математически, что может существовать целый класс сингулярностей, не охваченных классификацией Одинцова-Нодзири-Цудзикавы. Это означает, что наша Вселенная может погибнуть внезапно. Исследованием российских физиков, которое проводилось при поддержке Проекта 5-100, заинтересовались зарубежные коллеги. В частности, с письмом к авторам обратился Джон Бэрроу.

"Модель, о которой мы говорим — одна из сотен моделей рождения и смерти нашей Вселенной. Авторы из БФУ им. И. Канта корректно рассмотрели модель со специфическим потенциалом скалярного поля, и показали, что масштабный фактор может резко менять свое поведение. Для специалистов эта работа представляет интерес. Ее надо иметь ввиду для будущего, так как она видимо не противоречит современным данным наблюдений", — подчеркнул космолог, профессор НИЯУ МИФИ Сергей Рубин.

Источник

Черные дыры могут быть гигантским "клубком струн", заявляют физики

Черные дыры окружает не "стена огня", перемалывающая и уничтожающая всю падающую на нее материю, а своеобразный клубок из объектов, чье поведение описывается теорией струн. К такому выводу пришли физики, опубликовавшие статью в Journal of High Energy Physics.

"Что произойдет с человеком, падающим в черную дыру, теперь не понятно. Теория "стены огня" постулировала, что он сгорит еще до того, как он достигнет горизонта событий, однако наши расчеты показывают, что это не так. Что случится в тот момент, когда "астронавт" коснется этого клубка, можно предсказать только при помощи теории струн", — заявил Самир Матур (Samir Mathur) из университета штата Огайо в Коламбусе (США).

Достаточно долгое время ученые считали, что материя, проглоченная черной дырой, не способна покинуть ее пределы. Ситуация стала гораздо сложнее и противоречивее в 1975 году, когда знаменитый астрофизик Стивен Хокинг показал, что черные дыры будут постепенно "испаряться" благодаря квантовым эффектам у их горизонта событий, испуская энергию в виде излучения Хокинга.

Это стало большой проблемой для теоретиков, так как испарение черных дыр и рождение подобного излучения подразумевает то, что информация о квантовом состоянии частиц, "съедаемых" черной дырой, будет безвозвратно теряться, что не может происходить по законам современной физики.

Как рассказывает Матур, эту проблему можно разрешить, если отказаться от идеи о том, что все черные дыры похожи друг на друга как две капли воды или однояйцевые близнецы, которые отличаются лишь массой и диаметром горизонта событий.

В 2003 году он, вместе с российским физиком Олегом Луниным, предложил представить черную дыру не в виде безразмерной точки-сингулярности, а в виде своеобразного "клубка ниток" (fuzzball), который обладает ненулевым объемом и формой. Горизонт событий у этого "клубка" будет не идеальной сферой, как утверждает классическая теория черных дыр, а "пушистым" шаром, чья форма будет постоянно меняться по мере поглощения новых частиц и их испарения в форме излучения Хокинга.

Когда другие физики попытались создать строгую математическую модель черной дыры на базе расчетов Матура и Лунина, они выяснили, что ее горизонт событий будет не пушистым шаром, а сферообразной и невидимой для нас "стеной огня" – скоплением квантов высокой энергии, которые будут уничтожать любую материю, падающую на нее. Это вернуло проблему информационного парадокса, а также поставило под сомнение или теорию относительности, или же квантовую механику.

Матур и его коллеги изначально согласились с этим предположением, однако позже они усомнились в этой гипотезе, посчитав, что часть падающей материи или даже весь "обед" черной дыры будет пролетать через эту стену благодаря квантовым эффектам.

Они проверили, так ли это, создав компьютерную модель подобной сингулярности, на которую они "сбрасывали" виртуальные копии электронов, имеющие примерно ту же массу, заряд и другие свойства, что и их реальные аналоги.

Как показали эти расчеты, почти все электроны будут пролетать через "стену огня", не замечая ее и не сталкиваясь с ее фотонами высокой энергии. Чем больше была масса виртуальной черной дыры и чем ближе она была по свойствам к реальным объектам такого рода, тем более выражен был этот эффект.

"Что происходит, когда частица или человек приближаются к горизонту событий? Мы предполагаем, что "клубок", образно выражаясь, растет в их сторону и поглощает их до того, как они достигнут самой горячей зоны, где рождается излучение Хокинга. Это полностью опровергает теорию "стены огня", —  заключает Матур.

Источник

Создан самый быстрый двигатель во Вселенной

Физики Университета Пердью (США) создали самый быстрый в мире искусственный ротор, который представляет собой гантелевидную наночастицу. Она вращается в вакууме со скоростью более 60 миллиардов оборотов в минуту. Об этом сообщается в пресс-релизе на Phys.org.

«Гантель» была изготовлена из диоксида кремния и помещена в высокий вакуум, то есть вакуум, для которого показатель свободного пробега частицы намного больше размера среды (например, расстояния между стенками камеры). Давление в камере достигало 0,06 паскаля. Исследователи заставили частицу диаметром 170 нанометров левитировать в оптической ловушке, созданной с помощью лазера мощностью 500 милливатт (мВт). При линейной поляризации светового пучка «гантель» вибрировала, а при круговой — вращалась с частотой более одного гигагерца.

По словам ученых, ротор может использоваться как сверхчувствительный детектор для более точного измерения гравитационной постоянной и определения плотности Земли. По мере развития технологии «гантель» может стать полезной для изучения свойств вакуума и квантовых явлений, например образования виртуальных частиц.

Виртуальная частица представляет собой квантовую флуктуацию, для которой характерны некоторые свойства реальных частиц. Ее существование определяется принципом неопределенности Гейзенберга, который допускает нарушение закона сохранения энергии в течение чрезвычайно малых промежутков времени. Виртуальные частицы являются причиной существования эффекта Казимира, при котором два незаряженных тела, расположенные близко к друг другу, начинают спонтанно притягиваться.

Источник

Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разработали математическую модель процессов, происходящих при распространении тепла в сверхчистых кристаллах. Это откроет перспективы создания новых материалов для использования в охлаждающих контурах различного оборудования. Об этом они рассказали в журнале Continuum Mechanics and Thermodynamics. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

Способность материалов проводить тепло связана с их внутренним строением. Атомы в любом твердом веществе при температуре, отличной от абсолютного нуля, совершают колебания относительно своего положения равновесия. Такие движения атомов могут распространяться в пространстве от одного атома к другому. Для более удобного описания процессов передачи колебательной энергии ученые ввели новую квазичастицу (частицу, которую можно рассматривать одновременно как волну) – фонон. 

Для описания процессов передачи тепла в физике твердого тела используют свойства фононов. При повышении температуры амплитуда колебаний атомов в кристаллической решетке возрастает. Нагретые атомы испускают больше фононов. Фононы передаются по кристаллической решетке, и атомы во всем материале начинают колебаться с большей амплитудой. Увеличение амплитуды колебаний атомов кристаллической решетки соответствует возрастанию температуры твердого тела.

Существующая теория теплопереноса утверждает, что тепловая энергия в твердых телах переносится фононами по аналогии с тем, как световая энергия переносится фотонами. Также эта теория учитывает возможность рассеяния (ослабления энергии) фононов из-за соударения с дефектами кристаллической решетки. При своем рассеянии фонон может менять направление движения, тем самым затрудняя процесс переноса тепла. Эта теория хорошо описывает распространение тепла в телах, содержащих большое количество дефектов, но плохо работает в случае сверхчистых кристаллов (реальных кристаллов, число дефектов в которых минимально).

Ученые из СПбПУ создали математическую модель, которая описывает перенос тепловой энергии в твердых телах на основе разрабатываемой ими теории баллистической теплопроводности. Эта теория рассматривает бездефектные кристаллы как совокупности частиц, соединенных между собой связями, способными растягиваться и сжиматься. При проведении расчетов по такой модели ученые выяснили, что передача тепла в сверхчистых кристаллах связана со свободным распространением фононов. Существующие теории теплопереноса в этом случае неприменимы.

Исследователям еще предстоит завершить создание теории баллистической теплопроводности, и в своей нынешней работе они описали тот математический аппарат, который лежит в ее основе. На примере сверхчистого кристалла ученые показали, что созданная ими модель хорошо описывает предполагаемые свойства физической системы, но в некоторых аспектах противоречит классической теории. Если ученым удастся показать, что созданный ими математический аппарат способен описывать наблюдаемые в реальности эффекты лучше существующей модели, то в будущем он сможет заменить классическую теорию. Исследователи СПбПУ совместно с коллегами из Берлинского технического университета уже ведут подготовку к эксперименту, который позволит проверить предсказания новой теории.

«В скором времени нами будет создана теория баллистического распространения тепла в сверхчистых материалах. Теория позволит разрабатывать эффективные методы отвода тепла с использованием уникальных тепловых свойств сверхчистых материалов, которые уже возможно получить с использованием современных технологий. Это откроет перспективы создания новых материалов для использования в охлаждающих контурах различного оборудования», – говорит один из авторов исследования, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор Антон Кривцов.

Источник

Под поверхностью Марса, возможно, впервые обнаружено озеро

Крупное подповерхностное озеро впервые обнаружено на Марсе – и эти находки увеличивают вероятность того, что на Красной планете могут быть обнаружены другие похожие озера, в которых даже может существовать жизнь, сообщили астрономы в среду.

Расположенное под слоем марсианского льда, это озеро имеет размер примерно 20 километров, указывается в научном отчете команды. Озеро находится в области под названием Planum Australe, расположенной близ южной полярной шапки Марса.

Это озеро является крупнейшим водоемом с жидкой водой, когда-либо обнаруживаемым на Марсе.

В настоящее время Марс представляет собой холодную, безжизненную пустыню, однако раньше он был влажным и теплым. На поверхности Красной планеты присутствовало большое число озер и рек примерно 3,6 миллиарда лет назад.

В этом озере, увы, не удастся ни искупаться, ни попить из него воды, поскольку озеро лежит на глубине 1,6 километра под поверхностью планеты. Температура воды в озере, вероятно, ниже, чем температура замерзания чистой воды, однако замерзания не происходит из-за присутствия больших количеств растворенных солей магния, кальция и натрия.

Открытие было сделано при помощи инструмента Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding (MARSIS) орбитального марсианского аппарата Mars Express и требует дополнительного подтверждения. Ряд ученых выражает сомнение в достоверности открытия, поскольку инструмент SHARAD зонда Mars Reconnaissance Orbiter ранее не смог обнаружить в области Planum Australe подповерхностной воды.

Исследование опубликовано в журнале Science; главный автор Роберто Оросеи (Roberto Orosei).

Источник