Новости науки

Физики из России создали новый тип "лазерного" оптоволокна

Физики из РАН разработали новый тип оптоволокна, который можно использовать в качестве базового материала для создания ярких и компактных инфракрасных лазеров. "Рецепт" по его производству был опубликован в Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.

"Волоконные лазеры генерируют в определенных областях длин волн, и область длин волн 1,6–1,8 микрометров оставалась почти неосвоенной. Совместно с Институтом химии высокочистых веществ РАН, мы создали новый тип волокна для лазеров, генерирующих в новых спектральных диапазонах, недоступных для волоконных лазеров с редкоземельными ионами", — заявил Сергей Фирстов из Научного центра волоконной оптики РАН в Москве.

Оптическое волокно представляет собой нити из пластика или стекла, способные проводить не электричество, как обычные металлические провода, а пучки света. Как правило, его нити состоят из двух слоев – светопроводного сердечника и окружающей его оболочки из другого прозрачного материала, который обладает чуть меньшим индексом преломления, чем сердцевина.

Благодаря этому оптоволокно может захватывать и заставлять двигаться свет в четко заданном направлении, препятствуя его "побегу" во внешнюю среду через стенки нити. У всех типов оптоволокна, созданных за последние полвека, есть несколько общих  проблем, которые ученые пока не смогли решить полностью.

В последние годы, как рассказывают Фирстов и его коллеги, инженеры начали использовать оптоволокно не только для передачи информации, но и в качестве рабочего тела для так называемых волоконных лазеров. Благодаря этому длина таких лазеров может достигать несколько километров, но при этом они могут умещаться внутри небольшой коробочки и иметь огромную мощность.

Для того, чтобы превратить обычное оптоволокно в лазер, необходимо закрыть его с двух сторон полупрозрачными зеркалами и "засеять" сам материал атомами различных редкоземельных элементов, которые будут взаимодействовать с закачиваемым в него светом и превращать его в импульсы лазерного излучения нужной длины и мощности.

Проблема заключается в том, что каждый тип подобных присадок может порождать импульсы только на строго определенных длинах волн. До настоящего времени, как отмечает Фирстов, у ученых не было материала, который бы позволял порождать лазерные импульсы в ближней части инфракрасного спектра, интересной с точки зрения разработки систем передачи и обработки данных.

Российские ученые обнаружили, что подобный лазер можно создать, используя кварцевое оптоволокно, в который были добавлены два других соединения – оксид германия и висмут. Их комбинация, как обнаружили физики, "сдвигает" спектр вырабатываемого лазерного излучения в сторону ближней части ИК-диапазона, если качество волокна достаточно высокое.

Первые прототипы лазера, созданного на базе этого волокна, могут вырабатывать пучки ИК-излучения с длиной волны в 1,7 микрометра. При этом они достигают мощности в несколько ватт и КПД в 30%. По словам физиков, пока их разработка не имеет зарубежных аналогов. Исследование проводилось при поддержке и по гранту Российского научного фонда.

Источник

Ученые узнали, что произойдет с Солнцем «после смерти»

Ученые знают, что наше Солнце «умрет» примерно через 10 миллиардов лет, но они не были уверены в том, что знают дальнейшую историю эволюции остатков нашей звезды. Однако теперь исследователи смогли «заглянуть в будущее» нашего светила намного дальше, чем прежде, и выяснить дальнейшую судьбу Солнца после окончания его жизненного цикла в качестве активной звезды.

Международная команда астрономов под руководством профессора Альберта Зейлстры (Albert Zijlstra) из Манчестерского университета, Великобритания, прогнозирует, что Солнце превратится в массивное кольцо из светящихся газа и пыли, известное как планетарная туманность.

Планетарная туманность является широко распространенным этапом жизненного цикла звезд, на котором совершается переход из фазы красного гиганта в дегенерационную фазу белого карлика. Однако в течение многих лет ученые не были уверены, что Солнце в нашей Галактике пойдет по этому эволюционному пути – считалось, что Солнце не обладает достаточной массой, чтобы сформировать видимую планетарную туманность.

Для выяснения «судьбы» остатков нашего светила после его гибели команда Зейлстры разработала новую компьютерную модель, которая прогнозирует жизненный цикл звезд. Эта модель показала, в отличие от предыдущих моделей, что даже звезды с относительно небольшими массами, такие как наше Солнце, способны формировать планетарные туманности. На самом деле, масса Солнца является практически «граничной» для формирования видимой планетарной туманности, поскольку звезды с массами на несколько процентов меньше массы нашего светила уже оказываются неспособными формировать такие структуры, выяснили Зейлстра и его коллеги.

Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.

Источник

Обнаружена экзопланета, в атмосфере которой отсутствуют облака

Ученые обнаружили экзопланету, в атмосфере которой отсутствуют облака, и это открытие может дать ценные новые сведения об устройстве планет, расположенных за пределами нашей Солнечной системе.

Международная команда исследователей во главе с доктором Николаем Николовым из Эксетерского университета, Великобритания, обнаружила, что в атмосфере «горячего Сатурна» под названием WASP-96b отсутствуют облака.

При помощи европейского Очень большого телескопа, расположенного на территории Чили, команда изучила атмосферу экзопланеты WASP-96b, в то время когда планета проходила перед диском родительской звезды. Это позволило команде измерить глубину падения светимости звезды при прохождении перед ней планеты, окруженной атмосферой, и таким образом определить состав атмосферы планеты. Изучая эти спектры, исследователи наблюдали полноценную линию натрия, имеющую колоколообразный вид, которая может наблюдаться лишь в случае, когда в атмосфере планеты отсутствуют облака. В случае наличия облаков пик натрия сужается, поскольку колоколообразную форму графика интенсивности линии обусловливает натрий, находящийся в нижних слоях атмосферы планеты, которые в этом случае оказываются блокированными от наблюдений облаками.

Планета WASP-96b представляет собой типичный газовый гигант, схожий с Сатурном, и имеет температуру порядка 1300 Кельвинов. Размер планеты превосходит размер Юпитера примерно на 20 процентов. Эта планета совершает транзит перед диском звезды, расположенной в направлении южного созвездия Феникс на расстоянии 980 световых лет от нас.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Источник

Сибирские физики создали лазер-хамелеон 

Лазер, созданный томскими учёными в сотрудничестве с иностранными коллегами, легко меняет длину волны излучения почти на любую другую в пределах видимого диапазона. О достижении рассказывает научная статья, опубликованная в журнале Photonics Research группой во главе с Дмитрием Турчиновичем из Томского государственного политехнического университета (ТПУ).
Техника предъявляет большой спрос на лазеры, способные менять длину волны излучения. Например, в медицинских исследованиях применяются флуоресцентные вещества, которые начинают светиться в ответ на излучение строго определённой длины волны. Эти красители вводятся в живую ткань и распределяются по ней. При облучении лазером они создают «снимок» микроструктуры ткани. В разных видах исследования применяются разные вещества, и каждому для свечения требуется своя длина волны. Поэтому очень здорово было бы иметь лазер, способный менять этот параметр в широких пределах.
Однако создать такое устройство не так-то просто. Сама конструкция любого лазера жёстко фиксирует его длину волны.
Поясним, о чём идёт речь. Как известно, фотон испускается, когда частица (например, электрон) переходит с верхнего энергетического уровня на нижний. Энергия кванта и будет равна разнице между этими двумя уровнями, а она однозначно определяет длину волны излучения.
Для генерации лазерного импульса необходимо, чтобы на верхнем уровне оказалось больше частиц, чем на нижнем. Подобная ситуация почти никогда не встречается в естественных условиях, и добиться такого положения дел весьма трудно. И уж тем более почти невозможно добиться того, чтобы перенаселёнными оказались сразу несколько верхних уровней. Обычно такой уровень один, поэтому и длина волны у лазера одна.
Существуют технологии, позволяющие лазеру стать «хамелеоном». Например, подбирается особая среда, которая поглощает испускаемые фотоны, а затем переизлучает их на разных длинах волн.
Однако такие методики далеки от совершенства. На выходе излучение уже не так уж похоже на лазерное, оно приобретает черты естественного света: разные волны отличаются как по длине, так и по фазе. Поэтому устройство теряет те преимущества лазера перед лампочкой, которые и позволили этим излучателям завоевать мир. К тому же такое преобразование излучения — весьма энергоёмкий процесс.
Авторы предложили технологию, свободную от этих недостатков.
"Нас интересовало решение, исключающее минусы известных подходов, и при этом простое и дешёвое. Мы собрали волоконный лазер, генерирующий на выходе световые импульсы с центральной длиной волны 1,04 микрометра, длительность которых меняется от пикосекунды до 50 фемтосекунд. Излучение лазера заводилось в кусочек специально профилированного фотонно-кристаллического волокна", — рассказывает доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Роман Егоров, чьи слова приводит агентство «РИА Новости».
Поясним, что термин «волоконный лазер» означает, что генерация излучения происходит в оптическом волокне. Фотонно-кристаллическое волокно здесь было использовано в качестве преобразователя длины волны. Оболочка такого волокна имеет особую структуру. Оптические свойства (в частности, диэлектрическая проницаемость) материала меняются вдоль оптического канала с периодом, сравнимым с длиной волны света. Это открывает широкие возможности для управления характеристиками излучения.
Авторам удалось так подобрать структуру оболочки, что длина волны выходящего излучения определялась длительностью и интенсивностью входного лазерного импульса. Меняя эти параметры, учёные получали луч в почти любой части видимого спектра, от синего до красного.
Устройство оказалось ещё и сравнительно энергоэффективным.
"Как известно, методы спектральной конверсии излучения очень энергозатратны. Мы же сразу вышли на КПД порядка 1-2%, хотя фокусировались не на энергетике, а на ширине диапазона перестройки. То есть наш подход имеет потенциал для наращивания энергетической эффективности как минимум до уровня распространённых методов, но при этом лишён их фундаментальных недостатков", — говорит Егоров.
Поясним, что под спектральной конверсией здесь понимается перестройка длины волны излучения.
Напомним, что «Вести. Наука» (nauka.vesti.ru) ранее писали о самых разных лазерах: рекордно мощных, позволяющих заглянуть в глубины атома и даже состоящих из живых клеток. 

Источник

Физик из России раскрыл тайны работы "комнатных" сверхпроводников

Российские ученые предложили новую теоретическую модель, объясняющую существование высокотемпературных сверхпроводников и допускающую возможность создания такого материала, который бы проводил ток без потерь даже при комнатной температуре, сообщает пресс-служба ИМПБ РАН.

За последние годы физики открыли или создали несколько видов сверхпроводников, способных работать при очень высоких температурах, которая в самых лучших случаях достигает всего минус 70 градусов Цельсия, что уже почти достижимо в природных условиях. Их появление потребовало нового объяснения того, как таким структурам удается проводить ток без видимых потерь, несмотря на то, что они "нарушают" основы первой теории сверхпроводимости, сформулированной еще в конце 1950 годов. 

Необычные свойства новых сверхпроводников, как пишет Виктор Лахно из Института прикладной математики РАН в Москве, объясняются сегодня тем, что ученые полагают, что они представляют собой изнутри не трехмерный, а своеобразный двумерный или даже одномерный материал, который состоит из особых квазичастиц-поляронов и который ведет себя как так называемый "конденсат Бозе-Эйнштейна".

Он представляет собой необычную по своим свойствам жидкость, которая ведет себя как один гигантский атом, "размазанный" на огромную площадь, при определенных свойствах обладающий сверхпроводящими свойствами. Проблема, по словам физика, заключалась в том, что ученые не считали, что конденсат Бозе-Эйнштейна может возникать в одномерных или двумерных системах, так как это запрещает теория и расчеты академика Виталия Гинзбурга.

Лахно нашел решение для этой проблемы, математически доказав, что конденсат Бозе-Эйнштейна в данном случае представляет собой особую трехмерную газообразную структуру, состоящее из так называемых биполяронов – особых квазичастиц, возникающих при движении пар электронов через кристаллы или другие материалы.

Как показали расчеты российского физика, подобная форма конденсата Бозе-Эйнштейна может возникать и оставаться относительно стабильной даже при очень высоких температурах, что говорит о реальной возможности создания сверхпроводников, работающих и при комнатных температурах.

"Для создания сверхпроводящего кабеля необходимо использовать особый материал, в котором есть биполяроны, хотя и в очень малом количестве. Их концентрацию можно повысить, не меняя структуру материала, если сделать кабель коаксиальным. Внутренний провод малого диаметра, изолированный от внешнего, будет создавать сильное электрическое поле и притягивать к нему биполяроны", — заключает Лахно, чьи слова приводит пресс-служба института.

Источник

Российские ученые создали лазер-трансформер

Ученые Томского политехнического университета в составе международного исследовательского коллектива создали экономичный фемтосекундный лазер, способный плавно перестраивать длину волны своего излучения во всем видимом диапазоне. Результаты этого исследования опубликованы в научном журнале "Photonics Research".

Генерация излучения на произвольной длине световой волны – фундаментальная задача современной фотоники. Известные решения этой задачи основаны на использовании нелинейных эффектов в оптических кристаллах и волокнах.

В статье для "Photonics Research" авторы показали, что можно легко организовать плавную перестройку длины волны у лазерного излучения, используя фотон-кристаллические волокна с переменным диаметром центрального канала световода.

 

© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина

Так художник представил себе перестройку длины волны излучения в волоконном лазере

По словам ученого, обычно лазеры излучают в узкой спектральной полосе, жестко заданной свойствами среды. И для получения красного или зеленого излучения приходится либо создавать новый лазер, либо использовать технологии конверсии имеющегося излучения. Эти технологии имеют фундаментальные ограничения по диапазону перестройки и минимальной интенсивности излучения на входе в преобразователь или сопряжены с возникновением мощных шумов.

"Нас интересовало решение, исключающее минусы известных подходов, и при этом простое и дешевое. Мы собрали волоконный лазер, генерирующий на выходе световые импульсы с центральной длиной волны 1.04 микрометров, длительность которых меняется от пикосекунды до 50 фемтосекунд. Излучение лазера заводилось в кусочек специально профилированного фотон-кристаллического волокна (ФКВ)", — рассказал доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Роман Егоров.

ФКВ – это специальный класс оптических волокон, центральная область которых (где и идет свет), окружена упорядоченной структурой пустотелых или заполненных специальным материалом микро-канальцев. Если центральный канал сделать сужающимся и правильно подобрать материал волокна, то спектр излучения на выходе будет очень сильно зависеть от длительности и интенсивности импульсов на входе. 

Именно это обстоятельство и использовали авторы статьи. Меняя длительность и энергию импульсов на входе, они легко сумели управлять балансом нелинейных и дисперсионных процессов внутри волокон. По словам Романа Егорова, импульсы выходного излучения имели низкую зашумленность и легко перестраивались в диапазоне длин волн 420-600 нанометров – то есть, перекрывали почти весь видимый диапазон.

"Как известно, методы спектральной конверсии излучения очень энергозатратны. Мы же сразу вышли на КПД порядка 1-2%, хотя фокусировались не на энергетике, а на ширине диапазона перестройки. То есть, наш подход имеет потенциал для наращивания энергетической эффективности, как минимум, до уровня распространенных методов, но при этом лишен их фундаментальных недостатков", — считает Роман Егоров.

Плавная перестройка длины волны излучения на сегодня крайне востребована в лазерной микроскопии, например, для биоимиджинга, – метода, позволяющего наблюдать микроструктуру живой ткани с помощью флуоресцентных красителей, позволяющая увидеть гораздо более мелкие детали исследуемого объекта. При подсветке определенной длиной волны, начинается флуоресценция красителей. Но для этого нужно очень точно подстроить длину волны подсветки, чтоб попасть в спектр поглощения красителя. Поэтому так необходимо иметь лазер, который позволил бы подстраивать длину волны под конкретное вещество. Таким образом можно получить детализированную картину живой клетки, которую другим способом увидеть невозможно. 

Развитие методов визуализации внутренних структур биологических объектов является одной из приоритетных задач как биологии, так и физики. Изучение биологических структур на микроскопическом уровне дает возможность раскрыть принципы и механизмы функционирования живых организмов. Область применения данных методов достаточно широка и включает такие актуальные направления, как эмбриология, нейробиология, онкология и многие другие.

Источник

Астрофизики нашли внутри мертвой звезды самого удачливого "вора" Вселенной

Астрофизикам впервые удалось зафиксировать, что самые горячие "мертвые звезды" Вселенной очень быстро охлаждаются из-за своеобразного нейтринного "энергетического вора" в их недрах, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

"Все это весьма важно по той причине, что существование подобного процесса в ядре нейтронных звезд требует двух факторов — наличия свободных нуклонов и большого количества протонов, в чем раньше никто не был уверен. Теперь мы можем определить, как много тепла в их центре, и приблизиться к разгадке тайны материи нейтронных звезд", — заявил Джеймс Латтимер (James Lattimer), астрофизик из университета Стоуни-Брук (США), комментируя открытие.

Космический баланс

Все звезды представляют собой гигантские термоядерные реакторы, в которых противоборствуют физические силы: одни стремятся сжать звезду до размеров сингулярности, другие — разорвать ее на части. К первым относятся гравитация и ее "союзники", а вторые — это тепло и свет, вырабатываемые в ходе термоядерных реакций.

Когда светило умирает и превращается в белого карлика или пульсар, равновесие между этими силами нарушается. Бывшая звезда сжимается и раскаляется до огромных температур, что удерживает ее от дальнейшего гравитационного коллапса и позволяет светить еще несколько сотен миллионов лет.

Еще в начале XX века, на заре развития ядерной и термоядерной физики, астрономы обнаружили, что такое объяснение процесса смерти светил не соответствует реальным наблюдениям. Поверхность настоящих нейтронных звезд оказалась гораздо менее горячей, чем предсказывала теория, и в целом они охлаждались быстрее, чем предполагали ученые. 

Эту загадку решил известный физик-теоретик Георгий Гамов, который в 1940 году заметил, что при достаточно высоких температурах и давлениях свободные протоны, "плавающие" в супе материи нейтронных звезд или белых карликов, будут сливаться с электронами и нейтронами, формируя нейтроны и выбрасывая в окружающее пространство пары нейтрино и антинейтрино. Затем нейтроны распадутся на электроны и протоны — и процесс начнется заново, что позволяет звезде выбрасывать нейтрино и терять энергию с почти бесконечной скоростью.

Эта идея, давно ставшая общепринятым постулатом астрофизики, названа урка-процессом — в честь казино (Casino-da-Urca) в Рио-де-Жанейро, где, согласно легенде, Гамов и его ученик совершили это открытие. Бывший советский ученый решил назвать процесс так еще и потому, что нейтрино "уносят энергию так же быстро, как деньги исчезали при игре в рулетку" или "как урка ворует бесхозное добро".

Физическое "казино"

Астрономы, несмотря на все усилия, так и не смогли напрямую зафиксировать урка-процесс в недрах уже известных пульсаров, и это заставляло теоретиков искать альтернативные варианты работы "нейтринного испарителя" — со взаимодействием не протонов и электронов, а пар нейтронов или ядер атомов и нейтронов, что резко снижало его эффективность.

Эдвард Браун (Edward Brown), астрофизик из университета штата Мичиган в Ист-Лэнсинге (США), и его коллеги нашли первые свидетельства того, что самый простой и эффективный вариант урка-процесса действительно происходит в природе. Для этого они десять лет наблюдали за звездной системой MXB 1659-29, которая состоит из нейтронной звезды и обычного светила.

Пульсар, как рассказывают ученые, постоянно "ворует" материю звезды и накапливает ее на своей поверхности. Когда эта масса достигает некой критической отметки, происходит термоядерный взрыв и внешние слои нейтронной звезды разогреваются до сверхвысоких температур, что во многом повторяет процесс их рождения.

Воспользовавшись этим сходством, астрономы проследили, как подобные взрывы влияют на число нейтрино, вырабатываемых пульсаром. Наблюдения показали, что MXB 1659-29 во время подобных вспышек вырабатывает гигантское число частиц — примерно на десять порядков больше, чем можно получить через альтернативные версии урка-процесса.

Соответственно, теперь ученые могут говорить, что главная версия "нейтринного испарителя" действительно работает в недрах звезд. Это, в свою очередь, указывает, что далеко не все частицы материи в ядре превратились в нейтроны: примерно десятая доля должна была выжить, чтобы "звездный воришка" мог выбрасывать энергию из ядра пульсара с нужной скоростью.

Как надеются Браун и его коллеги, дальнейшие наблюдения за MXB 1659-29 и другими "мертвыми звездами" помогут понять, как устроены недра и что происходит в ядре самых плотных сгустков материи во Вселенной.

Источник

Древний Марс был теплой пустыней, в которой изредка шли дожди, считают ученые

Климат древнего Марса является в настоящее время предметом горячих дискуссий. Часть исследователей считает, что Марс был теплым и влажным, подобно Земле, в то время как другие исследователи уверены в том, что основная часть поверхности ранней Красной планеты была покрыта льдом. В новом исследовании планетологи во главе с Рамзесом Рамиресом (Ramses Ramirez) из Института наук о Земле и жизни Токийского университета, Япония, показывают, что поверхность раннего Марса могла быть покрыта льдом лишь частично, причем на остальной части поверхности могли поддерживаться теплые климатические условия и идти дожди.

В настоящее время ученые уже сошлись в едином мнении по поводу наличия воды на древнем Марсе – вода на Красной планете определенно присутствовала. Однако споры о характере климата древнего Марса не утихают уже в течение нескольких десятилетий. Марс демонстрирует удивительно богатые ландшафты, включающие речные долины, котловины древних озер и возможные береговые линии древних океанов. Эти геологические формы указывают на то, что в древности Марс мог быть теплым и влажным, подобно Земле.

Однако сторонники альтернативной гипотезы относительно климата древнего Марса также имеют свои аргументы. Так, исследования показали, что количества солнечной энергии, достигающей Красной планеты в древности, были недостаточными для поддержания теплого и влажного климата. Кроме того, было показано, что при наличии на поверхности Марса большого количества льда наблюдаемые долины и котловины озер могли образоваться в короткие периоды таяния льда.

Однако в новой работе Рамирес и его команда показывают, что Марс все же был в основном влажным и теплым, поскольку обширный геологический и климатологический анализ не выявил признаков обширного обледенения поверхности планеты. Также согласно исследователям, климат древнего Марса был не настолько влажным, как климат Земли – уровень осадков составлял примерно 10 сантиметров в год и менее, что сравнимо с уровнем осадков самых засушливых областей земного шара.

Исследование опубликовано в журнале Nature Geoscience.

Источник

Гелий впервые обнаружен в атмосфере экзопланеты

Астрономы впервые обнаружили гелий в атмосфере планеты, которая обращается вокруг звезды, находящейся далеко за пределами Солнечной системы.

Международная команда астрономов, возглавляемая Джессикой Спэйк (Jessica Spake) из Эксетерского университета, Соединенное Королевство, обнаружила признаки, указывающие на наличие этого инертного газа в атмосфере экзопланеты класса «супернептунов» под названием WASP-107b, расположенной на расстоянии 200 световых лет от Земли в направлении созвездия Девы.

В этом исследовании ученые впервые обнаружили гелий в верхних слоях атмосферы экзопланеты в ходе наблюдений, проводимых при помощи космического телескопа НАСА Hubble («Хаббл»).

Мощность сигнала гелия была настолько высока, что ученые решили, что верхние слои атмосферы планеты простираются в космос на десятки тысяч километров.

Планета WASP-107b представляет собой планету с невысокой плотностью вещества, размер которой близок к размеру Юпитера, но масса которой при этом составляет не более 12 процентов от массы крупнейшей планеты Солнечной системы. Экзопланета совершает один оборот вокруг родительской звезды за 6 суток, а ее атмосфера, являясь одной из самых холодных атмосфер экзопланет, тем не менее, имеет температуру, значительно превосходящую температуру атмосферы Земли – она разогрета до 500 градусов Цельсия.

Гелий является вторым по распространенности во Вселенной элементом после водорода, и ученые давно предсказывали, что этот газ входит в состав вещества гигантских газовых экзопланет. Однако в этом пионерском исследовании благородный газ был впервые обнаружен в составе атмосферы экзопланеты в результате наблюдений, пояснили авторы.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Источник

НАСА отправляет к Марсу «робота-геолога»

Спустя 6 лет после высадки на Марс последней по счету миссии, НАСА отправляет к Красной планете «робота-геолога», который сможет отобрать образцы грунта с большей глубины, чем предыдущие миссии, и измерить таким образом температуру в приповерхностных слоях коры планеты.

Космический аппарат НАСА InSight, запуск которого запланирован на эти выходные, «измерит пульс» Красной планеты, проведя первые измерения параметров «марсотрясений». И для «проверки рефлексов» ученые будут следить за вращением Марса вокруг собственной оси, сопровождающимся «покачиванием», чтобы глубже понять размер и состав ядра Марса.

Инструменты этого посадочного аппарата позволят ученым изучить состав грунта планеты на относительно большой глубине.

Эта американо-европейская миссия с бюджетом 1 миллиард USD является первой миссией, посвященной изучению внутреннего строения Марса. Используя эту миссию, ученые надеются глубже понять процессы формирования Красной планеты – а также других каменистых планет, включая Землю. На Марсе не происходит тектоники плит, поэтому приповерхностные слои грунта могут хранить информацию о процессах, протекавших на планете миллиарды лет назад.

Кроме того, в составе миссии InSight к Красной планете впервые будут отправлены на борту зонда два спутника формата кубсатов, которые затем будут высвобождены в космосе и начнут двигаться вместе с космическим аппаратом в сторону Марса. Целью отправки этих спутников является проверка возможности их использования в качестве инструмента связи с аппаратом InSight, посадка которого на поверхность Марса ожидается 26 ноября.

Источник

Составлена самая детальная карта Млечного Пути

Источник

Физики придумали источник терагерцового излучения на основе сверхпроводников 

Сотрудники физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова спроектировали устройство на основе сверхпроводников, которое можно использовать для получения терагерцовых электромагнитных волн. Этот тип излучения расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами и может применяться в медицине, системах связи и обеспечении безопасности. Результаты исследования опубликованы в журнале IEEE Transaction on Applied Superconductivity.
Электромагнитное излучение с частотой от 0,3 до 3 терагерц (1012 герц) получило название терагерцового, в астрономии его называют субмиллиметровым, так как соответствующая длина волны находится в диапазоне от 1 до 0,3 миллиметров. Исследователи из многих областей науки и техники интересуются им из-за его свойств: энергия терагерцового фотона меньше, чем типичная ширина запрещенной зоны большинства неметаллических веществ, из-за чего они являются для него прозрачными. Это позволяет использовать такое излучение в качестве сканирующего в системах безопасности и в медицине, к тому же оно, в отличие от рентгеновского, не является ионизирующим, то есть не повреждает ткани и ДНК. Применение волн терагерцового диапазона ограничено из-за отсутствия разработанных источников такого излучения и устройств для работы с ним.
Авторы новой статьи рассматривали устройство, состоящее из джозефсоновского перехода и резонатора в виде колебательного контура. Джозефсоновский переход представляет собой соединение двух сверхпроводников, разделенных небольшим слоем диэлектрика. В такой системе наблюдается эффект протекания тока сквозь непроводящий участок, за открытие которого Брайан Джозефсон получил Нобелевскую премию по физике. Благодаря использованию этого элемента удается достичь сильного резонанса при облучении внешним микроволновым сигналом. В результате в контуре возникают усиленные колебания, которые можно использовать для генерации когерентного терагерцового излучения большой мощности.
«Исследования по обнаруженному терагерцовому излучению из стека внутренних джозефсоновских переходов в высокотемпературных сверхпроводниках представляют большой интерес, — рассказал научный сотрудник физического факультета МГУ Николай Колотинский. — В настоящее время задача получения достаточно мощного когерентного терагерцового излучения является весьма актуальной и имеет широкие перспективы для различных приложений, в том числе, для разработки новых устройств в области информационно-телекоммуникационных систем». 

Источник

Фазированные антенные решетки расширяют возможности радиоастрономии

Чтобы ускорить и упростить исследования космоса, международная команда астрономов и инженеров разработала новую, усовершенствованную версию радиоастрономической системы получения изображений, основанной на механизме фазированного приема радиосигнала решеткой антенн (phased array feed, PAF). Этот уникальный инструмент может проводить обзор обширных участков неба и генерировать множественные виды астрономических объектов с непревзойденной эффективностью.

Эта новая система непохожа на камеру или другое, «традиционное» устройство получения изображений, такое как CCD матрица в оптических телескопах или одиночный приемник в составе радиотелескопа, и представляет собой «лес» из миниатюрных радиоантенн, напоминающих деревья, которые равномерно распределены по поверхности металлической тарелки диаметром один метр. При установке этой системы на однотарелочный радиотелескоп специализированные компьютеры и обработчики сигнала комбинируют информационные потоки, поступающие от отдельных антенн, формируя виртуальную многопиксельную камеру.

Инструменты этого класса оказываются особенно полезны во многих важных областях астрономических исследований, включая изучение газообразного водорода, втекающего в нашу Галактику и поиски быстрых радиовспышек.

Эта новая система включает 19 дипольных антенн, при этом мощность принимаемого сигнала меняется вдоль поверхности антенной решетки. Рассчитывая уровень сигнала для каждой из антенн, система формирует так называемую «функцию рассеяния точки». Компьютер и обработчики сигнала системы PAF способны рассчитывать до семи различных функций рассеяния точки за один раз, что позволяет приемнику синтезировать семь индивидуальных потоков на небе.

Высокая астрономическая ценность данного приемника была продемонстрирована в ходе наблюдений пульсара B0329+54 и туманности Розетка, проводимых при помощи радиотелескопа обсерватории Грин Бэнк, США.

Исследование, посвященное этой системе получения изображений с фазированной антенной решеткой, опубликовано в журнале Astronomical Journal; главный автор Д. Аниш Роши (D. Anish Roshi).

Источник

Ученые проникают глубже в тайны полярного сияния Ганимеда

Далеко от нас в Солнечной системе, в том месте, откуда Земля кажется «бледной голубой точкой», космический аппарат НАСА Galileo («Галилео») в течение восьми лет работал на орбите вокруг Юпитера. На протяжении этого времени чрезвычайно стойкий к капризам космической погоды аппарат – размером чуть больше взрослого жирафа – передавал на Землю большие объемы научных данных, включая наблюдения магнитного поля вокруг спутника Юпитера Ганимеда, которое отличается от собственного магнитного поля Юпитера. Эта миссия завершилась в 2003 г., однако в новом исследовании ученые повторно проанализировали данные, собранные при первых пролетах зонда Galileo мимо Ганимеда, и сделали новые выводы относительно магнитного поля спутника Юпитера, которое является уникальным среди магнитных полей объектов Солнечной системы.

Структура собственного магнитного поля Ганимеда формируется при участии мощного магнитного поля Юпитера. Обычно магнитосферы планет имеют меньшую толщину со стороны Солнца, поскольку им приходится противостоять потокам заряженных частиц, называемым солнечным ветром, однако в случае Ганимеда функцию «щита», укрывающего от солнечного ветра, играет магнитосфера Юпитера. Собственной магнитосферы Ганимеда при этом достигают лишь медленные потоки плазмы, движущиеся вокруг гигантской планеты. Эти потоки медленной плазмы направляются к полюсам Ганимеда и, достигая поверхности, выбивают из нее вторичные частицы, изучение которых может дать новую информацию о составе тонкой атмосферы этого спутника Юпитера.

В новой работе группа, возглавляемая Глином Коллинсоном (Glyn Collinson) из Центра космических полетов Годдарда НАСА, США, проанализировала данные по магнитному полю Ганимеда, собранные при помощи аппарата Galileo в период с 1996 по 2000 гг. По удачному стечению обстоятельств один из пролетов аппарата Galileoпроходил прямо над зоной полярных сияний спутника Юпитера – местом, где медленные потоки плазмы достигают поверхности Ганимеда. Сравнив данные измерений, выполненных при помощи аппарата Galileo с данными наблюдений, проведенных при помощи космического телескопа НАСА Hubble («Хаббл»), команда Коллинсона смогла определить границы зоны полярных сияний на поверхности Ганимеда, что поможет в дальнейшем глубже понять механизмы, в соответствии с которыми происходит формирование этих атмосферных явлений.

Работа опубликована в журнале Geophysical Research Letters.

Источник

Физики поставили рекорд по нарушению реальности

Швейцарские физики впервые продемонстрировали парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР-парадокс) на квантовой системе, состоящей из 600 атомов рубидия. Ученым удалось нарушить локальный реализм, осуществив запутывание между двумя частями облака сверхохлажденного газа и доказав возможность управления, когда состояние одной части квантовой системы можно предсказать по состоянию второй. Статья ученых опубликована в журнале Science, сообщает Science Alert.
Согласно ЭПР-парадоксу, предложенному в 1935 году, две частицы могут взаимодействовать между собой таким образом, что можно измерить их положение и импульс с точностью, превышающей ту, что разрешена принципом неопределенности Гейзенберга. Например, суммарный импульс двух частиц (А и В), которые образовались в результате распада третьей, должен быть равен исходному импульсу последней, поэтому измерение импульса частицы А позволяет узнать импульс частицы B, при этом в движение второй частицы не вносится никаких возмущений. Тогда можно точно определить координаты частицы В, нарушая, таким образом, принцип неопределенности Гейзенберга.
Поскольку принцип неопределенности в любом случае сохраняется, это значит, что запутанные (скоррелированные) частицы способны обмениваться информацией со скоростью, превышающей скорость света.
Тогда измерение импульса частицы А неизбежно вносит возмущения в координаты частицы Б, делая их неопределенными, как бы далеко первая частица ни находилась от последней. Эйнштейн полагал, что тем самым нарушается реализм мира и физические объекты в рамках квантовой механики перестают объективно существовать. Он считал, что подобная интерпретация неверна, и вероятностный характер поведения частиц на самом деле объясняется существованием неких скрытых параметров. Однако на настоящий момент теория скрытых параметров не получила экспериментального подтверждения.
Ученые создали конденсат Бозе-Эйнштейна из около 600 атомов рубидия-87. Конденсат представляет собой охлажденный до сверхнизких температур газ, в котором все атомы занимают минимально возможные квантовые состояния, то есть становятся почти неотличимыми друг от друга. С помощью лазера атомы привели в сжатое состояние, при котором флуктуации одной переменной (в данном случае одна из составляющих спина, то есть «оси вращения») становятся очень малы, а другой — велики. Таким образом, между атомами создавалась квантовая связь.
Исследователям удалось разделить облако на два различных региона — А и В. С помощью лазеров был измерен коллективный спин атомов в конденсате и составляющие «оси вращения». При этом на основе неравенств, учитывающих данные параметры, была доказана запутанность между атомами для сжатого состояния и данного коллективного спина. Корреляция оказалась настолько сильной, что возникал ЭПР-парадокс, и можно было предсказать квантовое состояние атомов в регионе В, измеряя спин в регионе А (предсказание возможно только в одном направлении).

Источник

Эволюция молекул: формирование «строительных кирпичиков» жизни в космосе

В новых экспериментах показано, что самыми далекими «предками» человека – а также других форм жизни на Земле – являются… звездная пыль и радиация!

В эксперименте, в ходе которого были воссозданы астрофизические условия – криогенные температуры и сверхвысокий вакуум – ученые использовали электронную пушку для облучения электронами тонких пластин льда, покрытых молекулами метана, аммиака и диоксида углерода. Эти простые по строению молекулы часто рассматриваются как исходные «строительные кирпичики» жизни. В экспериментах проверялась возможность формирования в условиях опыта более сложных, биологических молекул, которые в дальнейшем могли дать начало жизни.

В космосе относительно простые по строению молекулы постоянно испытывают воздействие различных видов излучений, включая звездные ветра, космические лучи и другие высокоэнергетические ионизирующие излучения. Они также испытывают воздействие низкоэнергетических вторичных электронов, образующихся в результате взаимодействия излучения с материей. В своем исследовании группа, возглавляемая Сасаном Эсмайли (Sasan Esmaili), изучила влияние низкоэнергетических электронов на смесь базовых молекул. Состав продуктов реакции анализировался при помощи метода температурно-программируемой десорбции.

Проведенные эксперименты показали, что в выбранных условиях происходит формирование глицина, простейшей аминокислоты, имеющей формулу NH2-CH2-COOH, с частотой примерно одна молекула образующегося соединения на 260 электронов. Взяв эти результаты за основу и рассчитав дополнительно вероятность столкновения в космосе сразу трех молекул – метана, аммиака и диоксида углерода – ученые пришли к выводу, что полученная оценка скорости формирования молекул глицина является вполне реалистичной и в условиях космоса.

Исследование опубликовано в журнале Journal of Chemical Physics.

Источник

Проект космического корабля, выполненного из астероида, получает новое развитие

Группа студентов и исследователей из Делфтского технического университета, Нидерланды, разрабатывает межзвездный космический корабль, на борту которого смогут жить многие поколения людей, движущихся в пространстве между звездами – и теперь исследователи решили обратиться к Европейскому космическому агентству за помощью в разработке систем жизнеобеспечения для этого звездолета.

Проект DSTART объединяет большое число специалистов из различных научных областей, которые вместе работают над созданием футуристического межзвездного космического корабля, который предполагается выполнить внутри полого астероида. В целях проекта значится не только разработка необходимых для создания такого аппарата технологий, но и рассмотрение биологических и социальных факторов, которые могут повлиять на осуществимость этого грандиозного космического путешествия.

«Нам нужно разработать технологию, которая позволила бы людям продержаться в космосе на протяжении многих десятилетий, необходимых для путешествия из нашей Солнечной системы к планетным системам других звезд», - объяснил руководитель проекта DSTART Анджело Вермёлен (Angelo Vermeulen), являющийся в настоящее время студентом докторантуры кафедры инжиниринга Делфтского технического университета.

«В рамках этого стратегического направления мы обратили внимание на регенеративные системы жизнеобеспечения, которые были впервые предложены при реализации программы MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) Европейского космического агентства.

В рамках международной программы MELISSAпредполагается создание системы, подобной природной акваэкосистеме, которая эффективно конвертирует органические остатки и диоксид углерода в кислород, воду и пищу.

Пилотная установка, построенная в рамках программы MELISSA, расположена в Испании. В герметичной замкнутой циркуляционной системе присутствует биореактор, где под действием света водоросли синтезируют кислород, который помогает «командам» лабораторных мышей выживать и чувствовать себя вполне комфортно в течение нескольких месяцев. В то время как водоросли выделяют кислород и поглощают углекислый газ, мыши делают совершенно противоположное.

Такой биореактор недавно был успешно протестирован на Международной космической станции.

Команда проекта DSTART в ближайшее время представит компьютерную модель первой версии системы MELISSA в масштабе космического корабля. Эта модель позволит команде оценить надежность системы MELISSA при долговременных космических путешествиях.

Источник

Физики из МИФИ синтезировали материал для утилизации радиоактивных отходов

Специалисты НИЯУ МИФИ усовершенствовали метод синтеза сложных оксидов, чтобы добиться наилучших свойств у материалов с широким диапазоном применения – от матриц для утилизации радиоактивных отходов до керамики в теплозащитных покрытиях. Кроме того, новые материалы могут быть использованы в качестве жаропрочных покрытий для авиационных и турбинных двигателей. Статья опубликована в журнале "Journal of Alloys and Compounds".

Сложные оксиды в системах "Ln2O3 — MO2", где Ln – редкоземельные элементы, а М – элемент подгруппы титана, интенсивно исследуются в последние годы из-за большого научного интереса к явлению фазового перехода "порядок-беспорядок", – имеется в виду расположение атомов в кристаллической решетке.

В научной литературе, как правило, приводятся данные по исследованию структуры и свойств хорошо закристаллизованных соединений Ln2M2O7, полученных методом твердофазного синтеза при высоких температурах. Ученых в данном случае интересует переход из аморфного состояния соединения  в кристаллическое. 

Но, по словам авторов исследования, такая методика не позволяет получить информацию о процессах формирования и эволюции нанокристаллических структур (это предкристаллическое состояние, – когда не все вещество имеет закристализованную структуру, а только некоторые его части).

В НИЯУ МИФИ применили другой метод синтеза, основанный на прокаливании при различной температуре исходно аморфных прекурсоров (предшественников будущего вещества), полученных соосаждением растворов соответствующих солей металлов.

"Нам впервые удалось проследить весь ход перестройки локальной атомной и электронной структуры указанных сложных оксидов в процессе эволюции и формирования из аморфного состояния нанокристаллической и кристаллической структуры", – пояснил профессор кафедры физики твердого тела и наносистем Алексей Менушенков. "Мы продемонстрировали, что и рентгеновская спектроскопия поглощения, и спектроскопия комбинационного рассеяния чрезвычайно чувствительны к перестройке локальной электронной и атомной структур сложных оксидов в зависимости от типа редкоземельного элемента и метода приготовления", — добавил он.

Важной частью работы стало применение уникальных методов изучения в комбинации. В ходе исследования ученые использовали рентгеновскую спектроскопию поглощения и рентгеновскую дифракцию с использованием синхротронного излучения, спектроскопию комбинационного рассеяния и инфракрасную спектроскопию, рентгеновскую сканирующую электронную микроскопию с энергодисперсионным анализом и термогравиметрический анализ.

Совмещение этих сложных и дорогостоящих методов необходимо, для того чтобы получить информацию о перестройке в катионной и анионной структуре вещества. Кроме того, дополнительные методы использовались для анализа образцов.

Исследование перестройки локальной атомной и электронной структуры проводилось методами рентгеновской спектроскопии поглощения EXAFS и XANES на станции BM08 (LISA) Европейского центра синхротронных исследований ESRF (Гренобль, Франция) в рамках проекта HC-3039 на получение пучкового времени, выигранного научной группой Менушенкова на конкурсной основе. 

По словам ученых, результаты работы важны как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения получения оптимальных свойств сложных оксидов для различных практических применений. Кроме использования новых материалов в качестве керамических материалов для теплозащитных покрытий, матриц для утилизации радиоактивных отходов и создания твердооксидных топливных элементов, возможно задействовать полученные вещества в создании нейтроннопоглощающих материалов для ядерных реакторов.

Источник

Гравитация: почему слияния черных дыр не помогут найти новые измерения

Астроном из Национального центра научных исследований Франции в Париже и приглашенный ученый МФТИ Станислав Бабак рассказал РИА Новости, можно ли приручить гравитационные волны и создать "радио" на их основе, есть ли "волосы" у черных дыр и существуют ли "лишние" измерения, а также объяснил, когда мы прикоснемся к горизонту событий космических "Гаргантюа".

В сентябре 2015 года, фактически сразу после включения обновленной LIGO, ученые обнаружили всплеск гравитационных волн, порожденных сливающимися черными дырами общей массой в 65 Солнц. Впоследствии LIGO зафиксировала еще шесть подобных событий, порожденных, за одним исключением, похожими слияниями крупных черных дыр.

Эти открытия запустили новую серию споров среди ученых. Космологи и теоретики гадали о том, как именно могли возникнуть подобные пары черных дыр, почему они обладают столь большой массой и можно ли увидеть историю их образования в том, как происходит процесс слияния, и понять, действительно ли они "сестры-близнецы".

"Зоопарк" черных дыр

Дело в том, что первые пары черных дыр, открытые LIGO, имели необычно большую массу — они были в 20-30 раз тяжелее Солнца. Ученые засомневались, что они образовались в недрах крупных звезд, исчерпавших свои запасы водорода и взорвавшихся в виде сверхновой.

"Действительно, первый объект, открытый нами, стал большим сюрпризом для всех по самым разным причинам. Изначально мы ожидали увидеть черные дыры, которые были бы тяжелее Солнца в три-десять раз, так как формирование более тяжелых объектов сложно объяснить с точки зрения астрофизики. Нужны большие и "чистые" звезды, уже не существующие во Вселенной, которые бы при этом не теряли быстро массу", — рассказывает Бабак. 

Открытие сразу нескольких пар таких необычно тяжелых черных дыр, как отмечает физик, заставило ученых задуматься о том, как могут возникать подобные объекты. Новые расчеты показали, что вероятность их появления была не такой низкой, как изначально думали теоретики.

 

© Фото : пресс-служба МФТИ/Борис Матвеев

Астроном Станислав Бабак

Впоследствии LIGO обнаружила следы слияний менее массивных объектов, которые показали, что в доступной нам части Вселенной присутствует целый "зоопарк" черных дыр больших и малых масс. Их изучение и открытие новых всплесков гравитационных волн, как надеется Бабак, поможет понять, как возникают пары подобных объектов и как они связаны с эволюцией галактик. 

Для этого, по словам физика, крайне важно поймать слияния черных дыр, чьи оси вращения были бы наклонены в разные стороны. Сделать это, как он говорит, крайне сложно, так как LIGO и VIRGO лучше видят те слияния черных дыр, на которые мы смотрим "сверху" или "снизу". У подобных черных дыр крайне сложно измерить наклон оси и направление вращения.

Тем не менее ответ на эти вопросы, как объясняет ученый, поможет понять, где возникают черные дыры и виноваты ли в их рождении только звезды.

Есть ли "волосы" у черных дыр?

Помимо размеров и скорости вращения этих объектов ученые пытались проверить знаменитое предположение физиков-теоретиков о том, что у черных дыр нет "волос", которое активно изучалось и развивалось Стивеном Хокингом до самой его смерти.

Это предположение означает, что все черные дыры с одинаковой массой, зарядом и скоростью вращения выглядят и описываются совершенно одинаково с точки зрения законов физики. Ситуация сильно усложнилась в 1975 году, когда Хокинг показал, что черные дыры постепенно "испаряются" благодаря квантовым эффектам у их горизонта событий, испуская энергию в виде излучения, которое сегодня носит его имя. 

У теоретиков это вызвало большие проблемы, так как испарение черных дыр и рождение подобного излучения подразумевает то, что почти вся информация о квантовом состоянии частиц, "съедаемых" черной дырой, за исключением их массы, заряда и скорости вращения, безвозвратно теряется, что невозможно по законам квантовой физики. 

"Команда LIGO уже пыталась проверить эти идеи, однако, как мне кажется, это крайне сложно. Необходимо получить чистый сигнал, возникающий после того, как черные дыры уже слились, но еще продолжают дрожать, сбрасывая эти колебания в виде гравитационных волн. Это очень слабый сигнал, и нам должно крупно повезти, чтобы мы могли его поймать в достаточно четком виде — черные дыры должны быть крупными и находиться близко к нам", — поясняет Бабак.

 

© LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

Так художник представил себе пару черных дыр, следы слияния которых открыла LIGO в прошлом году

Если у черных дыр действительно нет "волос", то это дрожание, как объясняет физик, будет порождать одинаковые сигналы для любых пар черных дыр, обладающих одинаковой массой, направлением и скоростью вращения. Если же сигналы, которые получат LIGO и VIRGO, будут отличаться друг от друга, то тогда эту идею придется оставить, и черные дыры обзаведутся невидимой для нас, но вполне существующей "шевелюрой".

Сами гравитационные волны, как считает Бабак, вряд ли удастся использовать для передачи информации или других практических целей, о чем мечтает академик Владислав Пустовойт, один из основоположников гравитационной астрономии.

"Есть один простой довод, объясняющий то, почему это невозможно, — сверхмалое значение гравитационной константы. Гравитационные волны очень слабо взаимодействуют с материей, что одновременно хорошо для нас, поскольку мы можем их видеть на гигантских расстояниях, и плохо, так как это мешает их обнаружению. Огромные размеры LIGO обусловлены не тем, что американцам некуда было девать деньги. Вряд ли "гравитационный радиоприемник" длиной в пять-десять километров найдет какое-либо применение", — объясняет физик.

Наследие Эйнштейна

Последние открытия помимо черных дыр впервые предоставили космологам возможность проверить, работает ли теория относительности на самых больших расстояниях, наблюдая за тем, как гравитационные волны движутся через пустое пространство и потенциально взаимодействуют с ним.

К примеру, теория относительности Эйнштейна постулирует, что движение гравитационных волн через космос, Землю, человека и другие объекты приведет к тому, что ткань пространства-времени будет растягиваться только в двух направлениях: допустим, в вертикальном и в горизонтальном, попеременно превращая условный шарик в вытянутый эллипс. 

Альтернативные теории гравитации, в свою очередь, говорят, что вариантов таких растяжений может быть гораздо больше. Гравитационные волны способны раздувать и сжимать частицы материи целиком (скалярная поляризация) или же заставлять их шататься в определенные стороны (векторная поляризация). В общей сложности, как считают сегодня ученые, возможны шесть вариантов подобных взаимодействий и еще большее число их комбинаций.

"Эти эксперименты нельзя было провести, используя только LIGO, так как ее детекторы лежат почти в одной и той же плоскости, в отличие от итальянского VIRGO, который расположен почти под прямым углом по отношению к ним. При этом важно понимать, что они включились в эти наблюдения позже, чем LIGO, и что чувствительность этого детектора ниже. Тем не менее какие-то выводы мы все же смогли сделать", — рассказывает Бабак.

Из-за низкой чувствительности VIRGO ученым пока удалось провести только один такой эксперимент и проверить две идеи из всего множества допустимых вариантов — полное совпадение с теорией относительности или абсолютное несовпадение с ней. В последнем случае, как пояснил астроном, гравитационные волны никогда не будут растягивать и сжимать материю так, как это предсказывает общая теория относительности (ОТО).

"Эти замеры показали, что мы можем исключить те теории, в которых есть только векторные и скалярные типы поляризации. Это интересный и хороший результат, но проблема заключается в том, что он не полон и даже частично не имеет смысла. К примеру, пока не существует теорий, говоривших, что гравитационные волны могут иметь только векторную поляризацию. Поэтому мы не можем утверждать, что нам удалось полностью подтвердить теорию относительности", — продолжает ученый.

Последующие совместные наблюдения LIGO и VIRGO, как надеется Бабак, помогут проверить остальные комбинации возможных типов поляризации гравитационных волн и получить более полные подтверждения правоты или ошибочности выкладок Эйнштейна.

Окно в иные миры

Открытие гравитационных волн возродило интерес теоретиков и практиков к другим смелым идеям, которые раньше ученые не могли проверить.

К примеру, известный космолог Лоуренс Краусс (Lawrence Krauss) и астроном Дэвид Эндриот (David Andriot) считают, что дальнейшие наблюдения за гравитационными волнами помогут нам найти следы "лишних" шести измерений, о которых говорит теория струн, или иных миров, возникших в результате Большого взрыва и ускоряющегося расширения Вселенной.

Новые измерения, как считают эти теоретики, можно будет обнаружить по странностям в поляризации гравитационных волн и по аномально большой мощности в высокочастотной части спектра. 

"Такие работы действительно ведутся, но нужно учитывать один важный момент. Для проверки чего-то, что не является классической теорией относительности, нам, собственно, нужно понять, как будет вести себя гравитационно-волновой сигнал в рамках этой теории, и построить его модель. Этого пока нет, и поэтому мы проверяем ОТО путем поиска внутренних противоречий в тех данных, которые получаем", — отмечает Бабак.

Некоторые варианты подобных нарушений, по его словам, команды LIGO и VIRGO уже проверили. Ни один из них не был обнаружен, однако из-за отсутствия достойных альтернатив выкладкам Эйнштейна это нельзя считать доказательством того, что других измерений или параллельных Вселенных не существует.

"В данный момент мы можем ответить на вопросы класса "давайте предположим, что есть такие-то отклонения от теории относительности, и посмотрим, видим ли мы их в сигнале с LIGO/VIRGO". На что-то более существенное, в силу отсутствия не противоречащей себе теории гравитации вне пределов ОТО, мы неспособны", — подчеркивает физик.

 

© ESA

"Треугольник" зондов гравитационной обсерватории LISA на орбите Земли

Как отмечает Бабак, научные команды LIGO и VIRGO всерьез подходят ко всем претензиям, которые часто излагают сторонники альтернативных теорий гравитации, считающие, что гравитационные обсерватории или ничего не нашли, или зафиксировали какое-то другое событие в космосе.

"Мы хорошо понимаем, что скептики будут всегда, и убежать от них у нас не получится. Каждое их заявление и все их претензии проверяет наша коллаборация. Мы пытаемся повторить их расчеты и оценить, действительно ли мы ошибались. Как правило, нам не удается повторить те результаты, которые получили эти люди, или же мы находим ошибки в их собственных выкладках", — пояснил ученый.

Некоторым идеям, как отметил физик, удалось пройти через эту проверку, выжить и получить признание команд LIGO и VIRGO. К примеру, в декабре 2016 года канадские теоретики из института "Периметр" предположили, что слияние черных дыр вызовет не только мощный хлопок гравитационных волн, но и породит своеобразное гравитационное эхо в том случае, если они окружены своеобразной стеной огня, невидимым слоем квантов высокой энергии.

Но в целом, как подчеркнул Бабак, все то, что видит LIGO, в целом соответствует теории относительности, и пока никаких объектов, похожих на стену огня или другие структуры, способные порождать другие типы гравитационных волн, им не удалось найти. "Тем не менее поиски идут, и сейчас они стали более серьезными", — подытожил физик.

Коснуться горизонта

Ни LIGO, ни VIRGO, как отмечает Бабак, не позволят окончательно дать ответ на этот вопрос и параллельно воплотить в жизнь мечту многих астрофизиков — "пощупать" горизонт событий обычной или сверхмассивной черной дыры.

"Эту задачу сможет решить космическая гравитационная обсерватория LISA, в работе которой я и многие мои коллеги по LIGO примут деятельное участие. Сейчас это основной мой проект. Хотя до запуска вроде бы еще далеко — конец 2020-х или начало 2030-х годов, — это совсем скоро по меркам гравитационной астрономии", — пояснил Бабак.

Идея космической гравитационной обсерватории LISA в НАСА и ЕКА возникла в 2001 году. Речь идет о системе из трех спутников, которые должны следить за колебаниями пространства-времени, наблюдая за тем, как гравитационные волны отклоняют ход лазерных лучей, соединяющих все три аппарата LISA.

В 2011 году НАСА объявило о выходе из программы, после чего постройку и запуск LISA отложили на неопределенный срок. И все же ЕКА продолжило работы по созданию экспериментального аппарата LISA Pathfinder (LPF), на борту которого ученые и инженеры недавно успешно отработали технологии, необходимые для лазерного "треугольника", на порядок превысив требования по точности, заложенные в программе.

"Одна из главных задач LISA — выяснить, как возникли самые крупные сверхмассивные черные дыры, чье существование сейчас объяснить достаточно сложно. Вдобавок этот телескоп будет искать следы реликтовых гравитационных волн, возникших во время Большого взрыва, и проверит, есть ли "волосы" у черных дыр, наблюдая за парами из обычных и сверхмассивных объектов такого рода", — продолжает ученый.

Как отмечает Бабак, после запуска LISA сразу найдет тысячи источников длинных гравитационных волн — они будут очень яркими и сильными. Возникнет обратная проблема по сравнению с LIGO и VIRGO — их станет так много, что физикам и астрономам придется создавать новые методики обработки данных и моделирования гравитационно-волновых сигналов для того, чтобы найти следы этих слияний в общем наборе данных.

Хотя наземные гравитационные телескопы и их космическая "сестра" предназначены для наблюдений за разными объектами, LISA сможет наблюдать и за обычными черными дырами примерно за пять-десять лет до их слияния.

Успешное завершение тестов LPF, по словам физика, подстегнуло интерес к проекту и в ЕКА и заставило НАСА вернуться в миссию в качестве младшего партнера с небольшим, но существенным вкладом в постройку LISA. Представители космических агентств постоянно подгоняют ученых и стремятся максимально быстро вывести аппараты на орбиту.

Препятствий для этого, подчеркивает Бабак, нет. Главные части "треугольника" LISA, в том числе лазеры и телескопы, пока не готовы, но все материалы и технологии для их создания уже существуют. Сборка первых прототипов ключевых инструментов, как ожидает физик, начнется примерно через два года. Это вплотную приблизит нас и к горизонту событий черных дыр, и к новой эпохе в гравитационной астрономии.

Источник