На Солнце появилось сразу пять солнечных пятен

© Фото: SOHO/NASA

Развитие коронального выброса плазмы. Фото NASA/STEREO

На Солнце произошел мощный выброс плазмы

В воскресенье, 1 августа, на Солнце произошел мощный корональный выброс плазмы (заряженных частиц), направленный к Земле. Ожидается, что плазма достигнет нашей планеты четвертого августа, сообщается в пресс-релизе на сайте NASA.

Произошедший выброс, зафиксированный запущенным в феврале аппаратом SDO (Solar Dynamics Observatory), был не самым большим из возможных, но тем не менее астрономы полагают, что его последствия будут отчетливо заметны на Земле четвертого августа (солнечная плазма движется с огромной - порядка миллиона километров в час - скоростью и способна добраться до нашей планеты за три дня). Ученые ожидают, что в среду в высоких широтах можно будет наблюдать полярные сияния, являющиеся результатом взаимодействия заряженных частиц с молекулами атмосферных азота и кислорода. Частицы солнечной плазмы сталкиваются с газами, "стекая" по линиям магнитного поля, окружающего Землю.

С мнением американских астрономов о скором проявлении последствий выброса на Земле согласны не все их коллеги. Так, сотрудник Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца физического института имени Лебедева (ФИАН) Сергей Богачев считает, что плазма движется не точно по направлению к Земле. Ученый отмечает, что SDO не может "видеть" Солнце в перспективе, поэтому только с его помощью невозможно точно определить направление выброса. В то же время коронограф, которым оснащена орбитальная обсерватория SOHO, показал, что плазма не должна "встретиться" с Землей. Слова Богачева приводит РИА Новости.

Как отмечают специалисты NASA, произошедшая вспышка, независимо от того, дойдет она до Земли или нет, может служить сигналом постепенного "пробуждения" Солнца. Последний максимум активности пришелся на 2001 год, а после звезда вошла в фазу минимума активности, которая аномально затянулась.

11 июня, 06:35 | Павел КРАСНОВ

Space Telescope Sifts Earth Storms for Radiation Flashes By Jeremy Hsu SPACE.com Contributor posted: 19 February 2010 10:22 am ET

A NASA space telescope hunting for the most powerful explosions in the universe is turning its eye on Earth to hunt for tiny flashes of radiation to determine if they pose a rare, but deadly, threat to high-flying commercial airliners.

NASA's Fermi Gamma-Ray Space Telescope has joined the search for mysterious gamma-ray flashes above thunderstorms which are ultra-brief, but could be a concern for air travelers, researchers said.

Just one millisecond blast of the so-called terrestrial gamma-ray flashes (TGFs) could expose passengers and crew aboard a nearby jet airliner to the same level of radiation as 400 chest X-rays, according to a recent study.

Fermi, which NASA originally launched to seek out gamma-ray bursts — immensely powerful explosions in deep space, usually from a dying star — joined in the hunt several months ago to possibly uncover more about when and how TGFs occur around thunderstorms and lightning.

To do that, scientists are using one of the telescope's monitoring sensors.

"Fermi-GBM [Gamma-Ray Burst Monitor] has the broadest energy coverage and highest sensitivity of any instruments that have observed, or will observe TGFs," said Jerry Fishman, an astrophysicist at NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Ala.

Scientists first discovered the existence of TGFs by accident, when the Compton Gamma-Ray Observatory detected a flash in 1991. But they still don't know if it is lightning that triggers the phenomenon or whether TGFs provide the quick burst of electrons that may spark a lightning strike.

"The current hypothesis of the origin of TGFs is that they come from an avalanche of relativistic [high-energy] electrons in the intense electric fields within or above thunderstorms," Fishman told SPACE.com. The theory fits both observations and computer simulations so far.

A football-sized satellite called Firefly is slated to take simultaneous measurements of lightning and TGFs, and may launch this year or next year. But even that mission dedicated to studying TGFs won't match the sensitivity of Fermi's gamma-ray detector.

Still, retooling Fermi's sensitive monitor to pick up TGFs required some new programming. The instrument typically relies upon a dozen low-energy detectors to observe distant cosmic gamma-ray bursts, but it also has two high-energy detectors.

Scientists uploaded new software last November that allows the instrument to trigger in response to high-energy events such as TGFs, Fishman explained. The change has allowed research teams to find seven times as many TGF events compared to before, at a rate of about two per week.

Fermi's GBM timing accuracy can also pinpoint a flash to within two microseconds, or two one-millionths of a second. That may help the Firefly mission pinpoint whether lightning or TGFs strike first, so to speak.

For now, the TGFs appear completely unrelated to the cosmic gamma-ray cousins that the Fermi Gamma-Ray Space Telescope set out to study. But it's a mystery closer to home that has proven just as intriguing as any astrophysics puzzle.

"Their spectrum [energy spread] is unlike anything ever seen from cosmic gamma-ray objects," Fishman said.

Terrestrial Gamma-Ray Flashes (TGFs) associated with tropical thunderstorms

14 Feb 2010

The AGILE space mission is detecting a special type of lightning that emit intense gamma-ray radiation of large intensity. This lightning phenomenon is observed to be concentrated especially in the equatorial region. AGILE is a space mission of the Italian Space Agency (ASI) with participation of the Italian Institute of Astrophysics (INAF) and the Italian Institute of Nuclear Physics (INFN). It is focused on the study of the Universe at gamma-ray energies, but it can also detect phenomena originating in the Earth atmosphere.
 
AGILE is indeed detecting  Terrestrial Gamma-Ray Flashes (TGFs) associated with tropical thunderstorms. They typically last a few thousandths of a second, and they produce a very intense pulse of gamma-rays. AGILE joins other satellites in orbit in detecting TGFs, but its unique capability of detecting photons of the highest energies within the shortest time make AGILE an ideal istrument to study these impulsive phenomena. AGILE determined that the maximal photon energy involved in TGFs is larger than many tens of Megaelectronvolts, i.e., at least hundreds of times larger than what measured for normal lightning. Particles are accelerated by the intense TGF electric fields and copiously produce gamma-rays. The AGILE Team recently published a paper on this subject in the Journal of Geophysical Research.

The detection of this extreme atmospheric phenomenon led the AGILE Team to pay the highest attention to TGFs, and to evaluate together with the Italian Aviation Authority (ENAC) the possible effect on aircraft traveling near the TGF producing storms. The hypothesis of a possible effect on aircraft has been formulated in a paper recently submitted by the AGILE Team to a scientific journal. The special equatorial orbit of the satellite and its detection capability provide a unique opportunity for AGILE to gather information of interest to aircraft flying in that region.

“This super-lightning phenomenon associated to TGFs is of the greatest importance”, says Marco Tavani, Principal Investigator of the AGILE Mission. “We need  to focus on these remarkable and energetic atmospheric flashes. The AGILE instrument is currently the best in orbit to detect these very rapid events lasting only a few milliseconds. We can easily determine the TGF position on Earth and rapidly communicate this information to the ground”.

“The AGILE satellite demonstrates to be a very useful mission also for Earth observations”, says Paolo Giommi, Director of the ASI Science Data Center in Frascati.
“It demonstrates that special instruments and techniques originally conceived to study cosmic events in our “violent Universe” can be effectively used to observe our planet Earth and possibly to improve aircraft safety”.

April 21, 2010

(PhysOrg.com) -- NASA's recently launched Solar Dynamics Observatory, or SDO, is returning early images that confirm an unprecedented new capability for scientists to better understand our sun’s dynamic processes. These solar activities affect everything on Earth.

Solar Power 101 training - Intro training for executives who are new to the solar industry - www.GreenPowerConferences.com/solar

Some of the images from the spacecraft show never-before-seen detail of material streaming outward and away from sunspots. Others show extreme close-ups of activity on the sun’s surface. The spacecraft also has made the first high-resolution measurements of solar flares in a broad range of extreme ultraviolet wavelengths.

"These initial images show a dynamic sun that I had never seen in more than 40 years of solar research,” said Richard Fisher, director of the Heliophysics Division at NASA Headquarters in Washington. "SDO will change our understanding of the sun and its processes, which affect our lives and society. This mission will have a huge impact on science, similar to the impact of the Hubble Space Telescope on modern astrophysics.”

Launched on Feb. 11, 2010, SDO is the most advanced spacecraft ever designed to study the sun. During its five-year mission, it will examine the sun's magnetic field and also provide a better understanding of the role the sun plays in Earth's atmospheric chemistry and climate. Since launch, engineers have been conducting testing and verification of the spacecraft’s components. Now fully operational, SDO will provide images with clarity 10 times better than high-definition television and will return more comprehensive science data faster than any other solar observing spacecraft.

A movie of the March 30, 2010 prominence eruption, starting with a zoomed in view. The twisting motion of the material is the most noticeable feature. The viewpoint then pulls out to show the entire Sun.

var s1 = new SWFObject('http://www.physorg.com/func/flv/player.swf','player','440','330','9'); s1.addParam('allowfullscreen','true'); s1.addParam('allowscriptaccess','always'); s1.addParam('flashvars','file=http://cdn.physorg.com/newman/gfx/video/445814main_Pesnell_7-Prominence-H264.flv&stretching=uniformℑ=http://www.physorg.com/newman/gfx/video_tmb/445814main_Pesnell_7-Prominence-H264.flv.jpg'); s1.write('VIDpreview1407'); SDO will determine how the sun's magnetic field is generated, structured and converted into violent solar events such as turbulent solar wind, solar flares and coronal mass ejections. These immense clouds of material, when directed toward Earth, can cause large magnetic storms in our planet’s magnetosphere and upper atmosphere.

SDO will provide critical data that will improve the ability to predict these space weather events. NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Md., built, operates and manages the SDO spacecraft for the agency’s Science Mission Directorate in Washington.
google_protectAndRun("ads_core.google_render_ad", google_handleError, google_render_ad);

Precision Pyranometers - Rugged silicon cell pyranometers with excellent cosine response. - www.apogeeinstruments.com

“I’m so proud of our brilliant work force at Goddard, which is rewriting science textbooks once again.” said Sen. Barbara Mikulski, D-Md., chairwoman of the Commerce, Justice and Science Appropriations Subcommittee that funds NASA. “This time Goddard is shedding new light on our closest star, the sun, discovering new information about powerful solar flares that affect us here on Earth by damaging communication satellites and temporarily knocking out power grids. Better data means more accurate solar storm warnings.”

Space weather has been recognized as a cause of technological problems since the invention of the telegraph in the 19th century. These events produce disturbances in electromagnetic fields on Earth that can induce extreme currents in wires, disrupting power lines and causing widespread blackouts. These solar storms can interfere with communications between ground controllers, satellites and airplane pilots flying near Earth's poles. Radio noise from the storm also can disrupt cell phone service.
SDO will send 1.5 terabytes of data back to Earth each day, which is equivalent to a daily download of half a million songs onto an MP3 player. The observatory carries three state-of the-art instruments for conducting solar research.

This image compares the relative size of SDO's imagery to that of other missions. Credit: NASA

The Helioseismic and Magnetic Imager maps solar magnetic fields and looks beneath the sun’s opaque surface. The experiment will decipher the physics of the sun’s activity, taking pictures in several very narrow bands of visible light. Scientists will be able to make ultrasound images of the sun and study active regions in a way similar to watching sand shift in a desert dune. The instrument’s principal investigator is Phil Scherrer of Stanford University. HMI was built by a collaboration of Stanford University and the Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory in Palo Alto, Calif.

The Atmospheric Imaging Assembly is a group of four telescopes designed to photograph the sun’s surface and atmosphere. The instrument covers 10 different wavelength bands, or colors, selected to reveal key aspects of solar activity. These types of images will show details never seen before by scientists. The principal investigator is Alan Title of the Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory, which built the instrument.

The Extreme Ultraviolet Variability Experiment measures fluctuations in the sun’s radiant emissions. These emissions have a direct and powerful effect on Earth’s upper atmosphere -- heating it, puffing it up, and breaking apart atoms and molecules. Researchers don’t know how fast the sun can vary at many of these wavelengths, so they expect to make discoveries about flare events. The principal investigator is Tom Woods of the Laboratory for Atmospheric and Space Physics at the University of Colorado, Boulder. LASP built the instrument.

"These amazing images, which show our dynamic sun in a new level of detail, are only the beginning of SDO's contribution to our understanding of the sun," said SDO Project Scientist Dean Pesnell of Goddard.

SDO is the first mission of NASA's Living with a Star Program, or LWS, and the crown jewel in a fleet of NASA missions that study our sun and space environment. The goal of LWS is to develop the scientific understanding necessary to address those aspects of the connected sun-Earth system that directly affect our lives and society.

Спутник "Коронас-ФОТОН". Фото с сайта tesis.lebedev.ru

Выключили свет

Россия осталась без единственного научного спутника

В воскресенье, 18 апреля 2010 года, стало известно, что единственный российский научный спутник можно считать окончательно вышедшим из строя. В общей сложности аппарат не проработал и года из заявленных трех гарантийных лет.

Еще в январе 2010 года стало ясно, что из-за неполадок с электроснабжением спутник, скорее всего, будет потерян. Об этом РИА Новости заявил научный руководитель проекта, директор Института астрофизики МИФИ Юрий Котов. Однако у инженеров оставалась слабая надежда - в апреле 2010 года аппарат должен был выйти на бестеневые орбиты, что, теоретически, могло реанимировать аппарат.

Этой надежде не суждено было сбыться: с 5 по 18 апреля в течение 322 часов аппарат непрерывно освещался Солнцем, и его батареи должны были работать на полную, снабжая "Коронас-ФОТОН" энергией. Однако оказалось, что в настоящее время спутник ориентирован неправильно - он повернут к Земле, а не к Солнцу (что, помимо всего прочего, указывает на выход из строя систем ориентации аппарата), из-за чего солнечные батареи выдают лишь доли от необходимой мощности.

История "Коронасов"

Изучение физики Солнца - одна из фундаментальных областей астрофизики, которая как никакая другая близка людям, далеким от науки. Выбросы на Солнце могут представлять серьезную опасность: магнитные бури, вызываемые потоками заряженных частиц, влияют на самочувствие людей (по данным медиков, к ним чувствительны примерно 10-15 процентов населения), воздействуют на радиосвязь и даже способны вызвать перебои в электроснабжении - например, в 1989 году солнечные выбросы оставили без электричества Квебек.

Ориентация в пространстве для космических аппаратов, питающихся от солнечных батарей, является ключевой. Так, например, в 2001 году был потерян космический аппарат Yohkoh. Система ориентации спутника во время затмения развернула его так, что батареи спутника повернулись к звезде тыльной стороной. В результате, когда Солнце вышло, Yohkoh не смог зарядить батареи и перешел в нерабочее состояние.

В 1992 году Российская академия наук и Академия наук Украины приняли решении о запуске на орбиту сразу трех аппаратов для мониторинга активности нового солнечного цикла (активность нашего светила меняется с периодом примерно в 11 лет). Планировалось, что спутники "Коронас-И", "Коронас-Ф" и "Коронас-ФОТОН" (Комплексные ОРбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца) полетят в 1993, 1994 и 1995 годах соответственно. Аппараты должны были изучать светило сообща, и у каждого из них была собственная научная специализация.

Из-за недостаточного финансирования этим планам не суждено было сбыться. "Коронас-И" был запущен в 1994 году, а "Коронас-Ф" - только в 2001 году. Соответственно, ко времени запуска "Коронас-ФОТОНа", который состоялся в 2009 году, оба аппарата уже давно были выведены из строя.

К слову, запуск последнего "Коронаса" тоже прошел не совсем гладко. Первая попытка запустить спутник, состоявшаяся 29 января 2009 года, сорвалась - в процессе отделения ферм крепления стартового стола от ракеты-носителя произошел сбой в закрытии дренажного клапана ее второй ступени. Поломка произошла чуть более чем за минуту до запланированного времени старта. В результате запуск был перенесен на сутки и состоялся 30 января 2009 года на космодроме Плесецк. На орбиту "Коронас-ФОТОН", который стал первым российским научным спутником за последние 9 лет, был выведен при помощи ракеты-носителя "Циклон-3".

На орбите

На борту космического аппарата "Коронас-ФОТОН" установлено большое количество научной аппаратуры, полный список которой доступен тут. Среди прочего аппарат был "вооружен" телескопом "Тесис", который и позволял получать изображение полного диска Солнца.

В настоящее время Солнце постепенно выходит из аномально длительного периода спокойствия, поэтому ученые ожидали получить от аппарата большое количество уникальных данных.

Сначала "Коронас-ФОТОН" не разочаровал ученых - первые снимки были получены аппаратом спустя менее месяца его пребывания на орбите. Кроме этого аппарат поучаствовал в совместном российско-японском проекте: в течение 6 дней "Коронас-ФОТОН" синхронно со спутником Hinode фотографировал светило с разных точек. В общей сложности было сделано около 50 тысяч снимков.

Однако с сентября на российском аппарате начались неполадки в системе электроснабжения - приборы, установленные на спутнике, начали неожиданно переходить в аварийный режим. Эти сбои хоть и мешали ученым работать, однако не были критическими. Гораздо больше исследователей беспокоил другой факт - частота сбоев постепенно увеличивалась.

Последующий анализ неполадок показал, что источником неприятностей стали химические аккумуляторы, используемые для хранения собираемой солнечными батареями энергии. Оказалось, что энергопотребление аппаратуры аппарата было рассчитано неправильно, поэтому аккумуляторы износились много раньше гарантийного срока.

Как бы то ни было, 30 ноября 2009 года стало последним днем, когда "Коронас-ФОТОН" передал на Землю научные данные. В течение нескольких суток ученые пытались дистанционно реанимировать аппарат. Таким образом, учитывая время, когда аппарат работал с регулярными сбоями, "Коронас-ФОТОН" прослужил на орбите всего 278 дней из заявленных 1095.

Что дальше?

Модель спутника "Коронас-ФОТОН" с сайта проекта

Сами ученые говорят, что надежда потеряна, однако последнее слово в этом вопросе остается за Федеральным космическим агентством, за которым закреплено право объявить миссию "мертвой". Возникает резонный вопрос: и что теперь?

Некоторое время назад об этом рассказал РИА Новости сотрудник Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН) Сергей Богачев. По его словам, в настоящее время для изучения Солнца разрабатывается проект космического аппарата нового поколения "Коронас-4" (неформальное название нового проекта - Solaris). Это позже подтвердил агентству анонимный источник в космической отрасли: секция "Солнечная система" Совета по космосу РАН в конце марта рекомендовала включить в Федеральную космическую программу проект новой солнечной обсерватории.

Сами ученые пока осторожно говорят о сроках. Так, здесь говорится, что вполне реальными представляются сроки до 2020 года. Часть приборов может быть изготовлена уже к середине 2014 года.

Хочется надеяться, что новый аппарат не повторит судьбу своего предшественника. Пока новая обсерватория строится, Россия будет вынуждена обходиться без собственного источника информации о Солнце. А значит, в течение 10 последующих лет нам придется полагаться исключительно на данные зарубежных систем SOHO и GOES.

Выброс протуберанца. Изображение с сайта sohodata.nascom.nasa.gov

Солнце выбросило гигантский протуберанец

Процесс занял около двух часов и был запечатлен запущенным в 1995 году аппаратом для наблюдений за светилом SOHO. Посмотреть, как развивались события, можно на сайте проекта SOHO. Для этого необходимо выбрать в меню "Image Type" LASCO C2, а в меню выбора даты задать промежуток с 13 по 14 апреля 2010 года. LASCO C2 - это одна из камер аппарата, передающая изображения, полученные широкоугольным спектрометром-коронографом LASCO (Large Angle Spectrometric Coronagraph).

Астрономы полагают, что Солнце постепенно выходит из необычно долгой "спячки" и активизируется. Новый 11-летний цикл активности светила должен был начаться еще в мае 2009 года, однако фаза затишья аномально затянулась.

Наивные вопросы создателю

Алексей Торгашев

Открытия в космологии перевернули наши представления о том, как зарождалась Вселенная. Новые теории ставят в тупик неподготовленный ум — одно лишь положение о множественности вселенных чего стоит. Вопросы возникают по всем пунктам этой уже практически признанной всеми инфляционной модели. Алексей Старобинский, главный научный сотрудник Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау, и Андрей Линде, профессор Стэнфордского университета, ответили корреспонденту «РР» на некоторые из них

Историю возникновения Вселенной я слышал неоднократно, причем от самого создателя. Нет, не мира, а инфляционной теории, но зато эта теория как раз рождение мира и описывает. Создателя зовут Алексей Старобинский, именно он в 1979 году опубликовал в журнале «Письма в ЖЭТФ» статью о том, как экспериментально узнать, что было до Большого взрыва. Три десятка лет инфляционной теорией занимались многие исследователи: было построено несколько моделей, ее проверили в наблюдениях за реликтовым излучением, и в результате мы имеем следующую картину.

13–14 млрд лет назад наша Вселенная возникла из небольшого пузырька высокоэнергетического вакуума. Размером пузырек был около 10−27 сантиметра или на несколько порядков больше, и в нем тогда была сосредоточена вся материя нынешней Вселенной. Той, которую мы сейчас можем видеть.

За доли секунды пузырек многократно раздулся и стал размером уже в сантиметры. Этот процесс назвали инфляцией — раздуванием, отсюда и название теории. Потом Вселенная продолжала расширяться, но уже медленнее. Плотность энергии падала, а сама энергия переходила в другие виды материи, например в вещество. Появились частицы, из них — звезды и галактики. В результате мир пришел к современному состоянию — со звездами, планетами и нами, людьми.

Космологи утверждают, что таких пузырьков, или областей пространства, должно быть много. Они даже придумали термин — мультиверс (мультивселенная). И в этих других пузырьках могут быть физические законы, отличающиеся от наших.

Каждый раз, когда мне приходится пересказывать эту картину, мне задают вопросы, на которые я не умею отвечать. Детские вопросы. Например, такой: «А из чего сделаны стенки нашего пузыря? Как они выглядят?»

Чтобы разобраться со стенками и прочими непредставимыми объектами вселенных, я обратился к двум знаменитым теоретикам инфляционной гипотезы — к уже упоминавшемуся Алексею Старобинскому и к Андрею Линде, создавшему свою модель. Выяснить получилось не очень: создателей по отдельности понять можно, но картинки, которые они рисуют, получаются разными.

— Когда мы переходим от формул к словесным объяснениям, последние очень часто бывают неточными, — сказал мне Алексей Старобинский. — Поэтому нет ничего удивительного в том, что одна и та же формула в словах выглядит по-разному. Причем Андрей старается объяснять понятно, а я как раз не стараюсь. Потом ко мне приходят и говорят: «А вот Андрей Дмитриевич объяснял так просто!» Я отвечаю, что Андрей Дмитриевич для вас слишком все упростил, и не так это все просто.

От себя добавлю, что все-таки речь идет о разных моделях.

Итак, ответы на детские вопросы от двух специалистов по устройству мира.

Как выглядит край Вселенной?

Андрей Линде:

С самого начала — терминология неудачна. Представьте себе, что у вас есть бесконечная плоскость. Идете себе и идете, нет ни начала, ни конца. Это один вариант того, что думают о Вселенной. Второй вариант — что она как шарик: вот вы идете вдоль глобуса и вернетесь в ту же точку. Ни в том, ни в другом случае нет никакого края. И это для всей Вселенной.

Но что может оказаться? Что вся бесконечная плоскость или сфера, так же как наша Земля, разделена на землю, воду, на горы, озера, то есть на разные части, которые имеют разные свойства. Эти части в некоторых случаях имеют форму пузырька, а могут иметь и более хитрую форму. Свойства внутри пузырька и снаружи могут быть одинаковые, просто геометрия будет другой. А может оказаться, что внутри пузырька существуют какие-то поля, и частицы там взаимодействуют по-другому.

Это означает, например, что для тех людей, которые находятся внутри одного пузырька, есть обычные электромагнитные взаимодействия: лампочки горят, электрические поезда ездят и так далее. В другой части нет таких взаимодействий. Это не означает, что законы физики другие, просто в разных частях Вселенной они реализуются по-разному. Представьте себе озеро, половина замерзла — лед, а другая нет, рыба может плавать. Это одно и то же химическое соединение — вода, но для рыбы огромная разница, твердая она или жидкая. Вселенная может состоять из частей, где действует один фундаментальный закон физики, но реализован он по-разному. А смысл этого дела в том, что другие элементарные частицы будут сталкиваться, рассеиваться, не будет электропоездов… Жизнь другая, но где-то глубоко у нее та же первооснова.

Алексей Старобинский:

Давайте уточним терминологию. Не все пользуются словом «пузырь», я бы сказал, что только Андрей здесь его использует. Более употребительна такая терминология, которая потом переходит в концепцию метавселенной или мультивселенной. Вот была некая инфляционная стадия, а из нее возникло много постинфляционных вселенных. Каждая из них — то же самое, что Андрей зовет пузырем. Это действительно не очень удачное слово, потому что под пузырем мы имеем в виду что-то такое со стенками, а здесь как раз никаких стенок нет. В нашем трехмерном пространстве нет, они есть в четырехмерном.

Модель такая: давайте расчертим лист бумаги на произвольные куски, каждый кусок и будет Вселенная. В трехмерном пространстве, конечно, это кубики будут. Вот где-то внутри одного из таких пространств мы с вами сидим. Это — Вселенная в нашем понимании. В физической энциклопедии, кстати, написано как раз мое определение: Вселенная — это все, что мы можем видеть, и то, что наши отдаленные потомки могут увидеть. Так называемый космологический горизонт. То есть наша отдельная Вселенная — это все, что находится в одном связанном объеме. Но таких вселенных множество.

Как выглядит стенка пузыря Вселенной?

Андрей Линде:

Одна из простейших моделей такая. Представьте, что есть горка, и вы с горки могли упасть вправо, могли — влево. Чтобы из правого состояния перейти в левое, вам надо сначала на горку вскарабкаться, это трудно, на это энергию надо потратить. Вот если у вас есть половина Вселенной, где вы упали направо, а половина, где упали налево, — значит, между ними обязательно будет стенка.

Можно ли как-то эту стенку представить? Вот справа у вас стоит Вселенная, назовем это так, в красном состоянии, слева — в зеленом. Вы обязательно должны перелезть через какой-то барьер, чтобы попасть из красного в зеленое. Во многих теориях эти барьеры очень-очень тонкие. То есть стенка — это 10 в минус 30−й степени сантиметра или в минус 15−й, зависит от теории. Кроме того, эта стенка может не просто стоять, а двигаться, например на вас. Стенке хочется двигаться в ту сторону, где есть выигрыш в энергии, и скорость ее приближается к скорости света.

Она либо на вас несется, как паровоз, эта тоненькая стенка, либо от вас. В обоих случаях вы ее вряд ли увидите. Потому что если она бежит от вас со скоростью света, то когда вы получите от нее какой-то сигнал, она будет очень-очень далеко. Не то чтобы вы ее не увидели совсем, но вы ее увидите не в том месте, где она сейчас. А если она бежит на вас, то она вас ударит, — и больше вы уже ничего и никогда не увидите.

Это только одна из возможностей. Есть и другая: от одного уровня до другого переходы могут быть плавные. Вот идете вы по Вселенной, и у вас потихонечку накапливаются изменения, вы переходите в другую часть, и там плавно становится не так, как у нас.

Пример этого может быть такой. У нас, в нашей части Вселенной, есть материя и нет антиматерии. Потом вы идете дальше и видите, что пришли в то место, где количество материи и антиматерии одинаково. Потом вы пошли дальше, и там — только антиматерия и нет материи. Вы будете жить в другой области, и у вас будет загадка: а почему это в моей области есть только антиматерия и нет материи? Что, антиматерия лучше? А в нашем мире вы будете задаваться вопросом: почему у нас только материя — что, материя лучше? А в глобальной структуре Вселенной есть и то и другое в разных местах.

Алексей Старобинский:

У нее, как я говорил, нет стенок. Вот мы расчертили лист на квадратики, в каждом — Вселенная. В трехмерном мире это будут такие отдельные объемы — одна Вселенная, другая, третья, а между ними будут двумерные плоскости. Вы скажете: «Вот она, стенка пузыря!» Но для нас она уходит на бесконечное расстояние.

Почему так происходит? Потому что инфляционная стадия — время, когда Вселенная очень быстро раздувалась, — в разных местах имеет разную продолжительность. Это условность, конечно, так как абсолютное время мы считать не умеем. Но практическое следствие такое: при приближении к границе время нахождения в инфляционной стадии все больше и больше. А на этой поверхности, которую вы называете стенкой, время инфляции формально бесконечно. Андрей любит говорить о «вечной инфляции».

Из-за этого получается, что расстояние до стенки бесконечно. И от нас бесконечно, и от любого другого места. Нельзя, так сказать, находиться ближе или дальше, нельзя быть на расстоянии, скажем, метр от границы. Метров нет. Поэтому, если мы поместим человека туда, где, нам кажется, он ближе к стенке, то он все равно увидит то же самое, что и здесь. Звезды у него будут образовываться через те же пять миллиардов лет после конца его инфляционной стадии.

Какого размера Вселенная?

Андрей Линде:

В то время, когда инфляционная теория только возникала, мы все думали: «Вселенная сначала была горячая, был Большой взрыв». Потом появилась такая картинка: Вселенная возникла из маленького пузырька вакуума, который очень быстро вырос. Я иногда говорил, что к концу инфляции Вселенная была размером с грейпфрут, но лучше думать, что это такой грейпфрут, из которого вырастают маленькие грейпфрутики, а потом еще другие.

И всю Вселенную лучше представлять как такой бесконечный растущий фрактал. Вы посмотрите на его кусочек и скажете: «О, он не такой уж и большой!» Но таких кусочков может быть много, и один из них может быть красным, другой зеленым, и от красного к зеленому вам нужно идти гораздо больше времени, чем наши 14,5 миллиарда световых лет позволяют. Поэтому вы сейчас их вообще не увидите, они где-то очень далеко. Но они
реально существуют или будут существовать.

Это просто объяснить нормальному человеку: у нас есть один глобус, а потом этот глобус может разбиваться на разные части. Есть Земля, и на ней есть и вода, и леса, и горы — это можно объяснить и понять.

Алексей Старобинский:

Давайте уточним, что мы называем Вселенной. Размер того кружка, который мы видим сейчас, на конец инфляции был порядка сантиметра. Из этого сантиметра Вселенная уже расширялась по инерции. Это было то, что называется Большим взрывом. И сейчас мы видим на 14 миллиардов световых лет в каждую сторону.

Другое дело, что это не есть размер всей Вселенной. Строго говоря, все эти размеры бесконечные. Лучше сказать, что очень близко к границе Вселенная перестает быть однородной. Поэтому нас интересует не вообще все, а размер вот этой однородной части Вселенной. Для этого нужно оценить, где отклонения от однородности станут порядка единицы. Примерно получится е в степени 10 в пятой степени. Это фантастически много. Грубо говоря, с той же точностью это 10 в степени 10 в пятой степени.

Можно ли обойти Вселенную?

Андрей Линде:

Из одной точки в другую вы всегда имеете возможность перейти. Это не то что у вас два воздушных шара, и из одного в другой вы никогда не перескочите. Когда я рисую картинки с пузырями, это одно и то же многообразие, и если бы вы имели сверхсветовую скорость, вы бы все это многообразие оббежали. Нет такого, что вот есть дырка и нет пространства.

То есть всюду пространство есть, но оно такое огромное и условия в разных местах такие разные, что на практике вы никогда из одной части другую не увидите, и никто вам оттуда по телефону не позвонит.

Вы сидите в одном месте и совсем не знаете, что есть еще что-нибудь другое, и думаете: «А я вот вокруг себя погляжу, вся Вселенная такая, во всей Вселенной обязательно должны быть электроны, потому что я вижу их рядом с собой. И в далеких галактиках тоже электроны. И я вижу, что у них константа связи электромагнитная такая же, как у меня, вижу, что пространство справа и слева от нас примерно одинаковое, однородное…» Тогда приходит Эйнштейн и говорит: «Я хочу назвать это все “космологический принцип”, который говорит, что Вселенная должна быть однородная. Почему она должна быть однородная, я не знаю, но открываю окно и вижу всюду одно и то же». Сто лет почти этот принцип существовал.

Сейчас вместо него получается, что в одном месте одно, в другом — другое, но локально кажется, что все одинаково. Считается, что эта локальность — 30 миллиардов световых лет вокруг, потому что мы не можем видеть дальше, чем скорость света, умноженная на возраст Вселенной. Но это на самом деле чуть-чуть не так: с учетом расширения Вселенной мы можем увидеть в два-три раза больше. Касательно всего остального, что за этими границами, то как если бы это был другой мир.

Алексей Старобинский:

В любую точку нашего «куска» мы попасть можем. Но мы не можем попасть в то, что находится за инфляционной стенкой. Те места, где есть инфляция, обладают антигравитационным отталкиванием. Все от всего отталкивается. Иногда неправильно представляют, что, скажем, звезды отталкиваются от звезд. Пустое место от пустого тоже отталкивается. Пустое место и от звезд отталкивается тоже. Вот почему мы не можем стенки достичь: потому что и сама она от нас отталкивается, и нас отталкивает.

Давайте так: что нужно, чтобы выйти из нашей пост­инфляционной Вселенной в другую? Пойти назад в прошлое до инфляционной стадии, затем выйти за пределы нашего светового конуса и мгновенно переместиться по пространству, потом уже нормально двигаться в будущее (можно даже сидя на месте). В нашем мире такое невозможно. Я подчеркиваю, как много нужно нарушить, чтобы попасть из одной Вселенной в другую.

Что было до того, как наша Вселенная стала раздуваться?

Андрей Линде:

В той модели, о которой я говорил, мы обходимся одной нашей Вселенной, одним пузырем. А есть другая фундаментальная возможность — пространственно-временная пена, она существует при сумасшедшей плотности, когда еще нельзя всерьез говорить ни о пространстве, ни о времени. Что-то такое первобытное. Из этого первобытного у вас появился один пузыречек, который вы назвали Вселенной. С моей точки зрения, это будет начало всей мультивселенной. Потом развился другой пузыречек, третий, четвертый… Они — отдельные, друг с другом никогда не соприкасаются, из одного в другой вы никогда не перепрыгнете, они просто разные.

Эта возможность существует, она интересная, но она очень трудная. Потому что она требует, чтобы вы поняли, что такое пространственно-временная пена, как это так, что вселенные существуют, но они не контактируют. В каком смысле они существуют, если они не могут одним и тем же человеком никогда быть в принципе увидены? В каком смысле это часть одного и того же?

Для людей сильных, как Алеша Старобинский, это, может быть, и не такая большая проблема. Он так же легко думает о разных вселенных, как о частях одной и той же…

Но мы идем от простого к сложному. Моя картинка, где есть глобус, — это часть другой картинки. А другая картинка такая: таких глобусов много. И одно другому не противоречит. Более того, если вы еще сделаете шаг назад, вы скажете, что не только глобусов может быть много, но и фундаментальных законов природы. Нет пределов тому, чтобы становиться все более абстрактным.

Алексей Старобинский:

До того как наша Вселенная стала расти, она была частью мультивселенной, еще не распавшейся на отдельные куски. Частью чего-то еще более сложного. В самых простых моделях примерно так: до инфляции опять возникает нечто похожее на старую космологию, которая начинается из сингулярности. Некоторые законы расширения не экспоненциальные, а степенные.

Многие пытаются, и я тоже пытался, получить отскок, то есть что-то сжимающееся… Но не получается… Сложно и требует специальных предположений.

То первобытное вещество, что было до Вселенной, — вакуум?

Андрей Линде:

В первой модели инфляции все происходило в том, что называется «ложный вакуум» — такой вакуум с высокой плотностью энергии. Но эта модель не работает. Должно быть какое-то поле, чтобы получить действующую инфляцию.

Алексей Старобинский:

Я избегаю слова «вакуум». Уже сейчас сказать «вакуум» — значит не сказать ничего, потому что видно, что вакуумов очень много. Даже ударились в противоположную крайность: в теории струн вакуумов столько, что человеческой жизни не хватит изучить, и это представляет принципиальную проблему для науки. Я думаю, что в действительности проблемы нет, но решение достаточно сложное.

Вакуумов очень много. И Глинер ввел очень удачное слово «вакуумоподобный». До начала Вселенной был один из таких вакуумов, и сейчас темная энергия представляет собой другое вакуумоподобное состояние.

Как узнали, что пространство расширялось и сейчас расширяется? Ведь пустоту не померяешь.

Андрей Линде:

Это очень непростой вопрос. Чтобы говорить о расширении, вы должны на пространство поставить какие-то точки и сказать, сколько от одной точки до другой. В пустом вакууме нет возможности поставить точки. И даже если вы их ментально поставите куда-то, то кто-то другой придет и скажет: «А я бы поставил точки по-другому».

А если вы имеете Вселенную, в которой некая вещь — скалярное поле — начинает меняться со временем, то способ расставить точки оказывается однозначным. После того как вы их расставили, вы можете сказать, что от одной точки до другой размер пространства увеличивается. И вот это и есть масштабный фактор. Вы взяли две точки и сказали, что через некоторое время расстояние между ними окажется экспоненциально большим. Это имеет определенный наблюдаемый смысл.

Если бы был просто вакуум, очень трудно было бы вообще что-нибудь сказать о том, раздувается Вселенная или нет. Поэтому отчасти первые модели инфляции — то, что придумал Алан Гус, — не работали. В работающих моделях Вселенная, с одной стороны, расширяется почти экспоненциально быстро, а с другой стороны, в ней происходят некоторые изменения: какое-то скалярное поле едет вниз, имеет скорость… Вы делаете так: берете некий кусочек пространства и смотрите его изначальный размер, например, 10 в минус 30−й степени сантиметра. Или 10 в минус 33−й — планковская длина. После этого смотрите, какого размера стал этот кусочек через какое-то время. И из-за того, что в этом кусочке есть движение скалярного поля, я могу придать смысл тому, что он меняется.

Алексей Старобинский:

Ответ такой. Свойства пустоты можно узнать так же, как электрическое поле узнавали в семнадцатом-восемнад­цатом веках. Его же не видно! Как узнавали? Помещали в это поле тела и смотрели, как они движутся.

Для ранних стадий Вселенной пробные тела трудно найти. Поэтому мы и говорим, что тогда был не истинный вакуум, который по определению что-то такое изотропное… Были малые отклонения. Такие, которые можно рассматривать как пробные тела, — они не влияли на общую кинетику. Их мы и видим — отклонения гравитационного поля от того самого, однородного.

Если говорить о поздних стадиях, то достаточно просто посмотреть. Что такое галактика? Это неоднородность на общем фоне. Кстати, с этой точки зрения мы сами есть малые возмущения с характерным размером порядка полтора-два метра, с характерной массой, скажем, от 50 до 100 килограмм.

И галактики, и мы с вами — те самые пробные тела. Но нужно сказать, что не просто одна галактика удаляется от другой, а все галактики, кроме самых ближайших, удаляются. На больших расстояниях, больше двух-трех мегапарсеков.

Второе. Важно сказать, что они не просто удаляются, а каким образом удаляются. Есть закон Хаббла: скорость удаления пропорциональна расстоянию. Это замечательно тем, что именно R (расстояние) — не R квадрат, не куб, не корень… Чем же этот закон такой замечательный? Только при этом законе нет избранной точки, нет центра у Вселенной. И хотя мы по-прежнему говорим, что галактики удаляются друг от друга, но поскольку они удаляются одинаково во всех точках, естественно предположить, что расширяется пространство.

Вместо эпилога

Андрей Линде:

Не страшно ли про это думать? А вам не страшно думать о жизни и смерти? Через двадцать лет меня не будет, а может, раньше или, может, позже… А потом скажете: ну вот, страшно думать, так я и не буду. Многие и не думают… Трудно, но когда обнаруживается, что это не просто темнота, через которую нельзя пробраться, а, наоборот, открываются неожиданные возможности понять. И тогда вместо испуга у вас начинается состояние экстаза. Оно нечасто возникает. У меня — пару раз в жизни: вдруг вы понимаете, что весь мир для вас открылся, и вы непременно должны об этом всем рассказать. И если не расскажете, то люди умрут, не понимая. С нашим ограниченным набором возможностей мы, как дети, радуемся, когда обнаруживаем какие-то кусочки правды.

Страшно или не страшно, но пути назад нет для людей, которые умеют с этим разбираться.

Пока что все идет как будто в правильном направлении. Когда мы начали сравнивать вероятности — какая вероятность жить в красной Вселенной по сравнению с синей, — от этих вопросов руки опускались. И тогда картина, что в разных частях разные свойства, стала почти неизбежной. От этого трудно отказаться и идти назад.

Фактически эта вещь такая же идеологическая, как то, что вот мы жили в Советском Союзе и думали, что туда весь мир должен идти, а в США все думали, что мир должен жить в капитализме. А потом оказалось, что можно и так и так. В разных частях мира живут по-разному. Необязательно быть человеком, который говорит: «Только я прав! Только мой бог — самый лучший бог». Эту ограниченность теория множественных вселенных помогает снять. Леша Старобинский про это говорил. Он — великий человек, не даст соврать.

Американцы построят под землей гигантскую воздушную "батарейку"

Строить подземные хранилища планируется недалеко от города Дельта в штате Юта. В этом регионе располагаются подземные соляные запасы, которые будут вымываться специальной техникой. На первом этапе планируется построить хранилища для природного газа, добываемого в Скалистых горах, в относительной близости от хранилища.

После того как технология будет опробована, Magnum Energy LLC займется строительством хранилища для воздуха. Авторы проекта подчеркивают, что сжатый воздух может считаться одним из самых дешевых способов хранения электроэнергии.

Так, например, в ясный день солнечная электростанция будет производить избыток электроэнергии. Его будут направлять на сжатие и закачку воздуха. Когда электричество снова понадобится, воздух заставят крутить турбины. Таким образом авторы проекта планируют решить основную трудность в повсеместном внедрении экологически чистых электростанций - трудности с хранением электроэнергии.

Нефтегазовый минимум Маундера

Сначала позвольте мне рассказать две простых истории.

Где-то неделю назад я и Лев Гудков выступали перед представителями стран ЕС, и Лев Гудков во время выступления продемонстрировал график поддержки населением президента начиная с 1998 года Пока г-н Гудков выступал, я вертела этот график в руках, и я поняла, что я видела совершенно такой же график. Только это был график цены на нефть.

Оба графика совпадали по месяцам. При этом совершенно было не важно, как зовут президента: Ельцин, Путин или Медведев.

Это очень важно понять. Можно ли усилить парниковый эффект, употребляя в пищу горох? Ответ: нет. Количество образовавшегося в результате в человеческих кишечниках парникового газа метана, конечно, будет очень заметно в замкнутом помещении, но на температуру Земли заметного влияния не окажет.

Могут ли либеральное мнение или расстрелы, учиняемые ментами на улицах, повлиять на поддержку президента? Ответ: не больше, чем горох на потепление. То есть какой-то эффект, несомненно, имеется. Но он пренебрежимо мал. График поддержки президента зависит от цены на нефть, а все другие возмущения просто не являются релевантными.

Пример второй. Есть такая дата – 1645–1715 годы. Этот период хорошо известен климатологам, как пик т. н. малого ледникового периода, пик похолодания в мире, когда на льду замерзшей Темзы зимой устраивали ярмарки. Этот период не менее хорошо известен астрономам как минимум Маундера – время минимальной солнечной активности. В 1645–1715 годы на Солнце почти не было пятен.

Но вот когда я стала заниматься связью климата и истории, я вдруг поняла, что эту дату я тоже очень хорошо знаю: с той самой поры, когда еще лет десять назад прочла книгу Роджера Мерримана «Six Contemporaneous Revolutions» – о шести революциях и мятежах, вспыхнувших в Каталонии, Португалии, Неаполе, Британии и Нидерландах, – плюс Фронда во Франции, – и все в начале 1640-х. Конечно, Европа у нас едина, – но не до такой же степени. Конечно, у всех у них были свои причины – в Англии ничтожный король, в Португалии – усилившиеся налоги и т. д. Но как-то есть подозрение, что если бы в тот момент у народа не схватило живот от голода, то проканали бы и налоги, и король.

Более того. 1644 – это ключевой год китайской истории. Это год свержения династии Мин в результате народных восстаний, которые, впрочем, кончились не победой восставших, а завоеванием Китая маньчжурами, которых династия позвала на помощь против мятежников. Причины мятежа Рейн Крюгер описывает так: «На северо-западе суровая зима, последовавшая за сильной засухой, стала причиной неурожая и голода, в охваченных голодом областях даже отмечались случаи каннибализма».

Меня давно занимало это совпадение, и я всегда задавала себе вопрос: а что бы осталось от Англии, если бы в 1640-м вместо буржуазной революции по ней прокатились бы полчища дикарей? Это не очень правильный вопрос. На самом деле правильный вопрос такой: почему Англия отреагировала на похолодание буржуазной революцией, а Китай – кровавой резней, кончившейся приходом варваров?

К чему это я? Первое. Режим Путина крайне устойчив. Любое безрассудство власти и любые протесты общества не способны вызвать возмущений, которые не то что опрокинут – хоть слегка скажутся на кривой, слепо следующей за нефть. Это так же бессмысленно, как, пардон, пердеть, чтобы согреть атмосферу. Система слишком устойчива.

Второе. Рано или поздно эта система придет в неустойчивое состояние, как Англия, Португалия или Китай в 1640 году, и это произойдет не в силу сознательных усилий власти или оппозиции, а в силу природы режима.
Режим живет за счет торговли дорогой энергией. Но именно потому, что энергия дорога, рано или поздно, в силу законов рынка, будет придумано что-то, что сделает ее дешевле. Мы не знаем, что это будет: термоядерная энергия, сланцевый газ или что-то еще. Но это произойдет.

А так как власть Путина живет не по законам рынка, а исходя из мессианской веры в том, что доходы от газа будут только возрастать, даже если новых месторождений не осваивать, а на новые газопроводы тратить по $16 млрд, – то рано или поздно эти два тренда пересекутся, и получится свой нефтегазовый минимум Маундера. Может быть, через пять лет, может, через десять, может быть, будет, как в Испании, где режим Франко кончился со смертью Франко.

Но вот рано или поздно система придет в неустойчивое состояние – в силу того, что развитой мир живет по рыночным законам, а Кремль – по хулиганским. И вот тогда, в этот момент неустойчивости, будет очень важно, по какой канве будут развиваться события: как в Англии в 1640-м или как в Китае в 1644-м.

Нет смысла раскачивать камень, который сидит в яме. Но вот когда камень окажется на вершине горы, очень важно вовремя толкнуть его в правильном направлении.

Создана программа для полетов вокруг черной дыры

Отличительной особенностью новой модели является то, что при расчетах учитывается не только гравитационное линзирование, но и эффект Допплера, вызываемый движением наблюдателя, а также колоссальной гравитацией черной дыры. Кроме этого, для изображения неба вокруг дыры (которая считалась сферически симметричной) ученые использовали данные о положении 118 тысяч звезд.

В программе, созданной учеными, можно выбирать расстояние, на котором наблюдатель располагается от дыры в начальный момент, а также траекторию. Так, например, можно упасть на поверхность дыры. Как это выглядит, показывает вот этот видеоролик (6 Мб).

Кроме этого программа представляет возможность полетать вокруг дыры (15 Мб). На этом ролике виден ряд необычных оптических эффектов, создаваемых гравитацией дыры. Так, например, звезды, расположенные на картине близко к дыре и далеко, движутся в противоположных направлениях.

Совсем недавно другая группа исследователей из США сделала ролик, который не только показывал падение объекта на горизонт событий дыры, но и демонстрировал, каким кажется мир наблюдателю изнутри дыры.

Темная история

Анонсированного неделю назад открытия темной материи не произошло: частицы темной материи, возможно, и были зафиксированы американской установкой CDMS, но доказательств, что это была именно темная материя, нет. Впрочем ученые выражают оптимизм в связи с тем, что эксперимент наконец зафиксировал хоть что-то похожее на нее.

На минувшей неделе научный мир был взбудоражен сообщениями об открытии темной материи. Частицы неуловимого вещества, которое, согласно астрономическим наблюдениям, составляет подавляющую (более 95%) часть вещества Вселенной, якобы были зафиксированы детекторами в ходе эксперимента CDMS (Cryogenic Dark Matter Search, в переводе с английского – «криогенный поиск темной материи»).

В многочисленных блогах, которые ведут ученые по всему миру (подобных блогов, кстати, становится все больше) стали появляться буквально сенсационные сообщения. Суть их сводилась к следующему: в пятницу, 18 декабря, будет объявлено, что физики, работающие в эксперименте CDMS, обнаружили частицы темной материи. При этом утверждалось, что в этот день соответствующая статья появится в журнале Nature. Этот факт, правда, скорее настораживал, чем придавал серьезность сообщениям: ведь в последний рабочий день недели в Nature статьи не выходят, это происходит в среду или в воскресенье.

Зато другой факт свидетельствовал, что повод для разговоров есть.

В нескольких институтах по всему миру на 17–18 декабря были запланированы семинары с докладами участников коллаборации CDMS, где речь должна была пойти о результатах этого эксперимента, полученных за последние два года. Суть предыдущих подобных докладов сводилась к тому, что никаких признаков темной материи на тот момент обнаружено не было.

Что приготовили участники коллаборации CDMS на этот раз, можно было узнать в онлайн-режиме через интернет. Некоторые институты вели видео-трансляцию семинара на своих сайтах, а пользователи, у которых нет возможности смотреть видео, следили за ходом семинара опять-таки через блоги: ученые, присутствовавшие на семинаре, оперативно рассказывали в своих блогах о происходящем там, словно вели текстовую онлайн-трансляцию футбольного матча.

Впрочем и на официальном сайте CDMS довольно быстро появились пресс-релиз и статья по поводу «секрета», который неделю будоражил умы представителей ученого мира.

Секрет же заключался в том, что в ходе эксперимента ученые зафиксировали две частицы, которые с большой вероятностью являются частицами темной материи.

Но, увы, до настоящего революционного открытия пока далеко. Согласно представленным данным, вероятность, что частицы являются фоном, составляет порядка 25%. А для того чтобы можно было уверенно заявить об открытии темной материи (или, как заявили сами ученые, готовиться к поездке в Стокгольм за Нобелевской премией), нужно, чтобы эта вероятность была близка к нулю (или хотя бы составляла менее 1%).

Считается, что кандидатом на роль основного компонента темной материи являются так называемые вимпы (от английской аббревиатуры WIMP –-Weakly Interaction Massive Particle – слабовзаимодействующая массивная частица). Ученые предполагают, что вимпы не участвуют в двух видах фундаментального взаимодействия (электромагнитном и сильном), но участвуют в двух остальных (слабом и гравитационном). В связи с этим обнаружить вимпы очень сложно. В мире проходит большое количество экспериментов, связанных с поиском темной материи. В частности, ее обнаружение может стать одним из результатов работы Большого адронного коллайдера. Другие виды экспериментов основаны на приеме частиц с помощью детектора, хорошо защищенного от космического излучения, то есть находящегося глубоко под землей. Подобный принцип как раз используется в работе CDMS, где применяются охлажденные до температуры, близкой к абсолютному нулю, детекторы из германия и кремния, расположенные на дне шахты, на глубине порядка 750 метров, в северо-восточной Миннесоте (США).

Эта установка и зафиксировала две частицы, которые могут быть отнесены к темной материи.

«Вполне вероятно, что это обнаруженная темная материя, но это не доказано», – признал в интервью The New York Times физик Гордон Кейн из Университета Мичигана.

В то же время физик-теоретик из Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми

(там расположен коллайдер «Теватрон») Джозеф Ликкен заявил, что он очень рад тому, что CDMS «хоть что-то зафиксировал». Если бы установка по-прежнему не смогла «поймать» какие-то частицы, это поставило бы под вопрос существующие ныне теории. «Следующий год будет годом темной материи. Я очень удивлюсь, если это будет не так», – оптимистично заявил Ликкен.

Новый солнечный рекорд продержался чуть более суток

Сообщается, что в 20:50 по московскому времени на Солнце началась вспышка, мощность которой по классификации GOES достигла уровня M3,4. Предыдущее значение составляло M2,3. При этом в общей сложности за прошедшие сутки произошло 20 вспышек, среди которых было 6 класса М.

Ученые подчеркивают, что новая вспышка носила импульсный характер - фаза роста уровня рентгеновского излучения на земной орбите продолжалась всего пять минут. За это время уровень вырос в 60 раз.

По данным ученых, источником вспышек стала область в южном полюсе активности, которая только недавно вышла из-за солнечного горизонта. Специалисты полагают, что столь большое количество энергетических выбросов должно вскоре истощить новую область, получившую порядковый номер 1041.

Уровень мощности вспышек обозначается буквой и числом по классификации GOES (Geostationary Operation Environmental Satellites). Буквы обозначают пять уровней мощности - A, B, C, M и X, а цифры обозначают градацию внутри каждого.

Ученые подчеркивают, что рост количества вспышек может указывать на то, что Солнце вступает в фазу роста активности после продолжительного периода минимума. Предыдущая попытка выйти из состояния спокойствия, которая произошла в мае 2009 года, закончилась для светила неудачей.

Израиль и Турция попытаются присоединиться к CERN

Опубликованы собранные за год телескопом "Ферми" данные

Астрономы выложили в свободный доступ результаты наблюдений космического пространства орбитальным телескопом "Ферми" за год. Об этом сообщается в пресс-релизе на официальном сайте проекта.

По словам ученых, новые данные будут крайне полезны специалистам. Дело в том, что при изучении космических источников гамма-излучения важным является наличие большого количества фактических данных для анализа и проверки гипотез.

Опубликованные данные содержат информацию о более чем 150 миллионах случаев регистрации гамма-излучения инструментами орбитального телескопа. Для сравнения, предыдущий подобный массив данных EGRET, который использовали астрономы для работы, содержал информацию о 1,4 миллиона случаев регистрации гамма излучения.

Телескоп "Ферми" (изначально GLAST) был запущен на орбиту в июне 2008 года. Со времени запуска аппарат позволил ученым совершить ряд замечательных открытий. Так, например, он обнаружил в космосе популяцию пульсаров, которые не видны наземным обсерваториям. Кроме этого аппарат применялся для поиска следов загадочной темной материи.

"Ферми" проработает на расчетной орбите в 565 километров около 10 лет. Стоимость проекта составила около 650 миллионов долларов.

Нобелевский лауреат объявил Вселенную клеточным автоматом

Лауреат Нобелевской премии по физике 1999 года Герард Хоофт предложил новую теорию объединения гравитации и квантовой механики, используя идею клеточных автоматов. Статья ученого еще не принята к публикации в рецензируемый журнал, однако ее препринт доступен на сайте arXiv.org.

Хоофт предлагает модификацию теории локальных переменных, идея которой была предложена еще Альбертом Эйнштейном. Эйнштейн полагал, что квантовая механика обязана всеми своими парадоксами исключительно несовершенству человеческих знаний о природе. Он считал, что квантовая механика по сути является частью более общей (и более похожей на классическую) теории.

Эта идея была формализована в 1964 году Джоном Беллом, который вывел серию неравенств, ограничивающих запутанность частиц (обо всем этом "Лента.Ру" подробно писала). Однако многочисленные опыты, проведенные физиками с тех пор, выявили нарушения этих неравенств. Поэтому теории локальных переменных были признаны непригодными.

В рамках новой работы Хоофт предлагает моделировать взаимодействие частиц во Вселенной как систему из некоторого набора "клеток", состояние каждой из которых определяется состояниями соседних. Подобные системы появились в работах ученых в XX веке и получили название клеточных автоматов (самым известным автоматом является игра "Жизнь"). В результате такого подхода, в новой теории удается сохранить классическое описание движения частиц. При этом, однако, естественным образом появляются фрагменты квантовой механики, в частности, запутанность частиц.

Идея представления Вселенной в виде клеточного автомата не является новой, многие известные ученые ранее уже высказывались в ее пользу. Однако теория Хоофта, как и другие претенденты на объединение гравитации и квантовой механики, обязана пройти длительные испытания "на пригодность". В частности, необходимо выяснить, способна ли новая теория делать проверяемые на практике предсказания (чего, например, не может теория суперструн).

Недавно ученым удалось показать, что другой претендент на звание теории всего (именно так называют физическую теорию, которая объединит гравитацию и квантовую механику) - теория Хоравы не подходит на эту роль. В этой физической теории обнаружились предсказания, которые не согласуются с фактическими данными.

Минимальное приближение к образцу обычной иглы (слева) и иглы, на кончике которой находится молекула угарного газа. Изображение авторов исследования

Физики впервые разглядели отдельные атомы

Европейские физики разработали новую технологию атомной силовой микроскопии, которая позволяет добиваться беспрецедентной детализации объектов. Статья с описанием метода появилась в журнале Science. Кратко исследование описано на портале Physics World.

Атомная силовая микроскопия начала применяться около 20 лет назад. При использовании этого метода изображение объектов создается при помощи иглы микроскопа, скользящей над препаратом. Игла "чувствует" силы атомных связей, действующих между атомами вещества, и соответственным образом отклоняется от прямой траектории.

Из-за технических ограничений игла микроскопа не может приблизиться к препарату ближе, чем на один нанометр. Основной причиной, мешающей игле опуститься ниже, являются силы Ван-дер-Ваальса - относительно слабые силы межмолекулярного взаимодействия. Из-за сил Ван-дер-Ваальса для того, чтобы смоделировать изучаемый объект по отклонению иглы, необходимо очень точно знать ее строение. Для стандартных игл эта характеристика всегда не до конца определена.

На кончике иглы атомного силового микроскопа, разработанного авторами новой работы, находится одна молекула угарного газа. Его химическая формула - CO. Молекула CO отличается высокой стабильностью, и силы Ван-дер-Ваальса оказывают на нее относительно несущественное влияние.

Чтобы продемонстрировать возможности новой технологии, исследователи изучили с ее помощью строение молекулы пентацена. Этот углеводород, состоящий из пяти колец, имеет химическую формулу C₂₂H₁₄. Физики смогли различить все пять колец, а также отдельные атомы углерода и водорода. Разрешение, которого удалось добиться авторам, является лучшим за всю историю атомной силовой микроскопии. Полученное фото молекулы доступно здесь.

Один из авторов работы признался, что решение поместить на кончик иглы молекулу CO было случайным. Молекула попала на иглу, когда ученые проводили исследование с использованием стандартной техники атомной силовой микроскопии.

Перспективы использования нового метода весьма широкие. Атомная силовая микроскопия с чрезвычайно высоким разрешением позволит составить каталог "внешнего вида" различных химических соединений. Кроме того, с его помощью можно изучать еще не описанные молекулы. Также метод окажется востребованным в электронике, где сейчас стремительно развиваются технологии устройств наноразмеров.

Ученые впервые измерили заряд сверхмолнии

Ученым впервые удалось измерить заряд, передаваемый сверхмолнией в ионосферу. Работа авторов опубликована в журнале Nature Geoscience. Ее основные положения изложены в журнале New Scientist.

В отличие от обычной молнии, сверхмолнии (или гигантские молнии, gigantic jets) бьют не вниз от облаков, а вверх - в ионосферу. Нижняя точка таких "молний наоборот" находится на высоте около 14 километров, а верхняя может достигать 90 километров. Впервые сверхмолнии были засняты на видео в 2003 году. Однако величину переносимого заряда до сих пор определить не удавалось.

Авторы новой работы провели видеосъемку сверхмолнии с одновременным измерением магнитного поля низких частот. В итоге им удалось оценить динамику электрических зарядов сверхмолнии. Общий заряд, проходящий по каналу длиной 75 километров между грозовыми облаками и ионосферой составил 144 кулона. Эта величина сравнима с величиной заряда, передаваемого обычной мощной молнией.

Совсем недавно исследователи предложили гипотезу, объясняющую природу сверхмолний и еще одного экзотического типа атмосферных электрических явлений - голубых струй. По мнению авторов, в их появлении "виноваты" электрические пробои.

Ученые объяснили происхождение сверхмолний и голубых струй

Группа ученых предложила модель, объясняющую возникновение "молний наоборот": разрядов, бьющих из облака не в землю, а вверх, в ионосферу, сообщает журнал New Scientist со ссылкой на статью в Nature Geoscience.

До сих пор не было известно, как именно возникают странные природные явления: сверхмолнии (гигантские молнии, gigantic jets) и молнии типа "голубая струя" (синий джет, blue jet). Как следует из названий, первый тип характерен размером и мощностью, второй – цветом, однако основное их замечательное свойство заключается в том, что оба типа молний бьют из облака не вниз, в землю, а вверх, в ионосферу.

Коллектив ученых из Университета штата Пенсильвания и Технологического университета в Нью-Мехико впервые предложил модель, которая описывает образование как наземных молний, так и молний "снизу-вверх". Модель также учитывает образование загадочных "внезапных" (out of the blue) молний, способных бить "ниоткуда", возникая в нескольких километрах от грозы.

По мнению исследователей, голубые струи возникают в результате электрического пробоя между зарядом верхней части грозового облака и экранирующим зарядом, притягиваемым к верхушке облака. Модель предсказывает, что они должны возникать через 5-10 секунд после того, как наземный или внутриоблачный разряд создаст резкий дисбаланс заряда в облаке. Сверхмолнии же образуются как обычный внутриоблачный разряд между зарядом средней и верхней частей грозового облака, который продолжает распространяться вверх от облака.

Исследователи считают, что их модель может использоваться для предсказания того, какими типами молний будет сопровождаться гроза.

Невидимая Вселенная

Лучшие фотографии, сделанные рентгеновским телескопом Chandra

Спустя два месяца после начала своей работы телескоп нашел в пульсаре Крабовидной туманности кольцо из остатков взорвавшейся звезды 504x504, 60K	При помощи Chandra ученые обнаружили самую удаленную радиогалактику. Объект 3C294 отделяет от Земли 10 миллиардов световых лет 565x565, 29K	Этот снимок установил рекорд по длительности экспозиции: телескоп "смотрел" на участок неба размер с одну пятую диска Луны в течение 23 дней. В общей сложности ученые насчитали в этом регионе 600 источников излучения, в основном, черные дыры 576x576, 50K
Глядя на эту фотографию, астрономы смогли услышать черную дыру. Chandra зафиксировал акустические волны, исходящие от супермассивной дыры 756x400, 189K	Эти снимки галактических скоплений помогли ученым разработать новый метод поиска темной энергии 756x266, 33K	Анализ снимков Сатурна показал, что его атмосфера как зеркало отражает рентгеновское излучение, попадающее на планету от Солнца 685x612, 125K
Как на этой фотографии найти темную материю и отделить ее от "обычной", Лента.Ру подробно писала 720x520, 157K	С помощью снимков гигантской эллиптической галактики NGC 4649 ученые научились взвешивать сверхмассивные черные дыры 648x648, 47K	Изучая облака Лаймана-альфа ученые выявили новые механизмы развития звездных скоплений и установили, что черные дыры препятствуют чрезмерному росту галактик 1081x643, 178K
Chandra нашел самую яркую из известных сверхновых - SN 2006gy в галактике NGC 1260 486x601, 68K	Телескоп Chandra выявил, что вокруг Стрельца А* - огромной черной дыры в центре нашей Галактики - расположен регион интенсивного звездообразования 792x335, 60K	Рентгеновские полярные сияния на Юпитере 576x572, 35K
Телескоп показал ученым, как столкновение галактик "поджигает" квазары и стимулирует звездообразование. На врезе - квазар 4C37.43 612x792, 124K	На этом снимке объекта G11.2-0.3 представлен классический вариант того, как должны выглядеть останки сверхновой. Хоть прямо сейчас в учебники 576x535, 72K	Скопление галактик, известное как квинтет Стефана. Голубым цветом показан газ, нагретый до 6 миллионов градусов Цельсия 576x576, 56K
Нейтронная звезда RX J0822-4300, показанная на врезе, движется со скоростью около 4,8 миллиона километров в час. Астрономы называют ее "пушечным ядром" 906x564, 172K	Знаменитая галактика Сомбреро является одним из самых крупных звездных скоплений в созвездии Девы. Звездный ветер от взрывов сверхновых "раздувает" рентгеновское излучение (верхний врез) на расстояние 50 тысяч световых лет от галактики 746x540, 34K	Здесь представлены "обитатели" региона Млечного Пути, недоступного для наблюдений в других диапазонах из-за пыли и газа рукавов Галактики. Синим цветом показан разогретый газ, красные точки - активные звезды 656x656, 39K

Эксперимент по поиску гравитационных волн дал нулевой результат

Эксперимент по поиску гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) дал нулевой результат. Подробный отчет об опыте приведен на портале Space.com.

Гравитационные волны представляют собой складки, или рябь на ткани пространства-времени. Их существование предсказывает общая теория относительности, однако до сих пор не было найден ни одного экспериментального доказательства, подтверждающего это предсказание.

Специально для поиска гравитационных волн специалисты из Калифорнийского технологического института и Массачусетского технологического института в 1999 году создали LIGO - комплекс детекторов, способных уловить распространение гравитационных волн. Детекторы LIGO имеют L-образную форму. В детектор пускают луч лазера, который расщепляется перед рукавами равной длины. Два "дочерних" луча проходят по рукавам, а потом вновь объединяются. Если пространство-время "невозмутимо", то лучи совпадут по фазе. В том случае, если сквозь детектор проходит гравитационная волна, лучи пройдут не совсем одинаковой путь и совпадут не полностью. Схему работы детекторов можно увидеть здесь.

Курирующие эксперимент физики пояснили, что исход опыта не означает отсутствия гравитационных волн. Нулевые показания детекторов свидетельствуют об отсутствии волн с большой амплитудой. В ближайшее время ученые приступят ко второй части поисков, в ходе которой они исследуют в тысячу раз больший объем космического пространства, чем в первой части опыта.

Недавно физики нашли новый способ искать гравитационные волны. Наличие складок пространства-времени можно зарегистрировать, анализируя потоки нейтрино от взрывов сверхновых. Правда, для внедрения этого метода в практику исследователям предстоит преодолеть несколько технических трудностей.

Большой Взрыв. Изображение с сайта ucla.edu

Физик придумал способ воссоздать в лаборатории Большой Взрыв

Российский физик, работающий в США, предложил способ воссоздать в лаборатории Большой Взрыв. Аналогию момента начала Вселенной можно получить при помощи метаматериалов. Препринт работы Игоря Смолянинова доступен на сайте arXiv.org.

Свойства метаматериалов зависят не столько от химического состава, сколько от их структуры. Эти вещества особым образом искривляют пути света, поэтому они легли в основу технологий создания материалов-невидимок. Математический аппарат, используемый для описания свойств метаматериалов, напоминает математический аппарат общей теории относительности.

Смолянинов разработал теоретические характеристики метаматериала, который можно рассматривать как эквивалент четырехмерного пространства (два пространственных и два временных измерения). Физик показал, что в определенный момент оно породит трехмерное пространство (два пространственных измерения и одно временное) с множеством частиц. Появление трехмерного пространства можно считать аналогом Большого Взрыва, который, согласно наиболее распространенной точке зрения, породил Вселенную. Сам Смолянинов назвал описанное им явление "игрушечным Большим Взрывом".

Теоретически материал с выведенными Смоляниновым характеристиками может быть создан в лаборатории. Однако на данный момент никто не оценивал, насколько реальна эта перспектива.

Информацию о состоянии Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва физики надеются получить в экспериментах на Большой адронном коллайдере (БАК). Самый большой на планете ускоритель элементарных частиц был запущен в сентябре 2008 года, однако спустя несколько дней он был остановлен из-за аварии. Ожидается, что повторный запуск БАК состоится в ноябре, однако работать коллайдер будет вполсилы.

Сравнение двух фотографий галактики NGC 1566. На второй хорошо видно большое количество мелких звезд. Фото NASA/JPL-Caltech/JHU

Астрономы NASA потребовали пересчитать звезды

Астрономы NASA установили, что традиционные методы оценки количества звезд в космосе могут быть в корне неверны. Об этом сообщается в пресс-релизе агентства, а статья ученых появилась в журнале Astrophysical Journal.

Традиционно для оценки звездной популяции астрономы используют информацию о самых ярких и крупных из видимых звезд. Количество более мелких коллег, которые, вообще говоря, не видны в телескопы, оценивается из тех соображений, что на одну крупную звезду должно рождаться некоторое фиксированное число маленьких. Например, традиционные соотношения следующие: на звезду массой около 20 солнечных приходится в среднем около 500 звезд солнечной массы и меньше.

Новые результаты, собранные в рамках программы Galaxy Evolution Explorer, позволили установить, что эта оценка занижена: на одну крупную звезду в некоторых регионах может приходиться до 2000 мелких. Кроме того, многие регионы могут оказаться "лишены" звезд, поскольку в них отсутствуют крупные светила.

Для объяснения причин недооценки ученые приводят следующий пример. Ночью крупные города Земли хорошо видны из космоса из-за их освещения. Используя данные о крупных городах, можно попытаться оценить количество мелких, считая соотношение крупных и мелких населенных пунктов постоянным. Из этого, в свою очередь, можно получить оценку на население. Однако, применяя данный метод, например, к Африке, мы получим, что там почти отсутствуют люди, поскольку крупных городов в этом регионе сравнительно немного.

По мнению ученых, исправить ситуацию смогут только более совершенные модели звездной эволюции, которые будут учитывать влияние окружающих условий на формирование светил. Кроме этого полезными будут дальнейшие наблюдения за популяциями звезд.

Фото ©AFP

Назад в прошлое

Физики объяснили направление движения времени

Во вторник на Ленте.Ру появилась заметка, в которой излагалась суть открытия, сделанного итальянским физиком Лоренцо Макконе. Макконе удалось с позиций квантовой механики объяснить, почему для нас время движется в некотором выбранном направлении. Формат новостной заметки не позволил изложить многие детали открытия, поэтому Лента.Ру решилась написать более подробный комментарий на данную тему.

Начнем с того, что работа физика хоть и вышла в солидном журнале Physical Review Letters (ее препринт доступен здесь), однако одобрения научного сообщества еще не получила. Заслуживающим внимания эту работу (в которой, к слову, всего четыре страницы) делает то, что специалисты, успевшие с ней ознакомиться, называют подход Макконе "новаторским". Но при этом соглашаться со всеми выводами итальянского физика они не спешат.

Т-симметрия и энтропия

Есть такие слова, так называемые палиндромы, которые можно читать в любом направлении - справа налево или слева направо. Например, слово "топот". Так вот, T-симметрия - это что-то похожее: между событиями, описываемыми симметричными законами, которые работают в прямом порядке и обратном, нет никакой разницы. Формально последнее означает, что формулы, описывающие те или иные явления, остаются верными, если в них t (переменную, отвечающую за время) заменить на -t.

С другой стороны, всем известно, что если чашку горячего чая поставить в холодильник (делать этого, правда, не рекомендуют производители бытового оборудования), то она со временем остынет. Можно представить, что в какой-то момент процесс повернет вспять: чай снова разогреется, а воздух в холодильнике охладится (как будто мы "промотали" время в реальном опыте с чаем назад), - однако в действительности такого еще никто не наблюдал.

Здесь в действие вступает так называемая энтропия - мера необратимого рассеяния энергии (сейчас этот термин перекочевал во всевозможные области знаний от статистической физики до теории информации, о чем будет сказано чуть ниже). Согласно второму закону термодинамики, все происходящие в замкнутой системе процессы приводят к росту этой самой энтропии. Поэтому в опыте с чаем и холодильником обратный по времени процесс с разогревом невозможен.

Направление времени

Впервые понятие энтропии было введено в работах физика Рудольфа Клаузиуса в 1865 году как мера необратимого рассеяния энергии. Клаузиус использовал этот термин для объяснения того факта, что тепло всегда передается от горячего тела к холодному.

За замечательную идею роста энтропии физики ухватились и попытались применить ее в более общем случае для объяснения глобального направления движения времени во Вселенной. Однако эти попытки почти сразу наткнулись на серьезные трудности. Согласно одним теориям, Вселенная постоянно увеличивает энтропию потому, что изначально находилась в состоянии с очень малым значением этой величины. Согласно другим, второе начало термодинамики работает не только в частных случаях (горячее/холодное), но и в космических масштабах (против последнего, например, возражал знаменитый физик Лев Ландау: он полагал, что подобный подход не учитывает общую теорию относительности). Самые "резкие" исследователи вообще предлагают отменить саму теоретическую возможность обратимости времени и поправить физические законы так, чтобы T-симметрия стала в принципе, даже в рассуждениях, невозможна.

Изучив список возможных вариантов решения проблемы (он приводится в конце работы итальянского физика), Макконе предложил новое и элегантное решение. Согласно его теории, события, в которых время движется в обратном направлении, вполне могут происходить. Может быть, даже происходят. Однако информационное устройство Вселенной таково, что никаких данных об этих событиях не сохраняется (и не может сохраниться). Таким образом, они абсолютно неотличимы от тех событий, которые никогда не происходили.

Теория Макконе

В качестве основного аппарата для формализации этого несколько философского объяснения Макконе выбрал квантовую механику. Полезным свойством этой теории является то, что в ней имеется прекрасный аналог термодинамической энтропии - энтропия фон Неймана, которая, в некотором смысле, является мерой хаотичности информации в квантовой системе.

Для пояснения своей идеи Макконе предлагает следующий умозрительный эксперимент. Представим, что у нас имеется получатель информации Алиса и передатчик информации Боб (двух этих персонажей физики мучают своими экспериментами еще со времен Эйнштейна). Представим, что Алиса сидит в удобной, но совершенно отгороженной от всего остального мира лаборатории. В этом случае она является подсистемой системы "лаборатория". Ее друг Боб, который обитает вне лаборатории, посылает Алисе атом, спин которого находится в состоянии квантовой неопределенности (суперпозиции двух базовых состояний). В результате появляется система "атом-лаборатория".

Когда Алиса измеряет спин атома, то она получает некоторое конкретное значение. При этом с точки зрения системы "лаборатория" (которая стала подсистемой системы "атом-лаборатория") энтропия возрастает. В свою очередь Боб, который находится вне лаборатории, ничего не знает о результатах измерения. Таким образом, для него энтропия системы "атом-лаборатория" не изменилась. Более того, с точки зрения Боба взаимодействие Алисы и атома привело к их "квантовому запутыванию", то есть две подсистемы системы "атом-лаборатория" оказались взаимосвязаны.

Представим теперь, что в нашем эксперименте Боб наделен сверхспособностями - квантовая система "атом-лаборатория" находится в его полной власти. Предположим, он решает распутать атом и Алису. С точки зрения системы "лаборатория" это приводит к уменьшению энтропии фон Неймана. При этом спин атома снова переходит в неопределенное состояние. Последнее означает, что вся прежняя информация об измерениях должна исчезнуть (иначе никакой неопределенности не получится). В результате, все данные в лаборатории Алисы исчезают, включая память о проведенном эксперименте. Таким образом, энтропия уменьшилась, однако никто этого не запомнил. В рамках своей работы Макконе формализует данный мысленный эксперимент математически.

Отсюда итальянский физик делает замечательные выводы. Действительно, пусть процессы, в которых время идет в обратном направлении, происходят. Но тогда эти процессы приводят к уменьшению энтропии. Однако, как было доказано в мысленном эксперименте (а в работе Макконе - математически), эти события не оставляют информационных следов, а значит, их невозможно изучать.

И в заключение

Еще раз хочется отметить, что новая теория пока не является общепринятой, но элегантность рассуждений подкупает. Хочется верить, что идеи Макконе получат дальнейшее естественное развитие. А мы пока продолжим двигаться вперед во времени.

Андрей Коняев

Из звезды Бетельгейзе вырвался фонтан размером с Солнечную систему

На самом подробном снимке умирающей звезды Бетельгейзе ученые заметили огромный выброс размером с Солнечную систему. Его вполне могла породить конвекция — отдельные «пузыри» в атмосфере звезды, каждый в диаметре крупнее земной орбиты.

Одна из самых ярких звезд созвездия Ориона – его «левая подмышка», Бетельгейзе – совсем недавний гость на небе. Ей не больше десятка миллионов лет, и последний общий предок людей и горилл не мог увидеть этого светила. Но и задержится на небе оно недолго: Бетельгейзе – умирающая звезда. Она находится на одной из последних эволюционных стадий – стадии красного сверхгиганта, и должна взорваться как сверхновая в недолгой по космическим меркам перспективе.

Сверхгигантские вопросы

Правда, через сколько именно времени яркая, видимая даже при свете дня, сверхновая появится на небе, астрономы пока сказать не могут. Это могут быть и десятки лет, и многие тысячи. До конца теория строения и жизни красных сверхгигантов до сих пор не построена, и ответов на многие вопросы наука пока дать не может.

Один из таких вопросов – когда ждать взрыва. Другой – как Бетельгейзе и подобные ей красные сверхгиганты теряют громадное количество вещества на последних стадиях жизни. Темпы потери газа здесь могут измеряться миллиардами мегатонн в секунду, и с такой скоростью звезда может сбросить массу, равную солнечной, всего за 10 тысяч лет. Теория потери вещества красными сверхгигантами предсказывает огромное разнообразие возможных механизмов такого процесса, и разобраться, какой из них реализуется на деле, можно лишь при помощи прямых наблюдений.

Бетельгейзе прекрасно подходит для решения этой задачи. Это один из самых близких красных сверхгигантов, он расположен примерно в 640 световых годах от Земли. Светит Бетельгейзе, как 130 тысяч Солнц, так что с Земли выглядит звездой примерно нулевой величины (особенно если смотреть в красном спектральном диапазоне). Размер Бетельгейзе примерно в тысячу раз больше солнечного – если поместить ее на место нашего собственного светила, она поглотит орбиты всех планет земной группы и львиную долю главного пояса астероидов.

Очень большой выброс

В среду Южная Европейская Обсерватория (ESO) опубликовала результаты наблюдения Бетельгейзе с помощью одного из восьмиметровых зеркал Очень большого телескопа (VLT,Very Large Telescope) и трех телескопов поменьше. Работы двух независимых команд ученых приняты к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics и доступны в Архиве электронных препринтов Корнельского университета.

Астрономы под руководством Пьера Кервеллы из Парижской обсерватории воспользовались методами адаптивной оптики, реализованными в оборудовании 8−метрового телескопа «Йепун» – одного из инструментов-близнецов квартета VLT. Изображения, которые портит турбулентность в земной атмосфере, ученые исправляли в реальном времени, используя специальную систему зеркал. Одно из них мелкими покачиваниями компенсировало дрожание звезды. Второе зеркало и вовсе гибкое, форму ему в реальном времени придавали 185 рычажков-актуаторов: это позволяет компенсировать действие воздушных линз, проносящихся над телескопом.

Высокая яркость Бетельгейзе позволила дополнить обработку еще одним трюком – методикой отбора самых удачных кадров (Lucky Imaging), каждый из которых делается с очень короткой экспозицией (порядка 10 миллисекунд). Чтобы построить окончательное изображение, Кервелла и его коллеги отбросили 90% кадров, а 10% самых лучших объединили и затем еще подвергли компьютерной обработке по алгоритму Ричардсона—Люси.

В итоге получилось изображение с разрешением примерно в 1/30 угловой секунды – лучше, чем у космического телескопа имени Хаббла, несмотря на то что VLT работал в «более грубых» красных лучах. На этом снимке и проявился странный выброс, простирающийся от звезды на юго-запад на расстояние минимум в шесть ее радиусов. В Солнечной системе такой выброс дотянулся бы до самой далекой из восьми планет – Нептуна. Так удалось однозначно установить, что вещество красные сверхгиганты теряют несимметрично.

Крупномасштабное бурление

Объяснить несимметричную потерю массы наиболее естественно двумя способами. Зачастую веществу легче стекать со звезды в направлении ее полюсов: во-первых, магнитное поле здесь мешает меньше всего, во-вторых, вокруг экватора часто находятся облака плотного газа.

С другой стороны, из теории следует, что в огромных и относительно холодных звездах вроде Бетельгейзе ячейки конвекции могут достигать очень больших относительных размеров. Это на Солнце они упакованы в плотные столбики так называемой грануляции, которых на солнечной поверхности умещаются миллионы. А в чайнике на газовой плите отдельные «пузыри бурления» могут оказаться размером чуть ли не с полчайника.

Судя по работе Кэити Онаки из боннского Института радиоастрономии германского Общества имени Макса Планка, именно механизм чайника на Бетельгейзе и реализуется. Онака и его коллеги получили спектроинтерферограммы Бетельгейзе с помощью трех вспомогательных 1,8−метровых телескопов, входящих в систему интерферометра Очень большого телескопа (VLTI, VLT Interferometre). Хотя вспомогательные телескопы кажутся малышами на фоне 8−метровых гигантов, вместе они давали такое же угловое разрешение, как один 42−метровый телескоп. Света, правда, собирали существенно меньше, но в случае с яркой Бетельгейзе это не проблема.

Такая конфигурация позволила достичь разрешения в 7 раз лучшего, чем получилось у Кервеллы. Правда, строить изображение Онака не стал, ограничившись анализом данных в нескольких спектральных линиях инфракрасного диапазона. Это исследование показало, что на Бетельгейзе присутствуют крупномасштабные движения газа со скоростью до 10−15 км/с.

По спектру видно, что, например, молекулы угарного газа (они отлично выживают в холодной атмосфере Бетельгейзе) в одних регионах приближаются к нам с указанными в предыдущем абзаце скоростями, в других – также быстро удаляются от нас. В общем, классическое конвективное перемешивание, только сами конвективные ячейки, те самые «пузыри» на Бетельгейзе оказываются размером с ползвезды. Это, кстати, около полумиллиарда километров.

Пузырь на выброс

По мнению астрономов, работа Онаки подсказывает, что выброс, найденный Кервеллой, вполне может иметь конвективное происхождение. Грубо говоря, один из гигантских пузырей лопнул и разбрызгал заключенную в нем энергию. Возможно, поднявшаяся к поверхности плазма была слишком горячей и не удержалась в звезде. Возможно, вырвавшееся с ней тепло осветило и нагрело газ над пузырем, сброшенный когда-то в прошлом.

Разобраться в механизме помогут лишь новые наблюдения и уточнение теоретических моделей. Нет сомнений, что астрономы будут еще не раз возвращаться к Бетельгейзе и наверняка смогут заметить изменения в структуре окружающего ее газа. Естественное для таких изменений время должно составлять годы. Примерно полгода-год нужно и для того, чтобы «продавить» свою заявку на наблюдения с VLT и VLTI.

Физические принципы детектирования элементарных частиц

Что можно измерить у элементарных частиц?

Как и в любом физическом эксперименте, при изучении элементарных частиц требуется сначала поставить эксперимент, а потом зарегистрировать его результаты. Постановкой эксперимента (столкновением частиц) занимается ускоритель, а результаты столкновений изучаются с помощью детекторов элементарных частиц.

Для того чтобы восстановить картину столкновения, требуется не просто узнать, какие частицы родились, но и с большой точностью измерить их характеристики, прежде всего траекторию, импульс и энергию. Всё это измеряется с помощью разных типов детекторов, которые концентрическими слоями окружают место столкновения частиц.

Детекторы элементарных частиц можно разбить на две группы: трековые детекторы, которые измеряют траекторию частиц, и калориметры, которые измеряют их энергии. Трековые детекторы стараются проследить за движением частиц, не внося при этом никаких искажений. Калориметры, наоборот, должны полностью поглотить частицу, чтобы измерить ее энергию. В результате возникает стандартная компоновка современного детектора: внутри расположено несколько слоев трековых детекторов, а снаружи — несколько слоев калориметров, а также специальные мюонные детекторы. Общий вид типичного современного детектора показан на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид в разрезе типичного современного детектора элементарных частиц. Различные компоненты детектора имеют цилиндрическую форму и концентрическими слоями окружают место столкновения пучков. На торцах цилиндра установлены дополнительные детектирующие элементы. Кроме того, детектор обычно окружают один или несколько соленоидов — катушек, создающих сильное магнитное поле вдоль оси пучков. Рисунок И. Иванова

Ниже кратко описаны строение и принцип работы основных компонентов современных детекторов. Акцент сделан на некоторых, самых общих принципах детектирования. Устройство конкретных детекторов, работающих на Большом адронном коллайдере, см. на странице Детекторы на LHC.

Трековые детекторы

Трековые детекторы восстанавливают траекторию частицы. Они обычно расположены в области магнитного поля, и тогда по искривлению траектории частицы можно определить ее импульс.

Работа трековых детекторов основана на том, что пролетающая заряженная частица создает ионизационный след — то есть она выбивает электроны из атомов на пути своего движения. При этом интенсивность ионизации зависит как от типа частицы, так и от материала детектора. Свободные электроны собираются электроникой, сигнал с которой сообщает о координатах частиц.

Вершинный детектор

Вершинный (микровершинный, пиксельный) детектор — это многослойный полупроводниковый детектор, состоящий из отдельных тонких пластинок с нанесенной прямо на них электроникой. Это самый внутренний слой детекторов: начинается он обычно сразу за пределами вакуумной трубы (иногда первый слой монтируется прямо на внешней стенке вакуумной трубы) и занимает в радиальном направлении первые несколько сантиметров. В качестве полупроводникового материала обычно выбирается кремний из-за его высокой радиационной стойкости (внутренние слои детектора подвержены огромным дозам жесткой радиации).

Рис. 2. Схема устройства пиксельного детектора. Рис. с сайта cms-project-cmsinfo.web.cern.ch

По сути, вершинный детектор работает так же, как матрица цифрового фотоаппарата. Когда заряженная частица пролетает сквозь эту пластинку, она оставляет в ней след — облачко ионизации размером в несколько десятков микрон. Эта ионизация считывается электронным элементом непосредственно под пикселем. Узнав координаты точек пересечения частицы с несколькими идущими подряд пластинками пиксельного детектора, можно восстановить трехмерные траектории частиц и проследить их назад, внутрь трубы. Через пересечение таких восстановленных траекторий в какой-то точке в пространстве восстанавливается вершина — та точка, в которой эти частицы родились.

Иногда оказывается, что таких вершин несколько, причем одна из них обычно лежит прямо на оси столкновения встречных пучков (первичная вершина), а вторая — поодаль. Это обычно означает, что в первичной вершине столкнулись протоны и сразу породили несколько частиц, но некоторые из них успели пролететь какую-то дистанцию, прежде чем распасться на дочерние частицы.

В современных детекторах точность восстановления вершины достигает 10 микрон. Это позволяет надежно регистрировать случаи, когда вторичные вершины отстоят от оси столкновений на 100 микрон. Как раз на такие дистанции отлетают разнообразные метастабильные адроны, имеющие в своем составе c- или b-кварк (так называемые «очарованные» и «прелестные» адроны). Поэтому вершинный детектор является важнейшим инструментом детектора LHCb, главной задачей которого как раз будет изучение этих адронов.

По похожему принципу работают и полупроводниковые микрополосковые детекторы, в которых вместо маленьких пикселей используются тончайшие, но довольно длинные полоски чувствительного материала. В них ионизация не оседает тут же, а смещается вдоль полоски и считывается на ее конце. Полоски конструируются с таким расчетом, чтобы скорость смещения облачка заряда по ней была постоянной и чтобы оно не расплывалось. Поэтому, зная момент прихода заряда на считывающий элемент, можно вычислить координаты той точки, где заряженная частица пронзила полоску. Пространственное разрешение у микрополосковых детекторов хуже, чем у пиксельных, но ими зато можно покрыть намного большую площадь, поскольку они не требуют столь большого числа считывающих элементов.

Дрейфовые камеры

Дрейфовые камеры — это газонаполненные камеры, которые ставятся снаружи полупроводниковых трековых детекторов, там, где уровень радиации относительно низкий и не требуется столь большая точность определения координат, как у полупроводниковых детекторов.

Классическая дрейфовая камера — это заполненная газом трубка, внутри которой натянуто много тончайших проволочек. Работает она наподобие вершинного детектора, но только не на плоской пластинке, а в объеме. Все проволочки находятся под напряжением, а их расположение выбрано таким образом, чтобы в пространстве между двумя массивами проволочек возникало однородное электрическое поле. Когда заряженная частица пролетает сквозь газовую камеру, она оставляет пространственный ионизационный след. Под действием электрического поля ионизация (прежде всего, электроны) движется с постоянной скоростью (физики говорят «дрейфует») вдоль линий поля по направлению к проволочкам-анодам. Достигнув края камеры, ионизация тут же поглощается электроникой, которая передает на выход сигнальный импульс. Поскольку считывающих элементов очень много, по сигналам с них можно с хорошей точностью восстановить координаты пролетевшей частицы, а значит, и траекторию.

Рис. 3. Схема устройства дрейфовой камеры

Обычно количество ионизации, которое создает в газовой камере пролетающая частица, невелико. Для того чтобы увеличить надежность сбора и регистрации заряда и уменьшить погрешность его измерения, требуется усилить сигнал еще до регистрации его электроникой. Делается это с помощью специальной сети анодных и катодных проволочек, натянутых вблизи считывающей аппаратуры. Проходя вблизи анодной проволочки, облачко электронов порождает на ней лавину, в результате которой электронный сигнал многократно усиливается.

Чем сильнее магнитное поле и чем больше размеры самого детектора, тем сильнее траектория частицы отклоняется от прямой, а значит, тем надежнее можно измерить ее радиус кривизны и восстановить отсюда импульс частицы. Поэтому для изучения реакций с частицами очень высоких энергий, в сотни ГэВ и ТэВы, желательно построить детекторы побольше и использовать магнитные поля посильнее. По чисто инженерным причинам обычно удается увеличить только одну из этих величин в ущерб другой. Два крупнейших детектора на LHC — ATLAS и CMS — как раз отличаются тем, какая из этих величин оптимизирована. У детектора ATLAS побольше размеры, но поменьше поле, в то время как в детекторе CMS сильнее поле, но в целом он более компактен.

Время-проекционная камера

Рис. 4. Принцип работы время-проекционной камеры. Рис. с сайта cerncourier.com

Особый тип дрейфовой камеры — это так называемая время-проекционная камера (ВПК). По сути дела, ВПК — это одна большая, размером в несколько метров, цилиндрическая дрейфовая ячейка. Во всём ее объеме создано однородное электрическое поле вдоль оси цилиндра. Весь закрученный ионизационный след, который оставляют частицы при пролете сквозь эту камеру, равномерно дрейфует к торцам цилиндра, сохраняя свою пространственную форму. Траектории как бы «проецируются» на торцы камеры, где большой массив из считывающих элементов регистрирует приход заряда. Радиальная и угловая координаты определяются по номеру датчика, а координата вдоль оси цилиндра — по времени прихода сигнала. Благодаря этому удается восстановить трехмерную картину движения частиц.

Среди работающих на LHC экспериментов время-проекционную камеру использует детектор ALICE.

Детекторы Roman Pots

Существует особый тип полупроводниковых пиксельных детекторов, которые работают прямо внутри вакуумной трубы, в непосредственной близости к пучку. Впервые их предложила в 1970-е годы исследовательская группа из Рима, и за ними с тех пор закрепилось название Roman Pots («римские горшочки»).

Детекторы Roman Pots были разработаны для детектирования частиц, отклонившихся в процессе столкновения на очень малые углы. Обычные детекторы, располагающиеся снаружи вакуумной трубы, здесь непригодны просто потому, что частица, испущенная под очень малым углом, может многие километры лететь внутри вакуумной трубы, поворачивая вместе с основным пучком и не выходя наружу. Для того чтобы зарегистрировать такие частицы, приходится ставить маленькие детекторы внутри вакуумной трубы поперек оси пучка, но не задевая при этом сам пучок.

Рис. 5. Секция вакуумной трубы с рукавами (горизонтальным и вертикальным) для детекторов Roman Pots в эксперименте TOTEM. Фото с сайта cdsweb.cern.ch

Для этого на определенном участке ускорительного кольца, обычно на расстоянии сотни метров от места столкновения встречных пучков, вставляется специальный участок вакуумной трубы с поперечными «рукавами». В них на подвижных платформах размещены небольшие, размером несколько сантиметров, пиксельные детекторы. Когда пучок только впрыснут, он еще нестабилен и имеет большие поперечные колебания. Детекторы в это время прячутся внутри рукавов для того, чтобы избежать повреждений при прямом попадании пучка. После того как пучок стабилизируется, платформы выдвигаются из своих рукавов и пододвигают чувствительные матрицы детекторов Roman Pots в непосредственную близость к пучку, на расстояние 1-2 миллиметра. В конце очередного цикла ускорителя, перед сбросом старого пучка и инжекцией нового, детекторы вновь втягиваются в свои рукава и ждут очередного сеанса работы.

Пиксельные детекторы, используемые в Roman Pots, отличаются от обычных вершинных детекторов тем, что в них максимизирована доля поверхности пластины, занятая чувствительными элементами. В частности, на той кромке пластины, которая ближе всего подносится к пучку, практически отсутствует нечувствительная «мертвая» зона («edgeless"-технология).

Один из экспериментов на Большом адронном коллайдере, TOTEM, как раз будет использовать несколько таких детекторов. Еще несколько подобных проектов находятся в разработке. Вершинный детектор эксперимента LHCb тоже несет в себе некоторые элементы этой технологии.

Подробнее про эти детекторы можно прочитать в статье Roman pots for the LHC из журнала CERN Courier или в технической документации эксперимента TOTEM.

Калориметры

Калориметры измеряют энергию элементарных частиц. Для этого на пути частиц ставят толстый слой плотного вещества (обычно тяжелого металла — свинца, железа, латуни). Частица в нём сталкивается с электронами или ядрами атомов и порождает в результате поток вторичных частиц — ливень. Энергия исходной частицы распределяется между всеми частицами ливня, так что энергия каждой отдельной частицы в этом ливне становится небольшой. В результате ливень застревает в толще вещества, его частицы поглощаются и аннигилируют, и некоторая, вполне определенная, доля энергии выделяется в виде света. Эта вспышка света собирается на торцах калориметра фотоумножителями, которые превращают ее в электрический импульс. Кроме того, энергию ливня можно измерить, собирая ионизацию чувствительными пластинками.

Электроны и фотоны, проходя через вещество, сталкиваются в основном с электронными оболочками атомов и порождают электромагнитный ливень — поток из большого числа электронов, позитронов и фотонов. Такие ливни быстро развиваются на небольшой глубине и обычно поглощаются в слое вещества толщиной несколько десятков сантиметров. Высокоэнергетические адроны (протоны, нейтроны, пи-мезоны и К-мезоны) теряют энергию преимущественно за счет столкновений с ядрами. При этом порождается адронный ливень, который проникает гораздо глубже в толщу вещества, чем электромагнитный, и к тому же он более широкий. Поэтому для того, чтобы полностью поглотить адронный ливень от частицы очень высокой энергии, требуется один-два метра вещества.

Различие характеристик электромагнитный и адронных ливней максимально используется в современных детекторах. Калориметры часто делают двухслойными: внутри расположены электромагнитные калориметры, в которых поглощаются преимущественно электромагнитные ливни, а снаружи — адронные калориметры, до которых «достают» только адронные ливни. Таким образом, калориметры не только измеряют энергию, но и определяют «тип энергии» — является ли она электромагнитного или адронного происхождения. Это очень важно для правильного понимания произошедшего в центре детектора столкновения протонов.

Рис. 6. Кристаллы тяжелого сцинтиллятора германата висмута Bi4Ge3O12 (или, кратко, BGO); плотность 7,13 г/см3 (почти как у железа), показатель преломления 2,15. Фото с сайта www.che.nsk.su

Для регистрации ливня оптическим способом вещество калориметра должно обладать сцинтилляционными свойствами. В сцинтилляторе фотоны одной длины волны поглощаются очень эффективно, приводя к возбуждению молекул вещества, и это возбуждение снимается за счет испускания фотонов более низкой энергии. Для излученных фотонов сцинтиллятор уже прозрачен, и поэтому они могут долететь до края калориметрической ячейки. В калориметрах используются стандартные, давно изученные сцинтилляторы, для которых хорошо известно, какая часть от энергии исходной частицы превращается в оптическую вспышку.

Для эффективного поглощения ливней требуется использовать как можно более плотное вещество. Имеется два способа, как совместить это требование с требованиями к сцинтилляторам. Во-первых, можно выбрать очень тяжелые сцинтилляторы и заполнить ими калориметр. Во-вторых, можно сделать «слойку» из чередующихся пластин тяжелого вещества и легкого сцинтиллятора. Имеются и более экзотические варианты устройства калориметров, например «спагетти"-калориметры, в которых в матрицу из массивного поглотителя внедрено множество тонких кварцевых оптоволокон. Ливень, развиваясь вдоль такого калориметра, создает в кварце черенковский свет, который выводится по оптоволокнам на торец калориметра.

Точность восстановления энергии частицы в калориметре улучшается с ростом энергии. Для частиц с энергиями в сотни ГэВ погрешность составляет порядка процента для электромагнитных калориметров и несколько процентов — для адронных.

Мюонные камеры

Характерная особенность мюонов заключается в том, что они очень медленно теряют энергию при движении сквозь вещество. Так происходит из-за того, что они, с одной стороны, очень тяжелые, поэтому не могут эффективно передавать энергию электронам при столкновении, а во-вторых, они не участвуют в сильном взаимодействии, поэтому они слабо рассеиваются на ядрах. В результате мюоны могут пролететь до момента своей остановки многие метры вещества, проникнув туда, куда не долетают никакие другие частицы.

Это, с одной стороны, делает невозможным измерение энергии мюонов с помощью калориметров (ведь полностью мюон поглотить не удастся), но с другой стороны, позволяет хорошо отличать мюоны от других частиц. В современных детекторах мюонные камеры расположены в самых внешних слоях детектора, часто даже снаружи массивного металлического ярма, создающего магнитное поле в детекторе. Такие трубки измеряют не энергию, а импульс мюонов, и при этом можно с хорошей достоверностью считать, что эти частицы — именно мюоны, а не что-либо еще. Имеется несколько разновидностей мюонных камер, используемых для разных целей.

Идентификация частиц

Отдельный вопрос — это идентификация частиц, то есть выяснение того, что за частица пролетела сквозь детектор. Это не составило бы труда, знай мы массу частицы, но как раз ее мы обычно и не знаем. С одной стороны, массу в принципе можно вычислить по формулам релятивистской кинематики, зная энергию и импульс частицы, но, к сожалению, погрешности в их измерении обычно столь велики, что не позволяют отличить, например, пи-мезон от мюона из-за близости их масс.

В этой ситуации имеется четыре основных метода идентификации частиц:

• По отклику в разных типах калориметрах и в мюонных трубках.

• По энерговыделению в трековых детекторах. Разные частицы производят разное количество ионизации на сантиметр пути, и ее можно измерить по силе сигнала с трековых детекторов.

• С помощью черенковских счетчиков. Если частица летит сквозь прозрачный материал с коэффициентом преломления n со скоростью больше, чем скорость света в этом материале (то есть больше, чем c/n), то она испускает черенковское излучение в строго определенных направлениях. Если в качестве вещества детектора взять аэрогель (типичный показатель преломления n = 1,03), то черенковское излучение от частиц, движущихся со скоростью 0,99·c и 0,995·c, будет существенно различаться.

• С помощью времяпролетных камер. В них с помощью детекторов с очень высоким временным разрешением измеряется время пролета частицей определенного участка камеры и из этого вычисляется ее скорость.

У каждого из этих методов есть свои сложности и погрешности, поэтому идентификация частиц обычно не бывает гарантированно правильной. Иногда программа обработки «сырых» данных с детектора может прийти к выводу, что в детекторе пролетел мюон, хотя на самом деле это был пион. Полностью избавиться от таких погрешностей невозможно. Остается лишь тщательно изучать детектор перед работой (например, с помощью космических мюонов), выяснить процент случаев неверной идентификации частиц и уже в дальнейшем при обработке реальных данных всегда его принимать в расчет.

Требования к детекторам

Современные детекторы элементарных частиц иногда называют «большими братьями» цифровых фотоаппаратов. Однако стоит помнить, что условия эксплуатации фотоаппарата и детектора кардинально различаются.

Прежде всего, все элементы детектора должны быть очень быстрыми и очень точно синхронизованными друг с другом. На Большом адронном коллайдере в пике производительности сгустки будут сталкиваться 40 миллионов раз в секунду. В каждом столкновении будет происходить рождение частиц, которые оставят свою «картинку» в детекторе, и детектор должен не «захлебнуться» этим потоком «снимков». В результате за 25 наносекунд требуется собрать всю ионизацию, которую оставили пролетевшие частицы, превратить ее в электрические сигналы, а также очистить детектор, подготовив его к очередной порции частиц. За 25 наносекунд частицы пролетают всего 7,5 метров, что сопоставимо с размерами крупных детекторов. Пока во внешних слоях детектора собирается ионизация от пролетевших частиц, сквозь его внутренние слои уже летят частицы из следующего столкновения!

Второе ключевое требование к детектору — радиационная стойкость. Элементарных частицы, разлетающиеся от места столкновения сгустков, — это самая настоящая радиация, причем очень жесткая. Например, ожидаемая поглощенная доза ионизирующей радиации, которую получит вершинный детектор за время работы, составляет 300 килогрей плюс суммарный нейтронный поток 5·1014 нейтронов на см2. В этих условиях детектор должен работать годами и при этом оставаться исправным. Это касается не только материалов самого детектора, но и электроники, которой он напичкан. На создание и тестирование отказоустойчивой электроники, которая будет работать в столь радиационно жестких условиях, ушло несколько лет.

Еще одно требование к электронике — низкое энерговыделение. Внутри многометровых детекторов нет свободного места — каждый кубический сантиметр объема заполнен полезной аппаратурой. Система охлаждения неизбежно отбирает рабочий объем детектора — ведь если частица пролетит прямо сквозь охлаждающую трубу, она просто не будет зарегистрирована. Поэтому энерговыделение от электроники (а это сотни тысяч отдельных плат и проводов, снимающих информацию со всех компонентов детектора) должно быть минимальным.

Внешний вид обсерватории "Планк". Изображение ESA

Телескоп для изучения зарождения Вселенной передал первые данные

Орбитальная обсерватория "Планк" по изучению микроволнового фонового излучения Вселенной в четверг, 13 августа, передала первые данные. О начале работы обсерватории сообщается в пресс-релизе Европейского космического агентства (ESA).

Первые дни работы "Планка" курирующие его миссию специалисты будут тестировать его приборы и настраивать режимы работы. Если дебют телескопа будет успешным, собранная информация будет добавлена в общий массив научных данных, полученных "Планком". Ожидается, что телескоп проработает не меньше 15 месяцев.

Для эффективной работы температура телескопа должна быть крайне низкой. Криогенная система аппарата охлаждает его до температуры около минус 273,05 градусов Цельсия. После того, как система заработала в полную силу, "Планк" стал самым холодным из известных космических объектов.

Орбитальная обсерватория "Планк" была выведена в космос ракетой-носителей Arian-5 вместе с самым большим существующим инфракрасным телескопом "Гершель". "Планк" будет регистрировать так называемое микроволновое фоновое, или реликтовое, излучение Вселенной. Увидеть, как будет работать обсерватория, можно здесь.

Считается, что реликтовое излучение сохранилось с самых ранних этапов существования Вселенной. Фактическое обнаружение микроволнового фонового излучения является одним из главных доказательств теории Большого Взрыва.

Суперпланетарная туманность. Иллюстрация авторов исследования

Астрономы обнаружили новый класс космических объектов, который они назвали суперпланетарными туманностями (Super Planetary Nebulae). Статья исследователей с подробным изложение результатов появилась в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, а ее краткое изложение приводится в пресс-релизе Королевского астрономического общества.

В рамках работы группа ученых из США и Австралии изучала при помощи радиотелескопов Большое Магелланово Облако - соседнюю с Млечным Путем карликовую галактику. В результате им удалось обнаружить 15 активных в радиодиапазоне объектов, которым соответствовали планетарные туманности, видимые в оптические телескопы.

По словам исследователей, данный факт означает, что им удалось обнаружить необычайно массивные планетарные туманности. Обычно эти объекты обнаруживают вокруг звезд, масса которых составляет около 0,3-0,6 солнечных. В данном случае расчеты показывают, что центральные звезды туманностей имеет массу 1-8 солнечных. При этом масса газа и пыли, которые входят в туманность, составляет около 2,6 солнечных.

Планетарные туманности образуются на последнем этапе развития звезд, когда светила сбрасывают внешнюю оболочку. В результате образуется газопылевое облако, в центре которого обычно располагается белый карлик. По словам астрономов, они настолько были удивлены обнаружением массивных туманностей, что проверяли свое открытие в течение трех лет прежде, чем опубликовать результаты.

 Солнечный цветок-станция в израильском кибуце. Фото

Как пейзаж из научно-фантастического фильма, солнечная станция-цветок возвышается над пустыней в кибуце Самир.

Станция, первая в своем роде, концентрирует солнечную энергию и, с помощью микротурбины, позволяет поддерживать напряжение в сети 24 часа в сутки.

Ввод в действие турбины назначен на 24 июня. На станции используются более эффективные, чем традиционные, солнечные генераторы, которые также занимают меньшую площадь.

Станция производит электричества достаточного для 70 домов.

В башне установлена микротурбина, которая может работать после захода солнца на энергии, накопленной в терминале, или на других видах топлива.

Спутник "Коронас-Фотон" зарегистрировал новый мощный выброс на Солнце

 ТЕСИС (ФИАН)

11:31 16/06/2009

МОСКВА, 16 июн - РИА Новости. Российская орбитальная рентгеновская обсерватория "Тесис" на борту спутника "Коронас-Фотон" зафиксировала на Солнце мощный выброс вещества - в межпланетное пространство "ушло" около 103-106 миллионов тонн ионизованного газа, говорится в сообщении на сайте обсерватории, созданной учеными Физического института имени Лебедева (ФИАН).

Выброс протуберанца произошел в минувшее воскресенье с обратной стороны Солнца в области, которая пока недоступна для наблюдений с телескопов. Увидеть этот участок поверхности можно будет только через два-три дня, когда из-за вращения Солнца он появится в поле зрения Земли.

Исследователи отмечают, что последний раз подобные события наблюдались на Солнце около двух месяцев назад, в середине апреля. Тогда светило выбросило два гигантских протуберанца, один из них преодолел тяготение Солнца и ушел в межпланетное пространство - в сторону Меркурия и Марса.

"Хотя предсказать траектории движения солнечных выбросов удается не всегда, на этот раз можно уверенно говорить, что этот путь пройдет вдали от ближайших к нам планет. Соседи Земли (Меркурий, Венера и Марс) располагаются сейчас к западу от Солнца,... тогда как сгусток раскаленной плазмы отправился в свое путешествие в противоположном направлении с восточного края Солнца", - говорится в сообщении.

"Земле также вновь не удастся почувствовать на себе дыхание Солнца. Хотя угловой сектор, из которого был выброшен протуберанец, находится не так далеко от нашей планеты, линии межпланетного магнитного поля здесь не направлены к Земле, а удаляются от нас. Туда же, в сторону от Земли, будет отклоняться при движении и протуберанец", - отмечают ученые.

По их словам, протуберанцы повторяет своими очертаниями конфигурации магнитных полей, делая их видимыми, что дает возможность исследования структуры и динамики магнитных полей Солнца. На этот раз телескопам удалось сфотографировать в короне Солнца гигантскую магнитную арку высотой более 600 тысяч километров, в два раза превышающей расстояние от Земли до Луны.

Обсерватория ТЕСИС была создана в лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН. Она предназначена для мониторинга солнечной активности и текущего состояния космической погоды, получения ответов на актуальные вопросы физики Солнца, такие, как проблема нагрева короны, механизм солнечных вспышек, природа солнечного цикла. В ходе эксперимента будут получены около миллиона новых изображений Солнца.

Российский спутник "Коронас-Фотон" был выведен на орбиту 30 января. Общее руководство проектом осуществляет Институт астрофизики МИФИ. Он является третьим в ряду спутников "Коронас" (от "Комплексные орбитальные околоземные наблюдения активности Солнца"). Первый из них, "Коронас-И", был запущен в 1994 году и проработал на орбите до 2001 года. Тогда же, в 2001 году, был запущен следующий спутник, "Коронас-Ф", который закончил работу в декабре 2005 года.

Земле не угрожает техногенная катастрофа в 2012 году - ученый

 

С.-ПЕТЕРБУРГ, 29 апр - РИА Новости, Ольга Второва. Землянам не грозит техногенная катастрофа, предрекаемая американскими учеными в 2012 году из-за увеличения активности Солнца, считает заведующий лабораторией космических исследований Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН Хабибулло Абдусаматов.

Ученые из американской Национальной Академии наук прогнозируют, что в сентябре 2012 года может произойти так называемая "идеальная солнечная" электромагнитная буря, энергия которой способна преодолеть "защиту" Земли и уничтожить ее электроэнергетическую инфраструктуру.

"Солнечная активность изменяется циклично - малыми 11-летними и большими двухвековыми циклами. Ожидаемый не в сентябре 2012 года, а в самом начале 2013 года максимум уровня активности нового 24-го малого солнечного цикла будет проистекать на фоне активного спада большого. Этот подъем солнечной активности будет почти в два раза ниже, чем максимум уровня активности 23-го цикла. Следовательно, ожидаемой учеными из американской Национальной Академии наук серьезной техногенной катастрофы ни в сентябре 2012 года, ни в начале 2013 года произойти не может. И соответственно вызываемого ею длительного экономического кризиса из-за поведения Солнца также не будет", - сказал Абдусаматов в интервью РИА Новости.

Ученый подчеркнул, что именно двухвековой солнечный цикл играет главенствующую роль в развитии дочерних, малых циклов. Об этом, по его словам, свидетельствует и необычайная длительность 23-го малого цикла.

"Продолжительность 23-го цикла уже стала на 2,5 года дольше, чем продолжительность двух предыдущих малых циклов. Однако такое необычное, на первый взгляд, циклическое поведение нашего светила является вполне объяснимым и ожидаемым результатом, происходящим в фазе активного спада большого цикла Солнца, который достигнет своего минимума ориентировочно в 2042 году", - сказал Абдусаматов.

Ученый отметил, что пока уровень солнечной активности и излучаемый Солнцем поток энергии, достигающий нашей планеты, все еще продолжает падать. "Число беспятенных дней на Солнце резко возрастает при рекордно низком уровне излучаемого им потока энергии. Длинный минимум солнечный деятельности еще продолжается", - сказал Абдусаматов.

June 17, 2009: The sun is in the pits of a century-class solar minimum, and sunspots have been puzzlingly scarce for more than two years. Now, for the first time, solar physicists might understand why.

At an American Astronomical Society press conference today in Boulder, Colorado, researchers announced that a jet stream deep inside the sun is migrating slower than usual through the star's interior, giving rise to the current lack of sunspots.

Rachel Howe and Frank Hill of the National Solar Observatory (NSO) in Tucson, Arizona, used a technique called helioseismology to detect and track the jet stream down to depths of 7,000 km below the surface of the sun. The sun generates new jet streams near its poles every 11 years, they explained to a room full of reporters and fellow scientists. The streams migrate slowly from the poles to the equator and when a jet stream reaches the critical latitude of 22 degrees, new-cycle sunspots begin to appear.

Above: A helioseismic map of the solar interior. Tilted red-yellow bands trace solar jet streams. Black contours denote sunspot activity. When the jet streams reach a critical latitude around 22 degrees, sunspot activity intensifies. [larger image] [more graphics]

Howe and Hill found that the stream associated with the next solar cycle has moved sluggishly, taking three years to cover a 10 degree range in latitude compared to only two years for the previous solar cycle.

The jet stream is now, finally, reaching the critical latitude, heralding a return of solar activity in the months and years ahead.

"It is exciting to see", says Hill, "that just as this sluggish stream reaches the usual active latitude of 22 degrees, a year late, we finally begin to see new groups of sunspots emerging."

The current solar minimum has been so long and deep, it prompted some scientists to speculate that the sun might enter a long period with no sunspot activity at all, akin to the Maunder Minimum of the 17th century. This new result dispells those concerns. The sun's internal magnetic dynamo is still operating, and the sunspot cycle is not "broken."

Because it flows beneath the surface of the sun, the jet stream is not directly visible. Hill and Howe tracked its hidden motions via helioseismology. Shifting masses inside the sun send pressure waves rippling through the stellar interior. So-called "p modes" (p for pressure) bounce around the interior and cause the sun to ring like an enormous bell. By studying the vibrations of the sun's surface, it is possible to figure out what is happening inside. Similar techniques are used by geologists to map the interior of our planet.

In this case, researchers combined data from GONG and SOHO. GONG, short for "Global Oscillation Network Group," is an NSO-led network of telescopes that measures solar vibrations from various locations around Earth. SOHO, the Solar and Heliospheric Observatory, makes similar measurements from space.

"This is an important discovery," says Dean Pesnell of NASA's Goddard Space Flight Center. "It shows how flows inside the sun are tied to the creation of sunspots and how jet streams can affect the timing of the solar cycle."

There is, however, much more to learn.

"We still don't understand exactly how jet streams trigger sunspot production," says Pesnell. "Nor do we fully understand how the jet streams themselves are generated."

To solve these mysteries, and others, NASA plans to launch the Solar Dynamics Observatory (SDO) later this year. SDO is equipped with sophisticated helioseismology sensors that will allow it to probe the solar interior better than ever before.

Right: An artist's concept of the Solar Dynamics Observatory. [more]

"The Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) on SDO will improve our understanding of these jet streams and other internal flows by providing full disk images at ever-increasing depths in the sun," says Pesnell.

Continued tracking and study of solar jet streams could help researchers do something unprecedented--accurately predict the unfolding of future solar cycles. Stay tuned for that!

Компьютерная модель магнетара. Хорошо видны струи заряженных частиц, движущиеся вдоль силовых линий магнитного поля звезды. Изображение NASA

Самый быстрый магнетар оказался источником мягких повторяющихся гамма-всплесков

Нейтронные звезды представляют собой очень плотные останки сверхновых. Масса типичной звезды подобного класса лежит в пределах от 1,5 до 2,1 солнечных, а ее диаметр составляет около 12 километров. Свое название нейтронные звезды получили за то, что почти целиком состоят из нейтронов.

Объект под названием SGR J1550-5418 располагается на расстоянии примерно 30 тысяч световых лет в созвездии Наугольника. Он был известен астрономам достаточно давно в качестве источника рентгеновского излучения. Кроме того, из всех известных нейтронных звезд SGR J1550-5418 обладает самым малым периодом вращения - около 2,07 секунды.

Первые вспышки гамма-излучения, исходящие от этого объекта, были зарегистрированы в октябре 2008 года. Наибольшей интенсивности они достигли 22 января 2009 года. В этот день за 20 минут произошло более сотни вспышек. По расчетам ученых, их суммарная энергия больше, чем энергия, которую вырабатывает Солнце за 20 лет. Потоки гамма-излучения были зарегистрированы орбитальными телескопами Swift и Ферми.

Событие января 2009 года заставило ученых классифицировать изучаемый объект как источник мягких повторяющихся гамма-всплесков. Это сделало SGR J1550-5418 всего лишь пятым известным объектом (плюс еще один кандидат) данного класса. По мнению специалистов, столь небольшое число наблюдаемых объектов подобного типа может говорить о том, что нейтронные звезды находятся в фазе источника мягких рентгеновских гамма-всплесков (астрономы полагают, что все магнетары в некоторый период своей жизни являются подобными источниками) достаточно недолго.

Теория Эйнштейна не смогла пройти экспериментальную проверку

Как сообщает Physorg со ссылкой на пресс-релиз Physikalisch-Technische Bundesanstalt, выявлены существенные расхождения процесса фотоэффекта с использованием высокоэнергетичных фотонов с общепринятой теорией фотоэффекта, за которую Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике.

Выяснилось, что высокоэнергетичные фотоны с длиной волны около 13 нм при высокой плотности излучения (порядка петаватт на квадратный сантиметр) приводят не к "выбиванию" отдельного электрона отдельным фотоном, но к взаимодействию всего волнового пакета с большим количеством внутренних электронов атомов. Эффект наблюдался при взаимодействии с ксеноном и сильно зависит от материала.

Новое открытие ставит под сомнение ряд фундаментальных положений современной квантовой физики и, в то же время, может найти применение в практической деятельности.

Изначально исследовательская группа пыталась решить прикладную задачу - разработки методов определения характеристик излучения рентгеновских лазеров на базе установки FLASH в Гамбурге с лазером FEL на свободных электронах.

Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.

Более подробная информация о новом открытии будет представлена на портале Исследования и разработки – R&D.CNews.

Пульсар глазами художника. Иллюстрация с сайта allposters.co.uk

Астрономы увидели раскрутку нейтронной звезды

Астрономы впервые увидели рождение миллисекундного пульсара - нейтронной звезды, которая вращается вокруг собственной оси несколько сотен раз в секунду. Об этом сообщает New Scientist, а статья ученых появилась в журнале Science.

В рамках исследования астрофизики изучали пульсар J1023, который располагается на расстоянии примерно 4000 световых лет от Земли. Этот объект представляет собой двойную систему, состоящую из "обычной" звезды массой около одной солнечной и нейтронной звезды. Последняя вращается вокруг собственной оси 592 раза в секунду.

Считается, что этот объект был открыт в 2007 году. Однако в рамках своей работы ученые, изучив большое количество архивных фотографий, пришли к выводу, что J1023 наблюдался уже в 2000 году. Ранние наблюдения позволили установить, что вокруг нейтронной звезды имеется скопление большого количества материи. В более поздних наблюдениях это скопление отсутствовало.

По словам ученых, новые результаты подтверждают современные теории образования миллисекундных пульсаров. Считается, что на первом этапе в двойной системе образуется нейтронная звезда. Это компактные останки звезды, плотность которых сравнима с плотностью нейтронов внутри атомного ядра.

Данный объект обладает мощным магнитным полем и быстро вращается (до нескольких десятков оборотов в секунду). Со временем нейтронная звезда начинает воровать материю у звезды-компаньона, формируя вокруг себя акреционный диск. Именно в таком виде J1023 была зарегистрирована в 2000 году.

Угловой момент диска передается звезде и она начинает вращаться быстрее. Спустя некоторое время скорость достигает критических значений, и звезда сбрасывает акреционный диск. В результате появляется разогнанный пульсар. Именно в таком виде J1023 предстал перед учеными в 2007 году.

Карта реликтового излучения. Иллюстрация NASA/WMAP

В неоднородности реликтового излучения обвинили Солнце

Американские исследователи предложили объяснение неоднородностям реликтового излучения - они полагают, что данные дефекты являются результатом прохождения электромагнитных волн через границу ударной волны (termination shock). Статья исследователей пока нигде не опубликована, однако ее препринт доступен на сайте arXiv.org.

Граница ударной волны - это регион, где скорость солнечного ветра падает до субзвуковых скоростей. Здесь происходит резкое изменение давления, температуры, а также электромагнитных свойств межзвездной среды. Ученые полагают, что граница может действовать как гигантская линза для фотонов реликтового излучения.

Данные, полученные аппаратами Voyager 1 и Voyager 2, которые пересекли эту границу в 2003 и 2007 годах соответственно, указывают на то, что форма линзы далека от идеальной. Таким образом, заявляют исследователи, граница ударной волны может вносить значительные искажения в наблюдаемое реликтовое излучение.

Именно этими искажениями ученые предлагают объяснить наблюдаемую неоднородность излучения, которая противоречит современным космологическим теориям. Кроме того в пользу новой гипотезы говорят данные, полученные аппаратом NASA WMAP. Этот зонд предназначен для сбора данных о реликтовом излучении. На серии снимков, которые получили названия WMAP3 и WMAP5 соответственно, видны явные различия в характеристиках излучения. Ученые объясняют это тем, что со временем активность Солнца меняется, а следовательно изменяется и форма границы ударной волны.

Реликтовое излучение представляет собой излучение, оставшееся после Большого Взрыва. Существование излучения было предсказано теоретически. Фактическое обнаружение этого явления является одним из главных доказательств теории Большого Взрыва.

Грансфилд и Фойстел устанавливают на "Хаббл" новую камеру. Кадр NASA TV

Телескоп "Хаббл" обзавелся новой камерой

Продолжение: Астронавты "Атлантиса" начали второй выход в открытый космос

Астронавты Джон Грансфелд (John Grunsfeld) и Эндрю Фойстел (Andrew Feustel) поздно вечером 14 мая по московскому времени завершили первый выход в открытый космос в рамках миссии шаттла "Атлантис", сообщается на сайте NASA.

Во время работы в открытом космосе астронавты установили на телескоп "Хаббл" новую камеру Wide Field Camera 3. Камера, которая является основным рабочим инструментом телескопа, заменила Wide Field Planetary Camera 2, эксплуатировавшуюся в течение 16 лет.

Установка новой камеры была главной и наиболее сложной задачей Грансфелда и Фойстела. Как отмечает Agence France-Presse, демонтаж старой камеры вызвал у астронавтов определенные трудности, в результате чего они пробыли в открытом космосе на полчаса дольше, чем было запланировано.

Кроме того, астронавты заменили компьютерную систему обработки и передачи данных телескопа, отвечающую за работу всех компонентов "Хаббла" и передачу данных с телескопа на Землю. Астронавты также установили на телескоп новое стыковочное устройство и провели ряд других мелких работ по починке "Хаббла".

Выход в космос продолжался более семи часов и стал первым из пяти запланированных в рамках миссии шаттла "Атлантис". Следующая операция в открытом космосе назначена на 15 мая.

April 1, 2009: The sunspot cycle is behaving a little like the stock market. Just when you think it has hit bottom, it goes even lower.

2008 was a bear. There were no sunspots observed on 266 of the year's 366 days (73%). To find a year with more blank suns, you have to go all the way back to 1913, which had 311 spotless days: plot. Prompted by these numbers, some observers suggested that the solar cycle had hit bottom in 2008.

Maybe not. Sunspot counts for 2009 have dropped even lower. As of March 31st, there were no sunspots on 78 of the year's 90 days (87%).

It adds up to one inescapable conclusion: "We're experiencing a very deep solar minimum," says solar physicist Dean Pesnell of the Goddard Space Flight Center.

"This is the quietest sun we've seen in almost a century," agrees sunspot expert David Hathaway of the Marshall Space Flight Center.

Above: The sunspot cycle from 1995 to the present. The jagged curve traces actual sunspot counts. Smooth curves are fits to the data and one forecaster's predictions of future activity. Credit: David Hathaway, NASA/MSFC. [more]

Quiet suns come along every 11 years or so. It's a natural part of the sunspot cycle, discovered by German astronomer Heinrich Schwabe in the mid-1800s. Sunspots are planet-sized islands of magnetism on the surface of the sun; they are sources of solar flares, coronal mass ejections and intense UV radiation. Plotting sunspot counts, Schwabe saw that peaks of solar activity were always followed by valleys of relative calm—a clockwork pattern that has held true for more than 200 years: plot.

The current solar minimum is part of that pattern. In fact, it's right on time. "We're due for a bit of quiet—and here it is," says Pesnell.

But is it supposed to be this quiet? In 2008, the sun set the following records:

A 50-year low in solar wind pressure: Measurements by the Ulysses spacecraft reveal a 20% drop in solar wind pressure since the mid-1990s—the lowest point since such measurements began in the 1960s. The solar wind helps keep galactic cosmic rays out of the inner solar system. With the solar wind flagging, more cosmic rays are permitted to enter, resulting in increased health hazards for astronauts. Weaker solar wind also means fewer geomagnetic storms and auroras on Earth.

A 12-year low in solar "irradiance": Careful measurements by several NASA spacecraft show that the sun's brightness has dropped by 0.02% at visible wavelengths and 6% at extreme UV wavelengths since the solar minimum of 1996. The changes so far are not enough to reverse the course of global warming, but there are some other significant side-effects: Earth's upper atmosphere is heated less by the sun and it is therefore less "puffed up." Satellites in low Earth orbit experience less atmospheric drag, extending their operational lifetimes. Unfortunately, space junk also remains longer in Earth orbit, increasing hazards to spacecraft and satellites.

Above: Space-age measurements of the total solar irradiance (brightness summed across all wavelengths). This plot, which comes from researcher C. Fröhlich, was shown by Dean Pesnell at the Fall 2008 AGU meeting during a lecture entitled "What is Solar Minimum and Why Should We Care?"

A 55-year low in solar radio emissions: After World War II, astronomers began keeping records of the sun's brightness at radio wavelengths. Records of 10.7 cm flux extend back all the way to the early 1950s. Radio telescopes are now recording the dimmest "radio sun" since 1955: plot. Some researchers believe that the lessening of radio emissions is an indication of weakness in the sun's global magnetic field. No one is certain, however, because the source of these long-monitored radio emissions is not fully understood.

All these lows have sparked a debate about whether the ongoing minimum is "weird", "extreme" or just an overdue "market correction" following a string of unusually intense solar maxima.

"Since the Space Age began in the 1950s, solar activity has been generally high," notes Hathaway. "Five of the ten most intense solar cycles on record have occurred in the last 50 years. We're just not used to this kind of deep calm."

Deep calm was fairly common a hundred years ago. The solar minima of 1901 and 1913, for instance, were even longer than the one we're experiencing now. To match those minima in terms of depth and longevity, the current minimum will have to last at least another year.

In a way, the calm is exciting, says Pesnell. "For the first time in history, we're getting to see what a deep solar minimum is really like." A fleet of spacecraft including the Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), the twin STEREO probes, the five THEMIS probes, Hinode, ACE, Wind, TRACE, AIM, TIMED, Geotail and others are studying the sun and its effects on Earth 24/7 using technology that didn't exist 100 years ago. Their measurements of solar wind, cosmic rays, irradiance and magnetic fields show that solar minimum is much more interesting and profound than anyone expected.

Above: An artist's concept of NASA's Solar Dynamics Observatory. Bristling with advanced sensors, "SDO" is slated to launch later this year--perfect timing to study the ongoing solar minimum. [more]

Modern technology cannot, however, predict what comes next. Competing models by dozens of top solar physicists disagree, sometimes sharply, on when this solar minimum will end and how big the next solar maximum will be. Pesnell has surveyed the scientific literature and prepared a "piano plot" showing the range of predictions. The great uncertainty stems from one simple fact: No one fully understands the underlying physics of the sunspot cycle.

Pesnell believes sunspot counts will pick up again soon, "possibly by the end of the year," to be followed by a solar maximum of below-average intensity in 2012 or 2013.

But like other forecasters, he knows he could be wrong. Bull or bear? Stay tuned for updates.

Introduction

Particle acceleration is one of the more perplexing issues as we try to understand how solar flares work. The particles (electrons at 10s of keV, and ions at MeV energies) contain a large fraction of the total flare energy. Thus one cannot expect to find a self-consistent fluid (MHD) model. Nevertheless virtually all of the theoretical work on large-scale aspects of solar flares is presently within the MHD framework. In the topic described here there are features both of large-scale MHD concepts and also particle acceleration, so these ideas are somehow very attractive!

The coronal magnetic field can undergo large-scale restructurings during a flare or CME. If this restructuring happens adiabatically, i.e. on scales large compared with the Larmor motion of the particles in question, they can gain or lose energy. A "collapsing trap" is exactly the sort of geometry expected from large-scale magnetic reconnection, and so this concept provides a basic mechanism for particle acceleration in a flare or CME. The sketch in Figure 1 shows how this might work. Basically it shows reconnected magnetic field lines "dipolarizing" rapidly away from an X-point above the top of the diagram. This process is the basic element of the standard reconnection models of solar flares, as explained copiously elsewhere among the Nuggets (for example, here. The field-line motion can also be thought of as a plasma flow perpendicular to the field direction. The HTTCS is a "high-temperature turbulent current sheet" structure involved with the magnetic reconnection.

turbulent current sheet" structure involved with the magnetic reconnection.

Figure 1: A collapsing magnetic trap following large-scale coronal reconnection. The longer arrow shows the field deforming, so rapidly as to induce a fast-mode shock wave ("SW").

Betatron vs First-order Fermi Acceleration

A collapsing trap actually may accelerate particles in two distinct ways: "betatron" and first-order Fermi acceleration. These result respectively from diminishing diameter of the collapsing flux tube, and from its decreasing length. The latter is easier to understand - as the trap shortens, the two reflective mirrors apparently approach one another. The motion of the mirror means that the reflected particle gains energy. To understand the betatron process one has to follow the basic physics of adiabatic particle motion; essentially the particle energy increases proportionally to the magnitude of B during the collapse. The Fermi process is a little more complicated since it depends on the field geometry in a more complicated way.

Figure 2: Simplification of the geometry. Contraction of the trap in length L causes Fermi acceleration, and contraction perpendicular to B causes betatron acceleration.

This rough description omits a great deal of complexity. Even though the basic physics is straightforward, and has been known for many decades, the application to an astrophysical situation requires that we know what particles are there, how the flows in the plasma proceed, and other somewhat intangible details involving wave-particle interactions. To assess these complicated issues in a satisfactory manner really requires model-building, using realistic parameters taken from the observations as a guide. We also need to bear in mind the distribution function of the particles prior to the collapse.

Some Data

It seems a foregone conclusion that this mechanism plays some sort of role in flare particle acceleration, since we are quite sure on energetics grounds that the coronal magnetic field has to restructure itself during an event. So any particles attached to restructuring fields are going to get accelerated at least some of the time. Another place where this sort of mechanism is well accepted is the Earth's magnetosphere, where "radial diffusion" pumps particles up in energy as they approach the Earth via multiple scattering processes.

In the case of solar flares it seems very likely that the collapsing-trap physics plays a role in the formation of coronal hard X-ray sources, about which we have been learning a great deal from RHESSI (see here, here, here, or here for various Science Nuggets on likely events.

Figure 3: A coronal hard X-ray source observed by RHESSI (courtesy S. Krucker).

Conclusion

The basic idea of the betatron mechanism was introduced to to explain the behavior of flare hard X-rays in the 1970s by John Brown and Peter Hoyng. The idea of particle acceleration by varying magnetic fields had been around prior to that, notably in a 1933 paper by Swann and then by Forbush, who explained increases of "solar cosmic rays" in this way. The betatron, incidentally, can also be called an Ausserordentlichhochgeschwindigkeit-electronenentwickelndesschwerabeitsbei-gollitron. It (and first-order Fermi acceleration) has come back into vogue not only because of the new information about coronal hard X-ray sources mentioned above, but also because of the growth of the new field of coronal seismology. We've already touched on this in an earlier Nugget. (Yet another Nugget dealt with the probably not unrelated sunquakes). We look forward to the complete surveys of oscillations in the solar corona that the soon-to-be-launched Solar Dynamics Observatory (SDO) will provide. Data comparisons between RHESSI and SDO's imager AIA instrument will be informative. Will these new observations provide further insight into the acceleration mechanisms implied by the "collapsing trap"?

Introduction

This Nugget picks up the discussion of the somewhat tardy Solar Cycle with the (arbitrary) identification number 24. The increase of sunspots into the next cycle maximum should be starting shortly - but hasn't yet. Here we discuss how perplexing this is, considering some of the options, and then briefly review our workshop devoted to planning for the new cycle. We also discuss an innovation - the reporting of the workshop activities in this Wiki.

Figure 1: This figure summarizes the 400 years of regular sunspot number observations.
This figure was prepared by Robert A. Rohde and is part of the Global Warming Art project.

Solar Cycles

As is well known, sunspot numbers go up and down with an 11-year period, which turns out to be half of the 22-year "Hale cycle" (George Ellery Hale discovered solar magnetism, and it turns out that alternate 11-year cycles have mirror-image latitude distributions of magnetic polarity. Richard Carrington, a 19th-century solar astronomer who made many discoveries, started the counts of 11-year "Carrington cycles"). We find ourselves just finished with the 23rd Carrington cycle, and hoping for a 24th to happen. New sunspots have always before emerged roughly on schedule, except for the interesting period of the Maunder Minimum, a period in the late 17th century when sunspots almost disappeared (see Figure 1). This had many interesting implications, effects on radiocarbon dating via, for example, tree rings.

There is currently a slow buzz of excitement regarding the lack of new Cycle-24 sunspots. Could this solar minimum turn into another extended solar minimum, with possible consequences for our terrestrial climate? Or is it too early to be sure? Our workshop dealt with this question in some detail. The consensus opinion (opinions count here, since there is no workable theory of the solar cycle) holds that it is too soon to panic. We illustrate this with Figure 2, which uses the microwave radio index F10.7 to monitor the state of solar activity. More sunspots and more solar flares generally accompany higher values of 10-cm radio flux index (see Figure 1).

Figure 2: Variation of the 10-cm radio flux index F10.7. The red line is the current cycle, as yet not terminated - hence the red?

The comparison of cycle lengths by simply setting a threshold on this index (note that there are many ways to estimate cycle parameters, all of them quite uncertain because we have so few recorded cycles - a humble solar example of cosmic variance perhaps).

Our workshop

The Solar24 workshop focused on trying to get new observations right. There are many new observing facilities now available or soon to appear. In decreasing order of age we could list SDO, Hinode, STEREO, our own RHESSI, TRACE, SOHO, and of course many ground-based observatories. The advance of technology makes the ground-based observatories competitive in spite of the obvious advantages of having your observatory in space where there is no atmosphere - that is, of course, at near-UV, optical, IR and radio wavelengths. The workshop actually consisted of nine workshops, coordinated as follows in Figure 2. As shown in the Figure, the idea was to have these specialized groups cross-fertilize with each other as much as possible. This worked in some of the case, but getting this to happen is a perpetual problem in solar physics, which deals with an object that is at the same time complicated, broadly observed, and not so well understood at the level of its variations and dynamical structures.

Figure 3: Schedule of workshops at the Solar24 meeting in Napa, California, Dec. 2008

One of the key realizations at this workshop (at least as far as author HSH was concerned) was the growing realization that we can begin to return safely to the chromosphere - safely because observing and modeling tools are becoming mature enough to help with sorting it out in a meaningful way physically. This is the most complicated and important layer of the solar atmosphere, we believe.

Our Workshop's Innovation - Wiki reporting

In times past, scientific conferences often had recorded questions and answers, scribbled in real time during the presentations. These often captured some of the more interesting insights due to the spontaneity of the recording process. This type of recording is not done much any more; part of the problem might be in uncertainty about how to handle the archival aspect of the information. Is it appropriate to cite a hasty extemporaneous remark as a piece of real scientific literature?

In the Solar24 conference we (mainly author SC) hit upon a possible alternative that we feel merits extension. For each of the sessions we tried to appoint or recruit "scribes," persons (often younger ones) who would not mind the trouble of acting as real-time reporters into this Wiki. The Wiki formatting is easy, and it is self-correcting in the sense that anybody can go over the material and judiciously improve it. The scribes' notes ideally capture the flow not only of the presentation, which of course typically would be linked as a .pdf file, but also the questions and answers. In this sense it is a modern return to the old conference style of recording the verbal interactions between the speaker and the members of the audience. Personal interaction is a vital part of how science is conducted, as a practical matter. Scientists are just now beginning to use a tool that they invented years ago (the Internets!) to rekindle scientific conversation (see for example arXiv which brings the scientific literature out of stuffy libraries and puts it freely at everyone's fingertips). Many so-called web 2.0 websites are also now trying to harness the power of crowds (crowd-sourcing) to gather knowledge and organize information (see this wiki's grandfather Wikipedia). This "crowd-sourcing" does not need to be unrefereed (see e.g., Scholarpedia).

Conclusion

We do not know what is happening to the new solar cycle, but we conclude that we should take a hint from the Hitchhiker's guide to the Galaxy, hold on tight to our blanket, and not panic. In the meanwhile we have learned a lot about solar activity and are a bit better prepared for its resumption. We think our Wiki is a possible new direction for science publishing and discussion, made possible by the Web technology that enables our Science Nuggets, the Living Reviews, and the indispensable NASA ADS archive access.

Черная дыра, поглощающая материю. Иллюстрация с сайта sciencemuseum.org.uk

Все элементарные частицы оказались миниатюрными черными дырами

Исследователи из США установили, что все известные на настоящий момент элементарные частицы могут представлять собой миниатюрные черные дыры. Статья исследователей пока не принята в какой-либо научный журнал, однако ее препринт доступен на сайте arXiv.org.

На настоящий момент в физике известно четыре фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное, причем последнее является наиболее слабым. Сейчас во многих теориях предполагается, что гравитация на самом деле является достаточно сильной. Например, в теории суперструн слабость гравитации является "кажущейся" и связана с тем, что мы рассматриваем ее ограничение на наше четырехмерное пространство-время (в рамках теории струн наш мир представляется 10- или 11-мерным).

Исследователи пользовались предположением о том, что гравитация достаточно сильна в случае, когда речь идет о масштабах, сравнимых с планковской длиной, то есть примерно 1,6x10^-35 метра. Расчеты показывают, что в подобных масштабах возможно образование микроскопических черных дыр.

Напомним, что согласно современным представлениям, время жизни подобных объектов крайне мало - они испаряются в результате квантового эффекта, называемого излучением Хокинга. Однако исследователи показали, что в рамках их гипотезы черные дыры могут находиться в некотором устойчивом состоянии.

Расчеты показывают, что подобные черные дыры будут обладать свойствами, сходными с элементарными частицами. В частности, физики отмечают, что возможно существование большого количества микроскопических черных дыр, свойства которых будут заметно отличаться друг от друга.

Отсюда исследователи делают вывод, что существует вероятность, что все элементарные частицы являются просто стабильными микроскопическими черными дырами. Подтверждение эта экстравагантная теория, по мнению физиков, может получить после того, как начнут поступать первые данные с Большого адронного коллайдера.

Майкл Гуд работает в открытом космосе. Фото с сайта NASA

Астронавты завершили четвертый выход к телескопу "Хаббл"

Майкл Массимино (Michael Massimino) и Майкл Гуд (Michael Good) находились вне космического корабля 8 часов 2 минуты. Во время выхода астронавты, в частности, заменили низковольтный блок питания с неисправным трансформатором, из-за которого с августа 2004 года спектрограф "Хаббла" находился в "безопасном режиме".

Из-за сложностей с откручиванием болтов было решено отложить установку новой изоляционной панели. Предполагается, что эта задача будет выполнена во время последнего, пятого выхода астронавтов "Атлантиса" в космос. Он намечен на 9:16 понедельника по восточному поясному времени (17:16 понедельника по московскому) и продлится около пяти часов.

Напомним, благодаря ремонтным работам экипажа "Атлантиса" время службы телескопа "Хаббл" будет продлено на срок до десяти лет, после чего его затопят в Тихом океане.

It gets the accolade as the second Magic telescope collects its first light on 25 April.

Gamma-ray radiation is emitted by the most distant, earliest galaxies and the most violent stellar processes.

Magic measures gamma rays via the particle showers they cause as they arrive in our atmosphere.

When built, the first Magic telescope was the largest gamma-ray telescope in the world, but was supplanted in 2003 by the High-energy Stereoscopic System, a four-telescope array in Namibia.

The mantle will be passed back to Hess later in 2009; this week also sees the first arrival at the Hess site of parts for Hess II, a 30m, 600-tonne successor to the original four Hess telescopes.

The Magic II telescope was due to be inaugurated in September 2008. However, the project's manager Florian Goebel of the Max Planck Institute of Physics in Munich (MPI) died while working on the telescope's camera a week before the initial inauguration date.

Speed limit

Telescopes like Magic and Hess detect gamma rays indirectly, by watching for Cerenkov radiation.

While the speed of light in a vacuum is the universal speed limit, each material has its own, lower speed at which light can travel through it.

Cerenkov radiation is responsible for the blue glow of nuclear reactors

Cerenkov radiation is created when fast-moving gamma rays pass through matter - in this case, the Earth's atmosphere. Gamma rays kick off a shower of fast-moving particles in the atmosphere, which in turn emit Cerenkov radiation.

This process is also responsible for the eerie blue glow of nuclear reactor cores.

"Gamma ray telescopes deal with the highest possible energies and processes that take place in the Universe," said Razmik Mirzoyan, the astrophysicist who is leader of the MPI's Magic group.

"For a given process, one needs to measure its proper messengers, so for measuring very high energies one needs to measure the photons that carry these very energies - gamma rays," he told BBC News.

The second Magic telescope will give the observatory stereoscopic vision, making experiments up to nine times faster and increasing their angular resolution by nearly a third, so that the sources of the gamma rays can be more precisely pinned down.

The telescopes will also be better poised to catch gamma-ray bursts, the showers of the rays that occur when a black hole is formed.

"For dark matter searches, our potential will strongly increase," Dr Mirzoyan added. "The pair of Magics will improve our sensitivity at energies of a few tens of gigaelectron volts, where the signatures of the dark matter could be anticipated."

В хороводе карликовых галактик вокруг Млечного Пути нашёлся парадокс, необъяснимый с точки зрения механики и теории «тёмного вещества». Астрономы считают его сильным свидетельством в пользу спорной теории МоНД, требующей уточнения второго закона Ньютона.

Ещё в 30-х годах прошлого века работавший в США швейцарский астроном Фриц Цвикки заметил, что в самых крупных известных на тот момент структурах Вселенной – скоплениях галактик – чего-то не хватает. Отдельные галактики в этих скоплениях двигались так быстро, что суммарной массы составляющих их звёзд не хватало, чтобы удержать систему связанной, и если бы не какая-то «скрытая масса», эти скопления давно бы разлетелись в разные стороны.

Что представляет собой «скрытая масса», Цвикки не знал и так и не узнал до конца своей жизни. Это мог быть не превратившийся в звёзды газ, пыль, какие-то другие слабо светящиеся объекты. Никаких указаний на её природу не было, а встречалась она, казалось, лишь в галактических скоплениях.

По прошествии 40 лет астрономы снова встретились со «скрытой массой». Сначала учёные из эстонской Тартуской обсерватории под руководством Яана Эйнасто, а затем и американка Вера Рубин с коллегами показали, что массы недостаёт и во внешних областях галактик. Как и галактики в скоплениях, звёзды в галактиках тоже двигались быстрее, чем им было положено, и их тоже, видимо, должно было удерживать что-то «лишнее». Эйнасто тут же сообразил, что именно внешние гало галактик (тогда их называли «коронами», как солнечную корону) и могут быть вместилищем недостающего вещества.

Примерно в то же время дополнительная материя понадобилась и другим теоретикам – тем, кто занимался вопросами образования иерархии космических структур – от звёзд и галактик до гигантских скоплений и крупномасштабных «нитей» и «стенок», вдоль которых расположены скопления. Из расчётов получалось, что массы видимого вещества категорически не хватает, чтобы эти структуры выросли за время жизни Вселенной. Здесь тоже нужно было что-то дополнительное, лишнее, и нужно его было много – в разы больше, чем всего видимого вещества.

К началу 1980-х годов эта проблема – «скрытой массы», или «тёмного вещества», – встала в астрономии во весь рост.

И, по сути, остаётся проблемой до сегодняшнего дня. Что это такое, до сих пор никто не знает, хотя и недостатка в гипотезах на этот счёт не наблюдается.

Доминирующей точкой зрения остаётся та, согласно которой тёмную материю составляют массивные элементарные частицы, по какой-то причине очень слабо взаимодействующие с обычным веществом. Устройство мира этих тёмных частиц остаётся тайной за семью печатями, потому что и наши приборы, сделанные из «обычного» вещества, с этим миром почти не соприкасаются. Его частицы не испускают и не поглощают свет, проходят насквозь через звёзды, планеты и наши тела, не взаимодействуя с «нормальными» атомами.

Заметить их мы можем только по гравитационному притяжению с их стороны – например, в галактиках и их скоплениях, где плотность звёзд очень низка; почувствовать их притяжение на Земле и в её ближайших окрестностях не получается, потому что здесь слишком много обычного вещества, на фоне притяжения которого притяжение скрытой массы просто теряется. Впрочем, в последние месяцы появилось сразу несколько экспериментальных результатов, в которых, не исключено, проявилась именно внутренняя – и совсем нетривиальная – структура мира этой тёмной материи. Развитие этой области науки идёт стремительно, и здесь пока очень сложно отделять зёрна от плевел, а здание «новой физики» – от «лесов» математических конструкций, при помощи которых это здание возводится.

Вместе с тем, есть и радикально иная точка зрения на проблему: если законы движения звёзд и галактик предсказывают больше вещества, чем мы видим, – может, проблема не в веществе и нашем зрении, а в самих законах?

При этом речь не идёт даже о законах теории относительности Эйнштейна. Для описания движения звёзд во внешних областях галактик вполне достаточно приближения ньютоновой механики – закона гравитации Ньютона и второго закона его же динамики, так что с ними и предлагается поспорить. Сторонники этой точки зрения вполне резонно замечают, что экспериментально эти законы никогда не проверялись ни на таких огромных расстояниях, которые имеют место в галактиках, ни при таких крохотных ускорениях, что испытывают звёзды, движущиеся на их границах. Что если эти законы нужно модифицировать?

Попытки «поиграться» с формой закона тяготения предпринимались неоднократно, однако ничего путного из них не вышло. То, казалось бы, успешная модификация вдруг спотыкалась о давно установленный в пределах Солнечной системы факт, то предложенный закон делал предсказания чего-то ненаблюдаемого. Чаще же всего они просто не выполняли своего предназначения – необходимость привлечь «тёмную материю», которую выгнали в дверь, начинала маячить в окне новых наблюдений.

Наконец, в начале 1980-х годов израильский астрофизик Мордехай Мильгром осмелился «покуситься на святое» – он предположил, что менять надо не закон тяготения, а второй закон Ньютона, по которому ускорение тела равно приложенной к нему силе, поделённой на его массу.

Мильгром показал, что если при низких ускорениях силе пропорционально не само ускорение, а его квадрат, то движение внешних областей галактик и их скоплений тут же находят объяснение – безо всякой тёмной материи.

Более того, из «модифицированной ньютоновой динамики» (МоНД) Мильгрома совершенно естественным и очевидным образом вытекали и ещё несколько эмпирических законов, связывающих различные характеристики галактик, над объяснением которых астрономы долго ломали головы. Из-за этих успехов и шанса избежать неведомой «тёмной материи» астрономы, выражаясь современным языком, «повелись» на мильгромовский МоНД, и среди астрономов эта теория обсуждается если и не наравне с доминирующими представлениями о наличии тёмной материи, то, по крайней мере, всерьёз.

Стоит отметить, что отношение к МоНДу среди физиков-теоретиков совсем иное – для большей части из них это ересь почти того же порядка, что светоносный эфир или торсионные двигатели. И их можно понять: например, релятивистскую, то есть удовлетворяющую выраженным теорией относительности представлениям о симметрии пространства-времени, версию МоНДа пришлось ждать 20 лет. Израильский физик-теоретик мексиканского происхождения Якоб Бекенштейн опубликовал соответствующую теорию (тензорно-векторно-скалярную гравитацию, ТеВеС) лишь в 2004 году. А до того момента все рассуждения Мильгрома и его коллег физики-теоретики воспринимали примерно так же, как сегодняшние океанологи восприняли бы бубнёж об особенностях циркуляции вод в Индийском океане, опирающийся на модель плоской Земли.

Сейчас обсуждать МоНД стало делом более пристойным, и вот теперь вполне уважаемый профессор Павел Кроупа из Астрономического института имени Аргеландера при Боннском университете в Германии утверждает, что

ему и его коллегам удалось обнаружить парадокс, разрешение которого так или иначе требует отказа от ньютоновой механики.

О своей работе австралиец чешского происхождения Кроупа рассказал на ежегодном совместном общеевропейском и национальном астрономическом съезде (JENAM), который в 2009 году проходит в британском Хартфордшире.

Работа Кроупы, Мануэля Меца и Гельмута Ерьена посвящена карликовым галактикам, окружающим наш звёздный дом – гигантскую галактику Млечный Путь. Недостаток карликов в наблюдениях и так долгое время считался большой проблемой доминирующей космологической модели, но в последнее время проблема, кажется, потихоньку снимается.

Обнаружить их довольно сложно, потому что на фотографиях неба карликовые галактики не выделяются на фоне мириад светил нашей звёздной системы – их удаётся идентифицировать лишь тогда, когда выясняется, что у всех этих звёзд одинаковые физические и кинематические характеристики. Лишь благодаря исполинскому Слоановскому цифровому обзору неба (SDSS) их количество в последнее время начало приближаться к предсказаниям теории.

Кроупа и его коллеги заметили, что значительная часть карликовых галактик, особенно далёких, располагаются примерно в одной плоскости вокруг Млечного Пути и вращаются в одну и ту же сторону, как планеты Солнечной системы вокруг Солнца. Теория тёмной материи предсказывает, что распределение должно быть более или менее изотропным и уж в любом случае в нём не должно быть выделенной оси вращения.

Этот парадокс можно разрешить, если предположить, что указанные карлики – это ошмётки более крупной галактики, поглощённой Млечным Путём миллиарды лет назад. Однако в таком случае в них не должно быть никакой тёмной материи: ободранные с краёв поглощаемой крупной галактики звёзды отваливались от неё без «хвоста» из тёмной материи. Это, в свою очередь, напрямую противоречит другим наблюдениям: звёзды по краям карликов движутся слишком быстро, чтобы их могло удержать притяжение других звёзд.

Иначе говоря, если работают законы Ньютона и есть тёмная материя, тогда там, где она есть по законам Ньютона, её быть не должно.

По мнению Кроупы и его коллег, из этого парадокса один выход – отказаться от ньютоновой механики.

По словам учёных, стыдиться этого нечего. В истории физики уже были случаи, когда ньютонову механику применяли в тех режимах, где она не была экспериментально проверена – например, на очень высоких скоростях или в очень маленьких масштабах, и это приводило к парадоксам. Именно так возникли теория относительности и квантовая механика. Возможно, пора уточнить ньютонову механику и в режиме очень низких ускорений.

Гравитационный коллапс звезды глазами художника. Джеты (белым цветом) являются источниками гамма-излучения. Иллюстрация с сайта isdc.unige.ch

Найден самый удаленный объект во Вселенной

Астрономы обнаружили самый удаленный из известных на настоящий момент объектов во Вселенной. Им оказались останки взрыва GRB 090423 (вероятно черная дыра), который привел к возникновению вспышки гамма-излучения (gamma-ray burst - GRB). Об этом сообщает New Scientist.

Для измерения расстояния до удаленных объектов Вселенной астрономы используют так называемое красное смещение. Данное явление является результатом расширения пространства, которое приводит к сдвигу спектров излучения объектов в сторону красного цвета. Чем дальше свету добираться до Земли - тем более сдвинутым оказывается спектр.

При помощи орбитального телескопа Swift астрономы обнаружили GRB с красным смещением 8,2. Это означает, что данный взрыв произошел 13,1 миллиарда лет назад, то есть тогда, когда Вселенной было всего несколько сотен миллионов лет. Спектральный анализ вспышки для определения смещения был проведен телескопами на Гавайских островах.

По словам исследователей, новый объект является самым удаленным из известных на сегодняшний день. Предыдущий рекордсмен из класса гамма-вспышек имел смещение 6,7, а самая далекая из известных галактик - 6,96. При этом астрофизики отмечают, что ранее появлялись сообщения об обнаружении галактик со смещением 9 или 10, однако эти данные не были подтверждены независимыми наблюдениями.

Ученые надеются, что новое открытие поможет в изучении так называемой эпохи реионизации. Это время, когда стали появляться первые звезды, которые своим излучением ионизировали нейтральный водород, заполнявший молодую Вселенную.

Согласно современным представлениям, вспышки гамма-излучения возникают, когда гравитационный коллапс массивной звезды, у которой выгорело "топливо", приводит к выбросу так называемых джетов. Эти струи материи, движущиеся с высокой скоростью, и являются источниками гамма-лучей. При этом в результате коллапса формируется черная дыра.

Российский спутник зафиксировал гигантский выброс плазмы на Солнце

Российский спутник зафиксировал гигантский выброс плазмы на Солнце. Датчики спутника в течение 10 часов фиксировали, как на краю солнца при полном отсутствия видимой активности был неожиданно сформирован и выброшен исполинский протуберанец. Его длина составила более 600 тыс. километров. Это в 50 раз больше диаметра Земли.
Скорость выброса достигала нескольких сотен километров в секунду, однако специалисты ожидают, что плазма может не преодолеть притяжения Солнца и упадет обратно. В любом случае, этот протуберанец практически не имеет шансов встретиться с Землей.

Главная страница Wolfram Alpha

В Сети появится универсальный вычислитель ответов

В отличие от поисковиков, Wolfram Alpha не использует полнотекстовый поиск, пытаясь найти в Сети существующий ответ на вопрос, а вычисляет его самостоятельно. Новый сервис сможет ответить на вопрос "Где находится Тимбукту?", "Сколько протонов в атоме водорода?", а также, например, "Когда акции Google стоили больше 300 долларов?", не прибегая к веб-поиску. Вместо этого Wolfram Alpha проанализирует поступающие данные и вычислит результат.

Ожидается, что Wolfram Alpha сможет отвечать на вопросы из области науки, технологии, географии, кулинарии, бизнеса, музыки и многих других.

Основой для Wolfram Alpha является вычислительный механизм Mathematica, одной из самых популярных программ компьютерной алгебры, пригодной как для аналитических преобразований, так и для численных расчетов.

Над проектом работало около сотни человек. Вольфрам утверждает, что новый сервис позволит получать фактологическую информацию при помощи простой поисковой строки.

В возникновении молний обвинили космические лучи

Российские физики предложили свою теорию возникновения молний, сообщает РИА Новости. По мнению ученых из группы Александра Гуревича, работающего в Физическом институте имени Лебедева РАН (ФИАН), молнии рождаются под влиянием космического излучения.

Молния представляет собой гигантский электрический разряд, возникающий в нижних слоях атмосферы. Первым природу молний объяснил американский ученый, журналист и политический деятель Бенджамин Франклин в 1752 году. Во время грозы он запустил воздушного змея с прикрепленным к шнуру металлическим ключом, и увидел, как от ключа разлетаются искры. Франклин заключил, что молния - это разряд, возникающий между облаками и Землей.

Для возникновения разряда необходимо, чтобы между облаками и Землей (или между соседними облаками) была значительная разность потенциалов. Когда она достигает некоего порогового значения, возникает "пробой" - молния.

В этой теории есть одно слабое место. Как рассказал корреспонденту агентства один из исследователей, член-корреспондент РАН Кирилл Зыбин, расчетное значение порогового поля на порядок превосходит реально наблюдаемое. По мнению ученых, для возникновения молний необходима некая "затравка", в качестве которой может выступать космическое излучение. Оно представляет собой потоки частиц высокой энергии, достигающих Земли из космоса.

Гуревич и его коллеги считают, что высокоэнергетические космические частицы запускают процесс, получивший название пробоя на убегающих электронах (ПУЭ). ПУЭ представляет собой лавинообразное размножение в веществе быстрых электронов с характерной энергией 0,1-10 мегаэлектронвольт. В атмосфере ПУЭ возникает в постоянном электрическом поле, на порядок меньшем поля обычного пробоя.

Ученые выдвинули еще одну гипотезу, связанную с молниями. Согласно их данным, при каждом "шаге" молнии выделяется большое количество гамма-квантов. Такой вывод был сделан по итогам наблюдений, проведенных в высокогорной станции ФИАН Тянь-Шане: гамма-всплески фиксировались только во время грозы.

Что касается гипотезы о роли ПУЭ в возникновении молний, то пока проверить ее экспериментально не представляется возможным, уточняют ученые.

Следует отметить, что Гуревич и Зыбин занимались изучением ПУЭ в грозовых процессах еще в 2001 году. Здесь можно прочитать их обзор, посвященный этому вопросу.

Американские ученые сделали изобретение, которое способно перевернуть мировую экономику. Планета откажется от бензиновых двигателей и полностью перестроит энергетику. Экология улучшится, но все это потребует многотриллионных инвестиций. Фантастика? Но в истории человечества подобное случалось не раз. На этот раз нашу жизнь может изменить изобретение ученых из Массачусетского технологического института (МТИ) - быстрозаряжаемый аккумулятор.

Страна, которая первой внедрит в жизнь основанные на этой технологии новаторские машины, имеет все шансы стать мировым лидером. И первой выйдет из нынешнего экономического кризиса. Конечно, если не помешают конкуренты.

Представьте себе такую картину: на трассе Москва-Санкт-Петербург через каждые 150 км расположены "розетки", к которым лишь на несколько минут подключаются электромобили и мчатся далее, не загрязняя атмосферу вредными выхлопами. Можно даже придумать щетки, как в обычных генераторах, чтобы заряжаться не прекращая движения. Про зарядку мобильников и ноутбуков за считанные секунды можно и не говорить - это будет уже через два года.

Аккумулятор изобрели заново

Джербранд Сидер и Канг Бьёнву сумели так изменить обычные литий-железофосфатные аккумуляторы, что скорость перемещения катионов лития в них стала почти в 100 раз выше. Иначе говоря, если такой аккумулятор подсоединить к сети, то электроны почти моментально становятся на отведенные им места в кристаллической решетке - раз, и батарея уже заряжена. Соответственно резко уменьшилась продолжительность полной зарядки такого аккумулятора, которая теперь составляет 20-30 секунд, в худшем случае 4-5 минут, т.е. меньше, чем даже заправка бензином на АЗС.

Это революция?

Почему новый аккумулятор так важен - ведь электромобили выпускаются уже давно? Все дело в удобстве использования. Электромобили действительно давно разработаны и выпускаются небольшими партиями, но использование их ограничено малым пробегом на одной зарядке аккумулятора и длительностью этой зарядки, достигающей... 5 часов. Также сейчас уже в массовом масштабе выпускаются гибридные автомобили, в которых установлены попеременно работающие бензиновый и электродвигатель. Но, несмотря на небольшое потребление топлива, они гораздо дороже, чем обычные легковушки с двигателем внутреннего сгорания. А самое главное - требуют многочасовой зарядки и потому непригодны для сколько-нибудь дальних поездок на электротяге. Для поощрения покупки таких автомобилей "продвинутым" правительствам приходится искусственно стимулировать спрос на них - в Англии, например, разрешен бесплатный въезд в центр Лондона, хотя владельцы обычных бензиновых авто платят 25 фунтов в день!

Так что изобретение ученых из знаменитого МТИ имеет все шансы стать началом новой промышленной революции. И на этот раз все начнется в электротехнике, особенно использующейся в электромобилях. Если изобретателям не помешают...

Кому невыгоден технический прогресс

Казалось бы, "экологически продвинутые" правительства, прежде всего западных стран, изобретению очень обрадуются и скоро заставят свое население пересесть на новые быстрые, удобные и экономичные электромобили. Разумеется, и "зеленые" будут страшно рады.

Однако... Вспомните, сколько лет назад в нашу жизнь вошла новинка, перевернувшая жизнь. Те, кому за двадцать, назовут мобильный телефон. Сорокалетние - появившийся в самом конце 1970-х персональный компьютер. Не маловато ли? Ведь в наше время на исследования и разработки выделяется больше средств, чем за всю предшествующую историю человечества. Вспомните хотя бы, сколько революционных изобретений было внедрено в жизнь за сотню лет до момента появления телевидения: паровая машина, бензиновый и дизельные двигатели, пластмасса и парашют, теплоход и автомобиль, телефон, радио... Это далеко не полный список.

Почему же с тех пор почти не появилось ничего принципиально нового и мы продолжаем пользоваться прадедовскими открытиями? Осмелимся предположить, что на самом деле за это время замечательных открытий было сделано гораздо больше. Но их, возможно, "придержали". Чтобы понять, как это могло произойти, далеко ходить не надо, достаточно вспомнить историю компакт-дисков и DVD. Промышленная технология их производства была освоена еще в начале 1980-х годов, но транснациональные корпорации еще очень долго выпускали магнитофоны. Зачем? Чтобы полностью окупить свои инвестиции в заводы по выпуску кассетных магнитофонов и кассет. Или как в России ремонтируют дороги: каждый подрядчик знает, что если асфальт пойдет ямами уже ближайшей весной, то новый подряд все равно дадут ему же. В таких условиях строить хорошие дороги - сплошные убытки. Представьте, сколько будет желающих "похоронить" супераккумулятор среди тех, кто вложил миллиарды в заправки, НПЗ и двигатели... Но будут и другие. Те, кто заработает на новинке триллионы. Им может помочь... кризис.

У России есть возможность для рывка?

"Хоронить" революционные новинки хорошо тогда, когда все хорошо. И нет нужды ничего менять. Однако сейчас ситуация в мире другая. Свирепствует небывалый мировой экономический кризис, а как из него выйти - никто не знает. Старые рецепты вроде выпуска "массовых" автомашин и строительства автодорог уже не работают. Просто печатать деньги, будь это рубли или доллары, тоже слабо помогает. Вот тут-то могла очень помочь новая промышленная революция.

Представьте: по цене ВАЗ-2110 вам предлагают небольшую машину, которая заряжается от специальной розетки на автозаправке за полминуты. Не коптит, не шумит, денег на заправку требует в несколько раз меньше. Можно не сомневаться, купить ее захотели бы многие. Значит, новый завод по выпуску электромобилей быстро бы окупился, и надо было бы строить новый, и потом еще один. Вокруг них появились бы производители комплектующих, аккумуляторов и розеток для зарядки. Вместо старых НПЗ придется строить новые электростанции, прокладывать тысячи километров кабеля. Новые заводы, новые рабочие места, а тут и подъем экономики не за горами.

А главное - что будет решена основная проблема современной экономики: отсутствие спроса. Мы ведь сами усугубляем кризис, не покупая новые машины, не вкладывая в строительство, отказываясь от нового мобильника. А тут придется все поменять.

Понятно, что все "сливки" снимут те страны, которые первыми смогут начать выпуск принципиально новой продукции. Это хороший шанс и для России не только первыми выйти из экономического кризиса, но и стать новым мировым технологическим лидером. Не о такой ли возможности говорили и лидеры страны, когда предлагали сосредоточиться на инвестициях и инновациях?

Фредерик Бегбедер. 99 франков:

"...ты случайно узнаешь, что существуют сверхпрочные стиральные машины, которые, однако, не хочет выпускать ни один производитель; что какой-то тип изобрел нервущуюся нить для чулок, но крупная фирма колготок откупила у него патент и похерила его; что патент на "вечные" шины тоже спрятан в долгий ящик, и это при том, что ежегодно на дорогах гибнут тысячи людей; что нефтяное лобби делает все от него зависящее, дабы затормозить распространение электромобилей (ценой загрязнения атмосферы углекислым газом...), что фольга гораздо вреднее асбеста; что состав кремов от солнца не менялся со времен Второй мировой войны"

10 САМЫХ КРАСИВЫХ ЗА ВСЮ ИСТОРИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

И.А.СОКАЛЬСКИЙ, кандидат физико-математических наук

Зрители: эксперименты прошлого

В пяти предыдущих статьях цикла "Вселенная: материя, время, пространство" (Продолжение. Начало см. в №№ 6—11, 2006), использовав аналогию театра, мы рассказали о том, как устроен наш мир. Время и пространство образуют сцену, на которой разыгрывают сложнейшие и запутанные сюжетные линии главные и второстепенные действующие лица, а также невидимые актеры. Осталось поговорить о нас с вами — о зрителях. Мы не успели к началу спектакля, который начался 14 миллиардов лет назад, а появились в зрительном зале совсем недавно по космическим масштабам времени — прошло всего несколько тысяч лет. Но нам многое удалось понять в театральном действии, хотя еще больше предстоит выяснить. Не все представители рода человеческого посвящают свои жизни познанию законов природы. Только небольшая часть, ученые. О том, как они это делают, — две последние статьи цикла. Сначала поговорим о самых красивых физических экспериментах прошлого.

Земля — шар радиусом около 6400 км. Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Сила гравитационного притяжения между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояний между ними. В нашей Галактике примерно 100 миллиардов звезд. Температура поверхности Солнца около 6 тысяч градусов. Эти простые физические факты складываются с десятками тысяч других, самых разных, — таких же простых для понимания, или не слишком простых, или совсем сложных, — образуя физическую картину мира.

У человека, начинающего знакомиться с физикой, неизбежно возникает как минимум два серьезных вопроса.

Чтобы понять, нужно запомнить все?

Вопрос первый: неужели для того, чтобы понять устройство Вселенной и законы, по которым она существует, нужно узнать и запомнить все накопленные до сих пор физические факты?! Конечно, нет. Это невозможно. Фактов слишком много. Неизмеримо больше, чем могло бы уместиться не только в человеческом мозгу, но даже на магнитном диске самого современного суперкомпьютера. Только объем информации о размерах, температуре, спектральном классе и местоположении всех звезд нашей Галактики составляет 2—3 терабайта. Если добавить сюда другие характеристики звезд, то этот объем вырастет в несколько десятков или даже сотен раз. Еще в миллионы раз увеличится количество данных, если рассматривать и звезды в других галактиках. А еще сведения о планетах, газовопылевых туманностях. А еще информация об элементарных частицах, их свойствах и распределении по объему Вселенной. А еще... А еще... А еще...

Совершенно невозможно запомнить или даже просто записать куда-нибудь такое количество цифр. К счастью, это и не нужно. В том и заключается невыразимо гармоничная красота нашего мира, что бесконечное многообразие фактов вытекает из очень небольшого количества базовых принципов. Поняв эти принципы, можно не только понять, но и предсказать громадное множество физических фактов. Например, система уравнений электродинамики, предложенная 150 лет назад Дж. Максвеллом, включает в себя всего четыре уравнения, занимающих от силы 1/10 страницы учебника. Но из этих уравнений можно вывести всю кажущуюся на первый взгляд необъятной совокупность явлений, связанных с электромагнетизмом.

В принципе современная физика как раз и ставит себе целью построить единую теорию, которая включала бы в себя всего несколько уравнений (в идеале — одно), описывающих все известные и правильно предсказывающих новые физические факты.

Откуда мы знаем?

Вопрос второй: а откуда мы знаем и почему мы уверены в том, что все это действительно так? Что Земля имеет форму шара. Что в ядре гелия два протона и два нейтрона. Что сила притяжения между двумя телами прямо пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояний. Что уравнения Максвелла правильно описывают электромагнитные явления. Мы знаем это из физических экспериментов. Когда-то, давным-давно, люди от простого созерцания природных явлений постепенно перешли к их изучению с помощью осознанно поставленных экспериментов, результаты которых выражаются числами. Примерно к XVI—XVII векам сложился тот принцип физического познания природы, который до сих пор состоит на вооружении у науки и который можно схематически проиллюстрировать вот так: Явление→Гипотеза→Предсказание→Эксперимент→Теория.

Для объяснения какого-либо природного явления физики формулируют гипотезу, которая могла бы это явление объяснить. На основании гипотезы делают предсказание, которое, в общем случае, представляет собой некоторое число. Последнее проверяют экспериментально, производя измерения. Если число, полученное в результате эксперимента, согласуется с предсказанным, гипотеза получает ранг физической теории. В противном случае все возвращается на вторую стадию: формулируется новая гипотеза, делается новое предсказание и ставится новый эксперимент.

Эксперимент — ключ к пониманию мироздания

Несмотря на кажущуюся простоту схемы, процесс, описанный пятью словами и четырьмя стрелками, на деле занимает порой тысячелетия. Хорошим примером служит модель мира, эволюцию которой мы уже прослеживали в одной из предыдущих статей. В начале нашей эры утвердилась геоцентрическая модель Птолемея, согласно которой в центре мира располагалась Земля, а вокруг нее вращались Солнце, Луна и планеты. Эта модель была общепризнана в течение полутора тысяч лет, сталкивалась, однако, со все более серьезными сложностями. Наблюдаемое положение на небе Солнца, Луны и планет не соответствовало предсказаниям геоцентрической модели и такое противоречие становилось все более непреодолимым, поскольку точность наблюдений росла. Это заставило Николая Коперника предложить в середине XVI века гелиоцентрическую модель, согласно которой в центре находится не Земля, а Солнце. Гелиоцентрическая гипотеза получила блестящее подтверждение благодаря беспрецедентным по точности (для того времени) наблюдениям Тихо Браге, результаты которых совпали с предсказаниями гелиоцентрической модели. Последняя стала общепринятой, получив, таким образом, статус теории.

Этот пример, равно как и рассмотренная нами схема, показывают ключевую роль эксперимента в процессе научного познания окружающего мира. Только с помощью эксперимента можно проверить физическую модель. Чрезвычайно важен тот факт, что результаты эксперимента, так же как и предсказания физической модели, не качественные, а количественные. То есть представляют собой набор самых обыкновенных чисел. Поэтому сравнение вычисленных и измеренных результатов — вполне однозначная процедура. Только благодаря этому физический эксперимент смог стать ключом, открывающим путь к пониманию мироздания.

Десять самых красивых

Десятки и сотни тысяч физических эк¬спериментов было поставлено за тысячелетнюю историю науки. Непросто отобрать несколько "самых-самых"», чтобы рассказать о них. Каков должен быть критерий отбора?

Четыре года назад в газете "The New York Times" была опубликована статья Роберта Криза и Стони Бука. В ней рассказывалось о результатах опроса, проведенного среди физиков. Каждый опрошенный должен был назвать десять самых красивых за всю историю физических экспериментов. На наш взгляд, критерий красоты ничем не уступает другим критериям. Поэтому мы расскажем об экспериментах, вошедших в первую десятку по результатам опроса Криза и Бука.

1. Эксперимент Эратосфена Киренского

Один из самых древних известных физических экспериментов, в результате которого был измерен радиус Земли, был проведен в III веке до нашей эры библиотекарем знаменитой Александрийской библиотеки Эрастофеном Киренским. Схема эксперимента проста. В полдень, в день летнего солнцестояния, в городе Сиене (ныне Асуан) Солнце находилось в зените и предметы не отбрасывали тени. В тот же день и в то же время в городе Александрии, находившемся в 800 километрах от Сиена, Солнце отклонялось от зенита примерно на 7°. Это составляет около 1/50 полного круга (360°), откуда получается, что окружность Земли равна 40 000 километров, а радиус 6300 километров. Почти невероятным представляется то, что измеренный столь простым методом радиус Земли оказался всего на 5% меньше значения, полученного самыми точными современными методами.

2. Эксперимент Галилео Галилея

В XVII веке господствовала точка зрения Аристотеля, который учил, что скорость падения тела зависит от его массы. Чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. Наблюдения, которые каждый из нас может проделать в повседневной жизни, казалось бы, подтверждают это. Попробуйте одновременно выпустить из рук легкую зубочистку и тяжелый камень. Камень быстрее коснется земли. Подобные наблюдения привели Аристотеля к выводу о фундаментальном свойстве силы, с которой Земля притягивает другие тела. В действительности на скорость падения влияет не только сила притяжения, но и сила сопротивления воздуха. Соотношение этих сил для легких предметов и для тяжелых различно, что и приводит к наблюдаемому эффекту.

Итальянец Галилео Галилей усомнился в правильности выводов Аристотеля и нашел способ их проверить. Для этого он сбрасывал с Пизанской башни в один и тот же момент пушечное ядро и значительно более легкую мушкетную пулю. Оба тела имели примерно одинаковую обтекаемую форму, поэтому и для ядра, и для пули силы сопротивления воздуха были пренебрежимо малы по сравнению с силами притяжения. Галилей выяснил, что оба предмета достигают земли в один и тот же момент, то есть скорость их падения одинакова.

Результаты, полученные Галилеем. — следствие закона всемирного тяготения и закона, в соответствии с которым ускорение, испытываемое телом, прямо пропорционал�