Аня Грушина
Темпоральные, или временны́е, кристаллы - новая идея в физике, широко обсуждаемая в последние годы. Они представляют собой физические системы, «сами по себе» повторяющиеся во времени. Несмотря на экзотичность концепции, исследователи уже прикидывают возможные области применения идеи и ищут наиболее удачные «рецепты» приготовления «кристаллического времени».
Франк Вильчек, нобелевский лауреат 2004 года и автор концепции временно"го кристалла. Фото: Kenneth C. Zirkel/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0.
«Рецепт» темпорального кристалла из эксперимента Кристофера Монро: лазерное излучение, показанное оранжевой и зелёной стрелками, переворачивает магнитные моменты (спины); лазерное излучение, показанное красной стрелкой, вносит беспорядок и вызывает взаимодействия между спинами. В результате система из спинов осциллирует между двумя стабильными состояниями, которые устойчивы к изменениям в частоте накачки.
Красота законов природы идёт рука об руку с симметрией. Строго говоря, симметрия в физике подразумевает то, что некоторое свойство остаётся неизменным при определённой трансформации: это может быть поворот или сдвиг в пространстве, зеркальное отражение. Проще говоря, как ни крути объект или Вселенную, законы физики не меняются. Симметрия может быть непрерывной и дискретной. Например, однородный шар можно поворачивать на любой угол - ничего не изменится. А вот куб «повторяет себя» только при повороте на определённый угол. Это примеры непрерывной и дискретной вращательной симметрии.
Интересная физика начинается там, где изменяется, а точнее, ломается симметрия. Скажем, кристалл менее симметричен, чем однородная жидкость, состоящая из тех же самых атомов, так что его можно рассматривать как нарушение пространственной симметрии. Атомы в нём находятся в узлах так называемой кристаллической решётки с чётко определёнными расстояниями и углами. Чтобы при движении в пространстве получить тот же самый кристалл, его нужно сдвинуть на чётко определённое расстояние (так называемую постоянную решётки - размер элементарной ячейки, повторением которой можно воспроизвести весь кристалл) или повернуть на соответствующий угол. Конкретные характеристики кристаллов напрямую зависят от того, как именно была нарушена симметрия: количество электронов на внешней оболочке атомов, магнитные моменты, температура - всё это влияет на взаимодействия между атомами и в конечном счёте определяет свойства материала. Физики давно изучают кристаллы и даже научились создавать похожие системы с помощью лазеров или микроволн, где роль узлов решётки могут играть не только атомы и электроны, но и фотоны или квазичастицы, например фононы. Симметрию среды нарушают также намагниченность и протекание электрического тока.
А вот дискретное нарушение временнoй, или темпоральной, симметрии (непрерывное течение времени только вперёд) - это пока что неизученная территория. Франк Вильчек, лауреат Нобелевской премии 2004 года, полученной за описание особенностей взаимодействия между кварками и глюонами, в 2012 году начал размышлять о том, почему временная симметрия никогда не нарушается спонтанно (то есть за счёт случайных взаимодействий между элементами системы) и реально ли создать условия, в которых это было бы возможным. В результате он придумал темпоральные кристаллы как способ нарушения временной симметрии.
Темпоральные кристаллы - это гипотетические структуры, которые пульсируют без затрат энергии, как механические часы, не требующие завода. Последовательность повторяется во времени, как атомы кристалла повторяются в пространстве. На первый взгляд темпоральный кристалл скорее напоминает о Мире Великого Кристалла фантаста Владислава Крапивина, чем о строгой физике, но у такой структуры могут быть веские физические основания для существования.
Одна из возможных реализаций темпорального кристалла представляет собой кольцо атомов, которое должно вращаться, регулярно возвращаясь в своё первоначальное состояние. Его свойства были бы вечно синхронизированы во времени, аналогично тому как взаимосвязано положение атомов в кристалле. По определению темпорального кристалла такая система должна находиться в состоянии с наименьшей энергией, чтобы движение не требовало поступления энергии извне. В некотором смысле темпоральный кристалл был бы вечным двигателем, за исключением того, что он не производил бы никакой полезной работы.
Научное сообщество в своём большинстве посчитало идею провокационной. Тем не менее Франк Вильчек стоял на своём, уверенный в том, что проблема хитрее, чем кажется на первый взгляд, и темпоральные кристаллы представляют собой новый тип упорядоченности. Более того, вечное движение имеет прецеденты в квантовом мире: теоретически сверхпроводники проводят электрический ток вечно (хотя поток в данном случае однороден и соответственно не изменяется во времени).
Парадокс темпорального кристалла заинтересовал Харуки Ватанабе, аспиранта Калифорнийского университета в Беркли. Когда он представлял свою работу о нарушении симметрии в пространстве, ему задали вопрос о следствиях идеи Вильчека о темпоральном кристалле. Ватанабе ответить не смог и решил разобраться в этом вопросе, сосредоточившись на корреляциях между удалёнными частями системы во времени и в пространстве. В 2015 году вместе с физиком Масаки Ошикава из университета Токио Ватанабе доказал теорему, согласно которой создание темпорального кристалла в состоянии с наименьшей энергией невозможно. Они также доказали, что темпоральные кристаллы невозможны для любой равновесной системы, достигшей устойчивого состояния при любом значении энергии.
На этом физическое сообщество посчитало вопрос существования темпоральных кристаллов закрытым. Тем не менее доказательство оставило лазейку. Оно не исключило возможность существования темпоральных кристаллов в системах, в которых ещё не установилось равновесие. И теоретики по всему миру начали думать о том, как можно создать альтернативные версии темпоральных кристаллов в обход теоремы.
Прорыв неожиданно пришёл из области физики, в которой исследователи совсем не думали на эту тему. Теоретик Шиваджи Сонди и его коллеги из университета Принстона изучали поведение изолированной квантовой системы, состоящей из «супа» взаимодействующих частиц, которую регулярно «подпинывали» энергетически. Если верить учебникам, то такая система должна нагреться и в итоге стать полностью хаотичной. Но группа Сонди показала, что при выполнении определённых условий частицы группируются вместе и образуют «узор», повторяющийся во времени.
Это исследование привлекло внимание Четана Наяка, одного из бывших студентов Вильчека. Наяк и его коллеги предположили, что странная неравновесная форма материи может быть разновидностью темпорального кристалла, хоть и не совсем такого, о котором изначально говорил Вильчек. Разница в том, что подобная система не находится в состоянии с наименьшей энергией и ей необходима подпитка энергией извне для поддержания пульсаций. Но такой «суп» обладает своим ритмом, отличным от частоты накачки, что фактически означает нарушение временной симметрии.
Кристофер Монро из Университета Мэриленда в Колледж-Парке, несмотря на скептический настрой, тем не менее попробовал создать подобный темпоральный кристалл с помощью холодных атомов. Замысловатый «рецепт» содержит три основных ингредиента: силу, которая воздействует на систему, взаимодействие между атомами и элемент случайного беспорядка. Эта комбинация ограничивает частицы в количестве энергии, которую они могут поглотить, позволяя им оставаться в упорядоченном состоянии.
В эксперименте цепочку из десяти ионов иттербия поочерёдно освещали двумя лазерами. Первый лазер переворачивал магнитные моменты атомов, а второй заставлял их взаимодействовать между собой случайным образом. Это привело к колебаниям проекции магнитного момента системы с периодом в два раза больше периода лазерной подкачки спинов. Более того, даже если первый лазер сбивался с нужной частоты излучения, осцилляции в системе не изменялись. Как обычные кристаллы сопротивляются попыткам сдвинуть атомы с их позиций в кристаллической решётке, так и темпоральный кристалл сохранил свою периодичность во времени.
Группа физиков из Гарвардского университета под руководством Михаила Лукина (который также является соучредителем Российского квантового центра) пошла другим путём и реализовала темпоральный кристалл с помощью алмаза. Для этого был синтезирован специальный образец, содержащий порядка миллиона расположенных в беспорядке дефектов, каждый из которых обладал своим магнитным моментом. Когда такой кристалл подвергли воздействию импульсов микроволнового излучения для перевёртывания спинов, физики зафиксировали отклик системы на частоте, которая составила лишь долю частоты возбуждающего излучения.
Физик-теоретик Норман Яо, принявший участие в обоих экспериментах, подчёркивает, что системы в состоянии с наименьшей энергией по определению не должны изменяться во времени. В противном случае это бы значило, что у них есть лишняя энергия, которую они могут расходовать, и в конечном счёте движение должно остановиться. Результат экспериментов Яо сравнил со скакалкой: рука делает два оборота, а верёвка - только один, и это более слабое нарушение симметрии, чем изначально задуманное Вильчеком, который считал, что верёвка может колебаться сама по себе.
Результаты обоих экспериментов опубликованы в журнале «Nature» и, безусловно, интересны, но определение темпорального кристалла и в том и в другом случае можно считать немного притянутым за уши. Физики сошлись в том, что обе системы некоторым образом спонтанно нарушают временну́ю симметрию и поэтому удовлетворяют требованиям темпорального кристалла с математической точки зрения. Но можно ли их действительно считать таковыми - предмет научной дискуссии.
Темпоральные кристаллы получились у Монро и Лукина или нет, покажет время. В любом случае эти эксперименты интересны тем, что впервые продемонстрировали простейшие примеры новых фаз вещества в сравнительно неизученной области неравновесных состояний. Это новое состояние вещества состоит из группы квантовых частиц, которая непрерывно меняется, никогда не достигая стабильного состояния. Стабильность достигается за счёт случайных взаимодействий, которые бы нарушали равновесие в любом другом виде материи.
Более того, эти результаты могут иметь практическое значение. Темпоральные кристаллы могут пригодиться в роли суперточных сенсоров. Поведение магнитных моментов дефектов в алмазе уже используется для регистрации малейших изменений температуры и магнитных полей. Но такой подход имеет свои ограничения: когда слишком много дефектов «толпится» в маленьком объёме, взаимодействия между ними разрушают квантовые состояния. В темпоральном кристалле взаимодействия, наоборот, стабилизируют систему, поэтому миллионы дефектов можно использовать вместе для усиления сигнала. Это позволит исследовать, в частности, живые клетки и материалы атомарной толщины.
Другой пример применения таких систем - квантовые вычисления при достаточно высокой температуре. Квантовые компьютеры - многообещающая и долгожданная технология, которая пока далека от практической реализации. Дело в том, что хрупкие квантовые биты, которые производят вычисления, нужно изолировать от разрушающих квантовые состояния эффектов теплового движения и других «побочных эффектов» окружающей среды и в то же время иметь возможность кодировать и считывать с них информацию. Физики используют для этого очень низкие температуры, всего на наноградусы выше абсолютного нуля. Темпоральный кристалл по своей сути - это квантовая система, которая существует при существенно более высоких температурах. В случае алмаза Лукина - так вообще при комнатной температуре.
В интервью , которое можно прочитать в «Науке и жизни» № 12 за 2013 год, Михаил Лукин говорил именно о таких неожиданных практических «побочных эффектах» на первый взгляд совершенно фундаментальной науки. И возможно, именно фантастически звучащий концепт темпорального кристалла откроет дорогу к квантовым вычислениям без необходимости в сложной и дорогостоящей криогенике.
Рябь пространства-времени, образовавшаяся в результате звездного катаклизма в далекой галактике, помогает объяснить космическое происхождение золота и проложить курс для новой эпохи в астрономии, занимающейся наблюдениями электромагнитного спектра и гравитационных волн.
Началом новой эпохи в астрономии и физики стало прозвучавшее в понедельник заявление ученых о том, что они впервые обнаружили рябь пространства-времени, известную как гравитационные волны, которые образовались в результате столкновения двух нейтронных звезд. 17 августа эти волны из космоса достигли Земли в районе Индийского океана и были зарегистрированы двумя детекторными станциями американской Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) и европейским детектором Virgo, расположенным в Италии.
Это уже пятый случай за последние два года, когда ученые фиксируют такие волны. Первым данное явление предсказал Эйнштейн, сделав это более 100 лет назад. А в этом году за открытия в области гравитационных волн Нобелевскую премию по физике получили три руководителя LIGO.
Однако все замеченные ранее гравитационные волны возникали от слияния черных дыр. Эти черные дыры имеют такую огромную плотность, что не выпускают свет. Поэтому такое слияние черных дыр по сути дела невозможно обнаружить обычными телескопами, несмотря на невероятно мощные гравитационные волны, которые они порождают в последние моменты своей неистовой спирали смерти. Без более обширной сети гравитационно-волновых обсерваторий астрономы не в состоянии определить точное местонахождение соединяющихся черных дыр, и уж тем более глубоко их изучить и проанализировать
Однако слияние нейтронных звезд начинается с объектов, которые по сравнению с черными дырами могут быть очень легкими. Нейтронная звезда — это сильно сжатое ядро закончившей свой век массивной звезды, и формируется она после взрыва сверхновой. Ее гравитационное поле обладает достаточной силой для того, чтобы сдавить и разрушить материю массой с целое Солнце, превратив ее в сферу из нейтронов размером с крупный город. Таким образом, это не звезда в обычном понимании, а в большей степени ядро атома размером с Манхэттен. Однако сила притяжения нейтронной звезды все равно слишком мала, чтобы удерживать свет, а поэтому вспышка от столкновения двух таких звезд может проникнуть в космос, создав не только гравитационные волны, но и один из самых ярких фейерверков во Вселенной, который может увидеть любой желающий.
В данном случае, когда первоначальный импульс гравитационных волн подал сигнал о начале слияния, фейерверк состоял из вспышки гамма-излучения длиной в две секунды и послесвечения разной длины волн, которое длилось несколько недель. В числе «любых желающих» оказались почти все астрономы и физики на нашей планете, которые знали об этом событии. Исследователь проекта Жюли Макинери (Julie McEnery), работающая с космическим гамма-телескопом Ферми, который зафиксировал вспышку гамма-лучей, назвала 17 августа «самым замечательным утром за все девять лет работы телескопа».
С астрономов, работающих вместе с физиками на телескопе LIGO и Virgo, взяли клятву о соблюдении секретности. Однако огромное количество наблюдений по всему миру неизбежно привело к распространению слухов, которые теперь нашли свое подтверждение. Речь идет об общемировой кампании наблюдения за столкновением и его последствиями. Всплеск новых наблюдений и возникновение новых теорий после столкновения является самым ярким образцом гравитационно-волновой астрономии. Это новая отрасль науки, которая собирает данные и изучает свет, гравитационные волны и субатомные частицы, образующиеся в результате астрофизических катаклизмов.
Одновременно в нескольких научных журналах было опубликовано огромное множество статей, авторы которых связали последние события с самыми разнообразными явлениями и предложили новые идеи по самым разным направлениям, начиная с фундаментальной ядерной физики и кончая эволюцией Вселенной. Среди прочего, это слияние дало наблюдателям возможность проследить за зарождением черной дыры, которая могла образоваться при столкновении нейтронных звезд. Но одно открытие является в буквальном смысле блестящим. Это убедительное доказательство того, что слияние нейтронных звезд является космическим плавильным котлом, в котором появляются тяжелые элементы нашей Вселенной, включая уран, платину и золото.
Контекст
Чему нас учат гравитационные волны
The New York Times 04.10.2017Гравитационные волны наконец-то открыты
Quanta Magazine 17.02.2016Таким образом, многое говорит о том, что радиоактивный материал в ядерном реакторе, каталитический нейтрализатор выхлопных газов в вашем автомобиле и драгоценный металл в вашем обручальном кольце являются результатом столкновения самых маленьких, самых плотных и самых экзотических звезд в нашей Вселенной, или по крайней мере, той их части, которая может ускользнуть из черных дыр, образующихся в результате слияния. Данное открытие поможет разрешить непрекращающиеся дебаты по вопросу космического происхождения тяжелых элементов, которыми теоретики занимаются более полувека. Основная часть водорода и гелия в нашей Вселенной появилась в первые моменты после большого взрыва. А большинство легких элементов, таких как кислород, углерод, азот и так далее, сформировались в результате ядерного синтеза в звездах. Но на вопрос о происхождении самых тяжелых элементов до настоящего времени не было ответа.
«Мы наткнулись на золотую жилу! — говорит Лаура Кадонати (Laura Cadonati), работающая астрофизиком в Технологическом институте штата Джорджия и являющаяся заместителем пресс-секретаря LIGO. — На самом деле, мы впервые обнаружили гравитационно-волновое и электромагнитное явление как единое астрофизическое событие. Гравитационные волны рассказывают нам историю о том, что произошло до катаклизма. Электромагнитное излучение повествует о том, что случилось после». Пока это не окончательные выводы, говорит Кадонати, однако анализ гравитационных волн этого явления со временем поможет раскрыть подробности того, как внутри нейтронных звезд при слиянии «разбрызгивается» материя, и ученые получат новые возможности для изучения этих странных объектов, а также выяснят, каких размеров они могут достигать до схлопывания и превращения в черную дыру. Кадонати также отмечает, что была какая-то таинственная задержка в пару секунд между окончанием всплеска гравитационной волны и началом гамма-излучения. Возможно, это тот промежуток времени, когда структурная целостность сливающихся нейтронных звезд непродолжительное время сопротивлялась неизбежному коллапсу.
Многие исследователи уже давно ожидают этого прорывного открытия. «Мои мечты осуществились, — говорит астрофизик Сабольч Марка (Szabolcs Marka), работающий в Колумбийском университете и входящий в научный коллектив LIGO. Этот человек еще в конце девяностых годов стал приверженцем гравитационно-волновой астрономии, дополненной наблюдениями электромагнитного спектра. В те годы, вспоминает Марка, его считали безумцем, который пытается подготовиться к будущим наблюдениям за гравитационными волнами, хотя до непосредственного открытия этого явления оставалось еще несколько десятков лет. «Теперь я и мои коллеги чувствуем себя отмщенными, — говорит он. — Мы изучили эту систему сталкивающихся нейтронных звезд в очень разнообразном наборе сигналов. Мы увидели это в гравитационных волнах, в гамма-излучении, в ультрафиолете, в видимом и инфракрасном свете, а также в рентгеновских лучах и радиоволнах. Это революция и эволюция в астрономии, на которую я возлагал надежды еще 20 лет назад».
Директор Национального научного фонда (это федеральное ведомство, обеспечивающее основную часть финансирования LIGO) Франс Кордова (France Córdova) заявил, что последнее достижение является «историческим моментом в науке», и что оно стало возможным благодаря устойчивой и многолетней поддержке правительства, оказываемой многим астрофизическим обсерваториям. «Обнаружение гравитационных волн, начиная с первого короткого вибросейсмического сигнала, который услышали во всем мире, и кончая последним, более длительным сигналом, не только оправдывает рискованные, но дающие большое вознаграждение инвестиции, выделяемые Национальным научным фондом, но также подталкивает нас к тому, чтобы сделать больше в этом направлении, — говорит Кордова. — Я надеюсь, что ННФ будет и дальше оказывать поддержку новаторам и инновациям, которые преобразуют наши знания и вдохновляют грядущие поколения».
Прекрасная возможность
Когда были обнаружены начальные гравитационные волны от слияния и последующее гамма-излучение (его немедленно зафиксировали ученые при помощи телескопа Ферми и космических телескопов обсерватории INTEGRAL), началась гонка в попытке выяснить, каков источник столкновения в космосе, а также его послесвечения. Очень быстро многочисленные коллективы ученых нацелили имеющиеся телескопы на тот участок неба, где по расчетам исследователей с LIGO и Virgo должен был находиться источник. Это был участок неба, охватывающий 31 квадратный градус, в котором расположены сотни галактик. (По словам Кадонати, если бы использовалась только обсерватория LIGO, эти наблюдения были бы похожи на поиски золотого кольца, лежащего на дне Тихого океана. Но получив третью точку данных от Virgo, говорит она, исследователи сумели вычислить местоположение источника, и в результате наблюдения стали больше похожи «на поиски золотого кольца в Средиземном море».)
Мультимедиа
НАСА воспроизводит «Гравитацию»
ИноСМИ 06.03.2014Основную часть наблюдений ученые проводили в чилийских обсерваториях. Свою работу они начали сразу после захода солнца, когда из-за горизонта вышел нужный участок неба. Разные коллективы ученых применяли самые разнообразные стратегии поиска. Кто-то просто осуществлял сплошное наблюдение за участком неба, методично перемещаясь от одной стороны к другой; кто-то нацелился на галактики, в которых с наибольшей долей вероятности могло произойти слияние нейтронных звезд. В конечном итоге вторая стратегия оказалась выигрышной.
Первым оптическое послесвечение увидел докторант и исследователь из Калифорнийского университета в Санта Крузе Чарльз Килпатрик (Charles Kilpatrick). Он сидел за столом в своем кабинете и просматривал изображения некоторых галактик, получив задание от одного из своих коллег астронома Райана Фоли (Ryan Foley), который участвовал в организации этого проекта. Девятым снимком, который он начал изучать, была фотография, поспешно снятая и переданная коллегами, находившимися на другом конце света и работавшими на огромном телескопе Swope в чилийской обсерватории Лас-Кампанас. Именно на нем он увидел то, что искали все: ярко-голубую точку в центре гигантской эллиптической галактики, представляющей собой скопление старых красных звезд в возрасте 10 миллиардов лет, которые находились на расстоянии 120 миллионов световых лет. Все они были безымянными, если не считать обозначений в каталогах. Считается, что именно в таких галактиках чаще всего происходят слияния нейтронных звезд, поскольку они старые, у их звезд большая плотность, а молодых звезд в таких галактиках довольно мало. Сравнив этот снимок с более ранними изображениями той же самой галактики, Килпатрик не увидел на них такой точки. Это было нечто новое, появившееся совсем недавно. «Очень медленно до меня дошло, какой это исторический момент, — вспоминает Килпатрик. — Но в то время я был сосредоточен на своей задаче, стараясь работать как можно быстрее».
Килпатрик сообщил об увиденном другим членам своей команды, в том числе, астроному из обсерваторий Карнеги Джошу Саймону (Josh Simon), который быстро получил подтверждающее изображение при помощи одного из самых крупных телескопов Magellan в Чили диаметром шесть с половиной метров. На этих изображениях голубая точка тоже присутствовала. В течение часа Саймон занимался измерениями спектра этой точки, то есть, различных цветов испускаемого ею света. Делал он это парными снимками с выдержкой в пять минут. Саймон посчитал, что такие спектральные снимки окажутся полезными для дальнейших исследований. А если нет, то в любом случае они смогут доказать, что это не просто какая-то заурядная суперновая или другой космический самозванец. Тем временем, и другие коллективы ученых тоже заметили эту точку и занялись ее исследованиями. Но команда Фоли быстрее других нашла подтверждение и провела спектральный анализ, обеспечив себе первенство в этом открытии. «Мы первыми получили изображение, и мы первыми идентифицировали источник этого изображения, — говорит Саймон. — А поскольку и первое, и второе мы получили очень быстро, нам удалось сделать первый спектральный анализ этого слияния, чего в ту ночь не сумел сделать никто в Чили. После этого мы объявили о своем открытии всему научному сообществу».
Эти первые спектральные наблюдения оказались чрезвычайно важными для последующего анализа и разрешения некоторых загадок. Они показали, что остатки от слияния быстро охлаждаются и теряют свой ярко-голубой свет, который превращается в темно-рубиновый. Эти данные в последующие недели удалось проверить и подтвердить в ходе наблюдений, пока видимая точка бледнела и угасала, а ее послесвечение смещалось, и яркий свет переходил в инфракрасную зону спектра с большей длиной волны. Общие закономерности цветов, процесса охлаждения и расширения были очень похожи на то, что ранее предсказывали многие теоретики, работавшие независимо друг от друга. Прежде всего, это Брайан Мецгер (Brian Metzger) из Колумбийского университета и Дэн Кейсен (Dan Kasen) из Калифорнийского университета в Беркли.
Короче говоря, объясняет Мецгер, то, что увидели астрономы после этого слияния, можно назвать «килоновой». Это интенсивная вспышка света, образовавшегося за счет выделения и последующего радиоактивного распада раскаленного до белизны и богатого нейтронами материала из нейтронной звезды. По мере того, как этот материал расширяется и охлаждается, большая часть его нейтронов захватывается ядрами железа и других тяжелых элементов, оставшихся в виде пепла после взрыва сверхновой и образования нейтронной звезды. «Это приводит к созданию еще более тяжелых элементов в течение примерно одной секунды, когда выбрасываемые частицы захватывают эти нейтроны и расширяются в пространстве. Одно из этих слияний формирует нижнюю половину периодической таблицы, а именно, золото, платину, уран и так далее», — говорит Мецгер. На завершающем этапе свет от килоновой резко смещается в инфракрасную зону, когда нейтроны, каскадом вылетающие из выброса, формируют самые тяжелые элементы, которые весьма эффективно поглощают видимый свет.
Измерение спектральных изменений тела килоновой, в свою очередь, позволяет астрономам определить количество различных элементов, образовавшихся в процессе слияния. Эдо Бергер (Edo Berger), изучающий килоновые в Смитсоновском центре астрофизики и руководивший многочисленными и самыми амбициозными наблюдениями за этим слиянием, говорит, что в результате данного события образовались тяжелые элементы, по своей массе равные 16 тысяч масс Земли. «Там есть все: золото, платина, уран, а также другие, самые странные элементы, которые нам известны в виде букв в периодической таблице, хотя мы не знаем их названия, — говорит он. — А что касается распада, то точный ответ на этот вопрос нам пока неизвестен».
Некоторые теоретики предполагают, что количество образовавшегося в результате слияния золота составляет лишь несколько десятых частей земной массы. Мецгер, со своей стороны, полагает, что это количество равно приблизительно 100 массам Земли. По его оценке, платины образовалось в три раза больше земной массы, а урана — в 10 раз меньше. В любом случае, если сопоставить новые статистические оценки частоты таких слияний, основываясь на последних измерениях, то у нас получается довольно большое количество таких событий. «Их достаточно, чтобы сформировать и накопить те элементы, которые образуют нашу собственную солнечную систему и то многообразие звезд, которое мы видим, — говорит Мецгер. — На основе того, что мы увидели, можно подробно объяснить эти слияния. Наверное, есть и другие способы образования тяжелых элементов, но похоже, что нам они не нужны». По его словам, каждые 10 тысяч лет в Млечном пути происходит только одно слияние нейтронных звезд.
Дальние рубежи
Более того, изучение процесса слияния и образования килоновой может дать нам очень важную информацию о том, как происходило столкновение. Например, свет от первоначального выброса после слияния был более голубым, чем ожидали ученые. Исходя из этого, Мецгер и другие ученые сделали вывод о том, что они смотрели на килоновую под углом, а не прямо. Если брать за основу такой сценарий, то первоначальный голубой выброс исходил из сферической оболочки или расположенной по экватору полосы материала с небольшим содержанием нейтронов, которые выдувались наружу из нейтронных звезд на скорости, равной оценочно 10% от скорости света. Более поздняя и более красная эмиссия могла исходить из материала с большим содержанием нейтронов, который был выброшен с полюсов нейтронных звезд при их столкновении со скоростью в два-три раза выше — подобно зубной пасте, выдавливаемой из тюбика.
Статьи по теме
Космос не знает границ
CBC 01.10.2017Самые безумные космические идеи НАСА
Videnskab 09.09.2017Если сопоставить такой сценарий с подробными данными наблюдений в рентгеновском и радиодиапазоне, то становится более понятным весьма любопытный характер выброса гамма-лучей, связанного с таким слиянием. Это была самая близкая вспышка гамма-излучения за всю историю наблюдений, но также одна из самых слабых. Считается, что кратковременные всплески гамма-излучения являются биполярными выбросами интенсивной радиации, которая ускоряется и выбрасывается почти со скоростью света магнитными полями внутри сталкивающихся нейтронных звезд, когда те сливаются и схлопываются в черную дыру. Если смотреть на эту вспышку гамма-излучения прямо (глаза в глаза, если можно так выразиться), то она будет очень яркая. Так бывает в большинстве случаев таких выбросов, которые наблюдают астрономы на удаленных участках Вселенной. Но если смотреть на эти всплески гамма-излучения под углом, то они кажутся довольно тусклыми, а обнаружить их можно лишь в том случае, если они находятся довольно близко, в пределах нескольких сотен миллионов световых лет.
Таким образом, используя многочисленные данные, накопленные гравитационно-волновой астрономией, ученые смогут со временем определить углы обзора многих килоновых во всей наблюдаемой части Вселенной, и это позволит им более точно измерять крупномасштабные космические структуры и изучать их эволюцию. Ученые получат возможность для разгадки тех тайн, которые намного глубже, чем происхождение тяжелых элементов, скажем, того вызывающего недоумение обстоятельства, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением под воздействием некоей масштабной антигравитационной силы, известной как темная энергия.
Исследователи из области космологии надеются на то, что им удастся лучше понять темную энергию, точно измерив ее воздействие на Вселенную, проследить объекты, находящиеся в удаленных регионах Вселенной, понять, насколько они удалены, и как быстро они движутся в ускоряющихся потоках темной энергии. Но для этого ученым нужны надежные «стандартные свечи», то есть, объекты известной яркости, которые можно было бы использовать для калибровки этого огромного, всеохватывающего поля пространства-времени. Астрофизик Дэниэл Хольц (Daniel Holz), работающий в Чикагском университете и сотрудничающий с коллективом LIGO, продемонстрировал, каким образом сливающиеся нейтронные звезды могут способствовать этим усилиям. В своей работе он показывает, что силу гравитационных волн, образовавшихся в ходе последнего слияния, а также выбросы килоновой можно использовать для вычисления темпов расширения ближайших участков Вселенной. Этот метод ограничен всего одним слиянием, и поэтому получаемые с его помощью значения отличаются существенной неопределенностью, хотя они подтверждают те данные по темпам расширения, которые получены при использовании других методов. Но в предстоящие годы гравитационно-волновые обсерватории, а также наземные и космические телескопы нового поколения и больших размеров будут работать совместно, открывая сотни и даже тысячи столкновений нейтронных звезд ежегодно. В этом случае точность оценок заметно повысится.
«Что все это означает? А то, что измерения гравитационных волн от этих слияний, проведенные LIGO и Virgo, будут дополнены моделями килоновых, и тогда ученые смогут понять, каковы их наклонения и углы обзора, исследуя их спектральную эволюцию с переходом из синего в красный цвет». Об этом говорит астрофизик Ричард О"Шонесси (Richard O"Shaughnessy), работающий в Рочестерском технологическом институте и входящий в состав коллектива LIGO. «Это очень мощное объединение усилий. Если мы будем знать наклонение, мы сможем вычислить расстояние, А это будет очень полезно для космологии. То, что сделано сейчас, является прототипом того, что мы будем регулярно делать в будущем».
«Если хорошенько задуматься, то Вселенная представляет собой своего рода коллайдер космических частиц, и частицами в этом коллайдере являются нейтронные звезды, — говорит О"Шонесси. — Он сталкивает эти частицы, и теперь у нас появилась возможность понять, что из этого получается. В предстоящие годы мы увидим большое количество таких событий. Не знаю точно, сколько их будет, но люди уже называют это космическим дождем. Это даст нам реальные данные, позволяющие соединить очень разные и обрывистые нити астрофизики, которые прежде существовали лишь в умах теоретиков или в виде отдельных кусочков информации в моделях суперкомпьютеров. Это даст нам возможность понять причины изобилия тяжелых элементов в космосе. Это даст нам возможности для изучения мягкой и легко сжимаемой ядерной материи в условиях огромной плотности. Мы получим возможность измерить темпы расширения Вселенной. Такие совместные усилия предоставят обширные возможности астрофизике высоких энергий и поставят перед ней множество задач на предстоящие десятилетия. И основой такого сотрудничества станут многолетние инвестиции. Сегодня мы пожинаем плоды в виде огромной горы золота, масса которой в десятки или даже сотни раз превышает массу Земли. Этот подарок нам преподнесла Вселенная».
Ли Биллингс — заместитель главного редактора Scientific American. Он пишет о космосе и физике.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
МОСКВА, 18 фев — РИА Новости. Экспериментальное подтверждение существования гравитационных волн - "ряби" пространства-времени — стало грандиозным успехом мировой астрофизики и своеобразным подарком Альберту Эйнштейну к 100-летию его общей теории относительности, считают участники Московской группы коллаборации LIGO.
Индия построит лабораторию для изучения гравитационных волн В рамках проекта, который будет реализован в сотрудничестве с обсерваторией LIGO в США, специалисты, в частности, построят восьмикилометровую лучевую трубку в сверхвысоком вакууме.Гравитационные волны были впервые в истории зафиксированы 14 сентября 2015 года детекторами гравитационной обсерватории LIGO в американских штатах Луизиана и Вашингтон. Ученым из Массачусетского и Калифорнийского технологических институтов удалось зафиксировать "рябь" пространства-времени от катастрофического столкновения двух черных дыр в дальнем космосе.
Масса этих черных дыр в 29 и 36 раз превышала массы Солнца, а само слияние произошло 1,3 миллиарда лет назад, но двигающаяся со скоростью света гравитационная волна дошла до Земли лишь сейчас.
Новый прорыв
Одно из главных достижений проекта по обнаружению гравитационных волн - это то, что теоретические данные полностью совпали с реальным экспериментом. Ученые сумели показать, что излучение гравитационных волн произошло именно в результате слияния двух черных дыр, заявил РИА Новости заведующий кафедрой физики колебаний физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова доктор физико-математических наук Сергей Вятчанин.
"Поймали, во-первых, на двух антеннах (двух детекторах, которые разделяет 3 тысячи километров), а во-вторых сформулировали сценарий, и он "лег", так сказать. Вот это огромное достижение… Это черные дыры, 30 солнечных масс, слились, … и последняя агония этого слияния и дала этот огромный всплеск", — сказал ученый.
Профессор физического факультета МГУ, руководитель Московской группы коллаборации LIGO Валерий Митрофанов отметил, что существование гравитационных волн уже давно не ставилось научным сообществом под сомнение.
Многие ученые, которые занимаются другими темами, уже думали над тем, как данное явление может быть использовано в их исследованиях, хотя экспериментальное подтверждение существования волн гравитации состоялось только в сентябре 2015 года, отметил профессор.
Еще полгода ушли на тщательнейшую проверку полученных данных, и когда стало ясно, что ошибка практически исключена (на 100% она исключена не может быть, в принципе), было объявлено об открытии - без сомнений, одном из крупнейших в истории астрофизики.
Технологии появятся нескоро
Регистрация гравитационных волн открывает новые возможности для развития науки, однако практические технологии на основе данного явления появятся нескоро, считают физики.
"Очень трудно рассчитывать на то, что открытие гравитационных волн будет способствовать повышению комфорта жизни", — иронизирует Вятчанин.
С другой стороны, он привел в пример открытие электромагнитных волн в XIX веке - когда оно было сделано, мало кто мог представить, что чуть ли не все технические новации XX века будут базироваться на этом явлении.
Ученые могут открыть новые источники гравитационных волн в этом году Открытие гравитационных волн позволит ученым регистрировать сигналы "черных дыр", заявил один из соавторов открытия Сергей Клименко. По его словам, чувствительность детекторов гравитационной обсерватории LIGO вырастет еще примерно в три раза.По словам Митрофанова, тема создания прикладных технологий, основанных на гравитационных волнах, очень интересная, и "может неожиданно сыграть" в будущем. Но в настоящее время трудно представить, когда и в какой форме эти технологии будут реализованы.
История Вселенной
Задача обнаружения реликтовых гравитационных волн, которые стали следствием событий, произошедших сразу после зарождения Вселенной, на порядок сложнее, чем детекция сигнала от такого большого и катастрофического события, как слияние черных дыр. Однако, по мнению российских ученых, в конце концов, эта задача будет решена, что позволит совершить значительный шаг в изучении истории Вселенной.
"Гравитационные волны не поглощаются материей, мы можем заглянуть в самые-самые начальные моменты после Большого взрыва, так скажем, когда, собственно, началась Вселенная и начала развиваться", — пояснил Митрофанов.
Вятчанин отметил, что обнаружение реликтового гравитационного фона - "значительно более сумасшедшая" задача, чем та, которая была решена коллаборацией LIGO. Однако в отдаленной перспективе человечество сможет создать достаточно чувствительные приборы, которые смогут "поймать" реликтовые гравитационные волны, что позволит "просеять" космологические теории и отделить те, которые не соответствуют полученным данным, указал профессор.
Темная материя
Одна из тайн Вселенных, в разгадке которой может помочь открытие, касается темной материи - загадочного вещества, которое, по расчетам, должно вместе с темной энергией составлять большую часть состава Вселенной, но при текущем уровне развития технологий не может быть обнаружено.
По словам Митрофанова, темная материя, возможно, способна испускать гравитационные волны и взаимодействовать с ними, но пока никаких указаний на это нет. Тем не менее, исследования на стыке изучения гравитационных волн и темной материи способны дать интересные результаты. Однако значимым открытиям будет предшествовать период накопления данных и обработки полученной информации, указал исследователь.
Сергей Вятчанин также придерживается мнения, что гравитационные волны можно использовать для изучения темной материи. Но ученый отметил, что к настоящему моменту не разработаны сценарии, которые бы описывали излучение гравитационных волн темной материей.
Проект LIGO — система из двух одинаковых детекторов, тщательно настроенных для детектирования невероятно малых смещений метрики пространства-времени от прохождения гравитационных волн. Детекторы расположены в 3 тысячах километров друг от друга.
Исследования осуществляются в рамках научной коллаборации LIGO (LSC — LIGO Scientific Collaboration) коллективом из более чем тысячи ученых из университетов США и 14 других стран, включая РФ. Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского университета и группой академического Института прикладной физики (Нижний Новгород).
Вчера мир потрясла сенсация: ученые наконец-то обнаружили гравитационные волны, существование которых предсказывал Эйнштейн еще сто лет назад. Это прорыв. Искажение пространства-времени (это и есть гравитационные волны - сейчас объясним, что к чему) обнаружили в обсерватории ЛИГО, а одним из ее основателей является - кто бы вы думали? - Кип Торн, автор книги .
Рассказываем, почему открытие гравитационных волн так важно, что сказал Марк Цукерберг и, конечно, делимся историей от первого лица. Кип Торн как никто другой знает, как устроен проект, в чем его необычность и какое значение ЛИГО имеет для человечества. Да-да, все так серьезно.
Открытие гравитационных волн
Научный мир навсегда запомнит дату 11 февраля 2016. В этот день участники проекта ЛИГО (LIGO) объявили: после стольких тщетных попыток гравитационные волны найдены. Это реальность. На самом деле их обнаружили немного раньше: в сентябре 2015 года, но вчера открытие было признано официально. В The Guardian считают, что ученые непременно получат Нобелевскую премию по физике.
Причина гравитационных волн - столкновение двух черных дыр, которое произошло аж… в миллиарде световых лет от Земли. Представляете, насколько огромна наша Вселенная! Так как черные дыры - очень массивные тела, они пускают «рябь» по пространству-времени, немного его искажая. Вот и появляются волны, похожие на те, которые распространяются от камня, брошенного в воду.
Вот так можно представить гравитационные волны, идущие к Земле, например, от червоточины. Рисунок из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
Полученные колебания преобразовали в звук. Интересно, что сигнал от гравитационных волн приходит примерно на той же частоте, что и наша речь. Так что мы можем своими ушами услышать, как сталкиваются черные дыры. Послушайте, как звучат гравитационные волны .
И знаете что? Совсем недавно , что черные дыры устроены не так, как считалось раньше. Но ведь доказательств того, что они в принципе существуют, не было вовсе. А теперь есть. Черные дыры действительно «живут» во Вселенной.
Так, по мнению ученых, выглядит катастрофа – слияние черных дыр, — .
11 февраля состоялась грандиозная конференция, куда съехались больше тысячи ученых из 15 стран. Российские ученые тоже присутствовали. И, конечно, не обошлось без Кипа Торна. «Это открытие - начало изумительного, великолепного квеста для людей: поиска и исследования искривленной стороны Вселенной - объектов и явлений, созданных из искаженного пространства-времени. Столкновение черных дыр и гравитационные волны - наши первые замечательные образцы», - сказал Кип Торн.
Поиск гравитационных волн был одной из главных проблем физики. Теперь они найдены. И гений Эйнштейна подтвержден вновь.
В октябре мы взяли интервью у Сергея Попова, отечественного астрофизика и известного популяризатора науки. Он как в воду глядел! Осенью : «Мне кажется, что сейчас мы стоим на пороге новых открытий, что в первую очередь связано с работой детекторов гравитационных волн LIGO и VIRGO (Кип Торн как раз внес большой вклад в создание проекта LIGO)». Удивительно, правда?
Гравитационные волны, детекторы волн и LIGO
Что ж, а теперь немного физики. Для тех, кто действительно хочется разобраться в том, что такое гравитационные волны. Вот художественное изображение тендекс-линий двух черных дыр, которые вращаются по орбитам друг вокруг друга, против часовой стрелки, и затем сталкиваются. Тендекс-линии порождают приливную гравитацию. Идем дальше. Линии, которые исходят из двух наиболее удаленных друг от друга точек на поверхностях пары черных дыр, растягивают все на своем пути, включая попавшую на рисунок подругу художницы. Линии же, исходящие из области столкновения, все сжимают.
Когда дыры вращаются одна вокруг другой, они увлекают следом свои тендекс-линии, которые походят на струи воды из крутящейся поливалки на газоне. На рисунке из книги «Интерстеллар. Наука за кадром» - пара черных дыр, которые сталкиваются, вращаясь одна вокруг другой против часовой стрелки, и их тендекс-линии.
Черные дыры объединяются в одну большую дыру; она деформирована и вращается против часовой стрелки, увлекая за собой тендекс-линии. Неподвижный наблюдатель, находящийся вдали от дыры, почувствует колебания, когда через него будут проходить тендекс-линии: растяжение, затем сжатие, затем растяжение - тендекс-линии стали гравитационной волной. По мере распространения волн деформация черной дыры постепенно уменьшается, и волны также ослабевают.
Когда эти волны достигают Земли, они имеют вид, показанный в верхней части рисунка ниже. Они растягивают в одном направлении и сжимают в другом. Растяжения и сжатия колеблются (от красного вправо-влево, к синему вправо-влево, к красному вправо-влево и т. д.) по мере того, как волны проходят через детектор в нижней части рисунка.
Гравитационные волны, проходящие через детектор ЛИГО.
Детектор представляет собой четыре больших зеркала (40 килограммов, 34 сантиметра в диаметре), которые закреплены на концах двух перпендикулярных труб, называемых плечами детектора. Тендекс-линии гравитационных волн растягивают одно плечо, сжимая при этом второе, а затем, наоборот, сжимают первое и растягивают второе. И так снова и снова. При периодическом изменении длины плеч зеркала смещаются друг относительно друга, и эти смещения отслеживаются с помощью лазерных лучей способом, который называется интерферометрией. Отсюда и название ЛИГО: Лазерно-интерферометрическая гравитационноволновая обсерватория.
Центр управления ЛИГО, откуда отправляют команды детектору и следят за полученными сигналами. Гравитационные детекторы ЛИГО расположены в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана. Фото из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
Сейчас ЛИГО - интернациональный проект, в котором участвует 900 ученых из разных стран, со штабом, расположенным в Калифорнийском технологическом институте.
Искривленная сторона Вселенной
Черные дыры, червоточины, сингулярности, гравитационные аномалии и измерения высшего порядка связаны с искривлениями пространства и времени. Поэтому Кип Торн называет их «искривленной стороной Вселенной». У человечества до сих пор очень мало экспериментальных и наблюдательных данных с искривленной стороны Вселенной. Вот почему мы столько внимания отдаем гравитационным волнам: они состоят из искривленного пространства и предоставляют наиболее доступный для нас способ исследовать искривленную сторону.
Представьте, что вам приходилось видеть океан, только когда он спокоен. Вы бы знать не знали о течениях, водоворотах и штормовых волнах. Это напоминает наши сегодняшние знания об искривлении пространства и времени.
Мы почти ничего не знаем о том, как искривленное пространство и искривленное время ведут себя «в шторм» - когда форма пространства бурно колеблется и когда колеблется скорость течения времени. Это необыкновенно манящий рубеж знаний. Ученый Джон Уилер придумал для этих изменений термин «геометродинамика»
Особый интерес в области геометродинамики представляет столкновение двух черных дыр.
Столкновение двух невращающихся черных дыр. Модель из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
На рисунке выше изображен момент столкновения двух черных дыр. Как раз такое событие позволило ученым зафиксировать гравитационные волны. Эта модель построена для невращающихся черных дыр. Сверху: орбиты и тени дыр, вид из нашей Вселенной. Посередине: искривленное пространство и время, вид из балка (многомерного гиперпространства); стрелками показано, как пространство вовлекается в движение, а изменяющимися цветами - как искривляется время. Снизу: форма испускаемых гравитационных волн.
Гравитационные волны от Большого взрыва
Слово Кипу Торну. «В 1975 году Леонид Грищук, мой добрый приятель из России, сделал сенсационное заявление. Он сказал, что в момент Большого взрыва возникло множество гравитационных волн, причем механизм их возникновения (прежде неизвестный) был таков: квантовые флуктуации (случайные колебания - прим. ред) гравитационного поля при Большом взрыве были многократно усилены первоначальным расширением Вселенной и так стали изначальными гравитационными волнами. Эти волны, если их удастся обнаружить, могут рассказать нам, что происходило в момент зарождения нашей Вселенной».
Если ученые найдут первоначальные гравитационные волны, мы узнаем, как зародилась Вселенная.
Люди разгадали далеко на все загадки Вселенной. Все еще впереди.
В последующие годы, по мере того как совершенствовались наши представления о Большом взрыве, стало очевидно: эти изначальные волны должны быть сильными на длинах волн, соизмеримых с величиной видимой Вселенной, то есть на длинах в миллиарды световых лет. Представляете, сколько это?.. А на длинах волн, которые охватывают детекторы ЛИГО (сотни и тысячи километров), волны, скорее всего, окажутся слишком слабыми, чтобы их распознать.
Команда Джейми Бока построила аппарат BICEP2 , с помощью которого был обнаружен след изначальных гравитационных волн. Аппарат, находящийся на Северном полюсе, показан здесь во время сумерек, которые бывают там лишь дважды в год.
Аппарат BICEP2 . Изображение из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
Он окружен щитами, экранирующими аппарат от излучения окружающего ледяного покрова. В правом верхнем углу показан обнаруженный в реликтовом излучении след - поляризационный узор. Линии электрического поля направлены вдоль коротких светлых штрихов.
След начала Вселенной
В начале девяностых космологи поняли, что эти гравитационные волны длиной в миллиарды световых лет должны были оставить уникальный след в электромагнитных волнах, наполняющих Вселенную, - в так называемом космическом микроволновом фоне, или реликтовом излучении. Это положило начало поискам святого Грааля. Ведь если обнаружить этот след и вывести из него свойства изначальных гравитационных волн, можно узнать, как зарождалась Вселенная.
В марте 2014 года, когда Кип Торн писал эту книгу, команда Джеми Бока, космолога из Калтеха, кабинет которого находится рядом с кабинетом Торна, наконец обнаружила этот след в реликтовом излучении.
Это совершенно потрясающее открытие, но есть один спорный момент: след, найденный командой Джеми, мог быть вызван не гравитационными волнами, а чем-то еще.
Если действительно найден след гравитационных волн, возникших при Большом взрыве, значит, произошло космологическое открытие такого уровня, какие случаются, быть может, раз в полвека. Оно дает шанс прикоснуться к событиям, которые происходили спустя триллионную от триллионной от триллионной доли секунды после рождения Вселенной.
Это открытие подтверждает теории, гласящие, что расширение Вселенной в тот миг было чрезвычайно быстрым, на сленге космологов - инфляционно быстрым. И возвещает наступление новой эры в космологии.
Гравитационные волны и «Интерстеллар»
Вчера на конференции по поводу открытия гравитационных волн Валерий Митрофанов, руководитель московской коллаборации ученых LIGO, в которую входят 8 ученых из МГУ, отметил, что сюжет фильма «Интерстеллар» хоть и фантастичен, но не так далек от действительности. А все потому, что научным консультантом был Кип Торн. Сам же Торн выразил надежду, что верит в будущие пилотируемые полеты человека к черной дыре. Пусть они случатся не так скоро, как хотелось бы, и все же сегодня это намного реальнее, чем было раньше.
Не так уж и далек день, когда люди покинут пределы нашей галактики.
Событие всколыхнуло умы миллионов людей. Небезызвестный Марк Цукерберг написал: «Обнаружение гравитационных волн - самое большое открытие в современной науке. Альберт Эйнштейн - один из моих героев, поэтому я воспринял открытие так близко. Столетие назад в рамках Общей Теории Относительности (ОТО) он предсказал существование гравитационных волн. А ведь они так малы, чтобы их обнаружить, что пришло искать их в истоках таких событий, как Большой взрыв, взрывы звезд и столкновения черных дыр. Когда ученые проанализируют полученные данные, перед нами откроется совершенной новый взгляд на космос. И, возможно, это прольет свет на происхождение Вселенной, рождение и процесс развития черных дыр. Это очень вдохновляет - думать о том, сколько жизней и усилий было положено на то, чтобы сорвать покров с этой тайны Вселенной. Этот прорыв стал возможным благодаря таланту блистательных ученых и инженеров, людей разных национальностей, а также новейшим компьютерным технологиям, которые появились только недавно. Поздравляю всех причастных. Эйнштейн бы вами гордился».
Такая вот речь. И это человек, который просто интересуется наукой. Можно себе представить, какая буря эмоций захлестнула ученых, которые внесли свою лепту в открытие. Кажется, мы стали свидетелями новой эры, друзья. Это поразительно.
P.S.: Понравилось? Подписывайтесь на нашу рассылку по кругозору . Раз в неделю присылаем познавательные письма и дарим скидки на книги МИФа.
Глядя на рябь в ткани пространства-времени, ученые надеются вскоре обнаружить «странные звезды» - объекты, созданные из принципиально других частиц, из которых не состоит обычная материя. Протоны и нейтроны, составляющие ядро атома, состоят из
Глядя на рябь в ткани пространства-времени, ученые надеются вскоре обнаружить «странные звезды» - объекты, созданные из принципиально других частиц, из которых не состоит обычная материя.
Протоны и нейтроны, составляющие ядро атома, состоят из нескольких основных частиц, известных как кварки. Есть шесть типов, или «ароматов», кварков: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Каждый протон или нейтрон состоит из трех кварков: протон из двух верхних кварков и одного нижнего; нейтрон из двух нижних и одного верхнего.
В теории материя может состоять из кварков других ароматов. С 1970-х годов ученые предполагают, что частицы «странной материи», известные как страпельки, состоящие из равного количества верхних, нижних и странных кварков, могут существовать. В принципе, странная материя должна быть тяжелее и более стабильна, чем обычная, также она может превращать обычную материю, с которой вступает в контакт, в странную материю. Однако лабораторные эксперименты пока не создали никакой странной материи, поэтому ее существование остается под вопросом.
Одно из мест, в котором странная материя может появляться естественным путем, может быть внутренность нейтронных звезд, останков звезд, которые умирают в катастрофическом взрыве сверхновой. Нейтронные звезды, как правило, небольшие - в пределах 19 километров или около того - но настолько плотные, что их вес соизмерим с солнечным. Кусок нейтронной звезды размером с кубик сахара может весить 100 миллионов тонн.
Под действием чрезвычайной силы этого экстремального веса некоторые из верхних и нижних кварков, составляющих нейтронную звезду, могут преобразовываться в странные кварки, а значит, и в странные звезды, состоящие из странной материи, считают ученые.
Странная звезда, состоящая из странной материи, может быстро превратить в странную звезду и нейтронную звезду, вращающуюся в двоичной системе звезд. Исследования показали, что нейтронная звезда, получившая семя странной материи от компаньона, странной звезды, может стать странной звездой всего за 1 миллисекунду.
Теперь исследователи предполагают, что могут обнаружить странные звезды, наблюдая за гравитационными волнами - невидимой рябью пространства-времени, впервые предположенной Альбертом Эйнштейном в рамках общей теории относительности.
Гравитационные волны излучаются за счет ускорения масс. По-настоящему большие гравитационные волны излучаются очень и очень большими массами, к примеру, нейтронными звездами, которые сливаются воедино.
Пары странных звезд должны испускать гравитационные волны, которые будут отличаться от тех, что испускают «нормальные» нейтронные звезды, потому что странные звезды должны быть более компактными, по мнению ученых. К примеру, нейтронная звезда с массой в одну пятую солнечной будет более 30 километров в диаметре, тогда как странная звезда с такой же массой будет максимум 10 километров в поперечнике.
Ученые предполагают, что события, связанные со странными звездами, должны объяснить два коротких гамма-всплеска - гигантских взрывов длительностью менее 2 секунд - замеченных в глубоком космосе в 2005 и 2007 годах. Обсерватория LIGO не зафиксировала гравитационные волны от этих событий (GRB 051103 и GRB 070201).
Слияние нейтронных звезд подходит в качестве объяснения коротких гамма-всплесков, но тогда LIGO должна была зафиксировать гравитационные волны этих слияний. Однако, если в оба события были вовлечены странные звезды, LIGO не обнаружила бы никаких гравитационных волн, отмечают ученые. Чем компактнее звезда в двойной системе звезд, тем выше будет частота гравитационных волн.
В будущем ученые надеются обнаружить события слияний странных звезд. Используя продвинутый вариант обсерватории LIGO (aLIGO), которая заработает в 2015 году, ученые планируют обнаружить порядка 0,13 слияний нейтронных звезд со странными звездами в год, или одно слияние раз в семь лет. Используя телескоп Эйнштейна, который в настоящее время разрабатывается в Евросоюзе, ученые смогут фиксировать до 700 таких событий в год, или по два в день.
Есть также шанс того, что ученые пересмотрят данные LIGO о событиях 2005 и 2007 годов и найдут признаки участия странных звезд.
«Возможность повторного анализа сигналов LIGO GRB 070201 и GRB 051103, принимая во внимание некоторые возможные случаи с участием странных звезд, весьма интересна», - рассказал ведущий автор работы, астрофизик Педро Моралес, ресурсу Space.com. Вместе с коллегой Освальдо Миранда Моралес опубликовал свои выводы в недавнем выпуске журнала Monthly Notices.