Невидимое излучение Космоса Галактики СодержаниеОткрытие космических лучейПрирода космического излученияИсточники космических лучейВлияние космического излучения на техникуВоздействие космических


За волной волна

Прошло несколько недель после сенсационного сообщения научной группы детектора aLIGO об открытии гравитационных волн. Шумиха улеглась, количество научных статей по этому поводу несколько уменьшилось, и их тематика перешла в другую плоскость. Самое время разобраться, какие новые открытия гравитационная астрономия сулит нам в будущем и как она повлияет на наше понимание процессов во Вселенной?

Волны нашли — это действительно грандиозный результат, подтверждающий общую теорию относительности Эйнштейна ровно в год столетия ее публикации. Более того, сигнал впервые доказал существование черных дыр звездных масс, до этого момента объектов ожидаемых, предсказанных, но чье существование не было надежно установлено. Астрономы даже определили массу этих черных дыр. А что же нам обещают дальше?

Понятно, что в будущем гравитационные волны станут интересны ученым не сами по себе, а как средство пролить свет на очередные загадки Вселенной. Они превратятся из объекта исследования (скорее всего достаточно распространенного — уже скоро должны появиться свежие статьи той же команды, где они представят данные о регистрации новых сигналов), в инструмент для проверки нашего понимания мира.

Для начала давайте вспомним, что нам может дать гравитационно-волновая астрофизика. Вот круг задач, которые будут решать существующие и строящиеся гравитационные детекторы:

1. Сливающиеся двойные черные дыры могут стать прекрасными «стандартными сиренами» (по аналогии со «стандартными свечами», которые используются для определений расстояний в привычной нам электромагнитной астрономии). Если удастся зарегистрировать одновременно гравитационный и электромагнитный сигналы (например, от слияния черных дыр), то это резко повысит точность определения расстояний во Вселенной, а также обновит значения таких фундаментальных параметров как космологическая постоянная, плотность вещества во Вселенной, постоянная Хаббла, пространственная кривизна и так далее.

2. В центре нашей Галактики (как и в подавляющем большинстве других галактик) присутствует объект массой в несколько миллионов масс Солнца. Это известно по движению небесных тел вокруг того, что мы все привыкли называть сверхмассивной черной дырой , хотя прямых подтверждений того, что это именно она нет. Поэтому консервативная часть научного сообщества продолжает называть его — официально — Темным Массивным Объектом (ТМО), объясняя это тем, что согласно всем предсказаниям, оно, конечно, должно быть черной дырой, но пока мы не доказали наличие горизонта событий — лучше не рисковать. Любой компактный объект массой порядка одной солнечной, притянутый гравитацией ТМО, совершит до миллиона оборотов, излучая в пространство гравитационные волны, которые будут способны уловить гравитационные детекторы, размещенные в космосе. Форма пришедшего сигнала будет сильно зависеть от того, чем именно является ТМО. Если форма совпадет с предсказанной — это будет долгожданным доказательством существования сверхмассивных черных дыр.

Кроме того, гравитационные волны от черных дыр с массами в миллионы масс Солнца настолько сильные, что их можно будет регистрировать на значительных расстояниях. А это, в свою очередь, поможет установить, когда началось их формирование, и верно ли наше представление о том, что они образовывались частым слиянием сравнительно небольших предшественников, массами в 100-1000 масс Солнца.

Теоретическая частота гравитационных волн, порожденных разными событиями, такими как столкновение черных дыр, нейтронных звезд, взрыв сверхновых или квантовые флуктуации ранней Вселенной

NASA Goddard Space Flight Center

Поделиться

3. Подобно реликтовому излучению, которое несет информацию о Большом Взрыве, и благодаря которому температура Вселенной равна трем Кельвинам, существует также стохастический гравитационно-волновой фон. Он мог быть образован в ранней Вселенной под воздействием квантовых осцилляций (колебаний), возникших в конце стадии инфляции. Предполагаемая плотность энергии подобных осцилляций очень сильно разнится от модели к модели, но теоретически они могут быть зарегистрированы будущими детекторами. Необходимо заметить, что доказать, что это именно те реликтовые гравитационные волны, которые мы ищем, может быть совсем уж непростой задачей — у всех еще на слуху громкая история команды BICEP2, которая сначала увидела поляризацию реликтового излучения, вызванную сильными гравитационными волнами в ранней Вселенной. Потом же оказалось, что источник поляризации — это всего лишь тепловое излучение пыли в Млечном Пути.

4. Разлет вещества при взрыве сверхновой, конечно же, тоже порождает гравитационные волны. Исторически, именно на поимку этих волн были настроены первые детекторы. И хотя они так и не смогли ничего обнаружить, это вовсе не значит, что и новое поколение детекторов окажется бессильным. Проблема в том, что в Млечном пути подобные события случаются слишком редко, а значит ловить придется гораздо более слабые сигналы из других галактик. Тем не менее, именно регистрация подобных волн должна показать нам процессы, которые происходят в ядре сверхновой перед самым взрывом, когда в оболочке из водорода и более тяжелых элементов уже сформировалась нейтронная протозвезда и ее сверхсильные магнитные поля, как считается, играют важную роль в рождении сверхновой.

5. Если космические струны существуют, то в их точках перегиба должны возникать слабые гравитационные волны. Струны предсказаны теорией Великого объединения и некоторыми инфляционными моделями. Поимка подобных низкочастотных волн превратила бы эти экзотические модели в серьезные теории.

Для реализации этих смелых идей нужны подходящие инструменты. Уже сейчас одновременно готовятся к запуску или проектируются сразу несколько таких детекторов. Помимо выполнения общих исследований, перечисленных выше, каждый из них будет иметь и свои уникальные особенности. Мы постараемся рассказать о самых интересных из них.

Детекторы Virgo и LIGO относились к первому поколению инструментов поиска гравитационных волн (в своем «классе», конечно, резонансные детекторы Джозефа Вебера мы в расчет не берем). Принцип их работы вкратце таков: луч лазера раздваивается системой призм и зеркал и оба получившихся луча бегают по двум туннелям, расположенным перпендикулярно. Отразившись много раз от зеркал, эти лучи снова соединяются и попадают на детектор — такая схема называется интерферометром Майкельсона. Если расстояние между зеркалами одинаковое, то оба луча приходят в фазе друг с другом (ведь они изначально испущены одним и тем же лазером). Если же по какой-то причине (например, из-за проходящей гравитационной волны) расстояние между одной парой зеркал изменилось (пусть даже очень незначительно и на короткое время), то лучи придут не в фазе, что создаст интерференционную картину вроде вот . На самом деле такие концентрические окружности хороши для лабораторных работу в ВУЗах, в то время как ученые придумали менее эффектный, но более эффективный метод: пришедший сигнал попадает на один-единственный детектор, который работает по принципу микрофона, преобразуя его в колебания напряжения. Именно поэтому первый пойманный сигнал гравитационный волны выглядел вот так:

Сигнал детекторов aLIGO. Две «гребенки» — это независимая регистрация интерференционной картины приемниками в Хэнфорде и Ливингстоне

GW150914 tutorial

Поделиться

После модернизации проект LIGO стал называться aLIGO, Virgo — aVirgo (a — advanced) и теперь это уже второе поколения детекторов. Их приборы оказались способны обнаруживать гравитационные волны (тот самый знаменитый всплеск GW150914), но их чувствительность все еще ограничена, в частности, влиянием сейсмической активности Земли и тепловыми помехами, которые ухудшают стабильность подвеса зеркал (это та часть проекта aLIGO, которой в составе международной коллаборации занимались российские ученые из группы профессора Владимира Брагинского).

Третье поколение детекторов, которое сейчас только проектируется, должно преодолеть подобные проблемы за счет, например, строительства подземных интерферометров, в которых зеркала и оборудование будет охлаждаться до сверхнизких температур. Таким прибором должен стать телескоп Эйнштейна, который будет работать по все тому же принципу интерферометра Майкельсона, но с длиной плеча в десять километров (у aLIGO всего четыре километра), а треугольная схема позволит получать координаты источника гравитационных волн. Проект находится на начальной стадии, еще не выбрано место строительства.

Чувствительности телескопа Эйнштейна на низких частотах (порядка 10-20 Гц, это звуки самых широких труб органа, на границе слышимого человеком диапазона и инфразвука) должно хватить для обнаружения гипотетического класса черных дыр промежуточной массы: отдельные черные дыры уже найдены, но их должно быть намного, намного больше. Есть теории, согласно которым подобные черные дыры могут находиться в центрах ультраярких рентгеновских источников. Телескоп сможет засечь подобные черные дыры на красных смещениях до z~15 (!), то есть практически от момента, когда они вообще могли теоретически впервые сформироваться.

Если реальная чувствительность этого телескопа окажется такой же, как планируется, то телескоп Эйнштейна сможет искать гравитационные волны от глитчей нейтронных звезд. Глитчи представляют собой своего рода «звездотрясения», возникающие тогда, когда из-за разных скоростей вращения коры и ядра поверхность нейтронной звезды начинает резко изменять свою геометрию.

Следующий гигант на подходе и один из самых масштабных и ожидаемых проектов — это, конечно, eLISA

. Изначально совместный проект NASA и Европейского космического агентства (ESA) должен был называться LISA — Laser Interferometer Space Antenna, то есть космическая лазерная интерферометрическая антенна. Однако, в 2011 году из-за недостатка финансирования NASA вышла из проекта и его слегка упростили, чтобы ESA смогла потянуть постройку детектора в одиночку. Если не произойдет никаких неожиданностей, то в 2034 году в космос полетит комплект из трех спутников, которые образуют равносторонний треугольник, обращающийся вокруг Солнца по той же орбите, что и Земля, но отстающий от нее на угол в 20 градусов. Каждый спутник будет и источником и приемников сигналов интерферометра, кроме того, он будет выполнен по схеме «спутник с нулевым ускорением» (zero-drag satellite), то есть лазер и зеркала будут свободно висеть внутри внешней оболочки. Такая схема защищает прибор от воздействия каких-либо тормозящих или ускоряющих сил (вроде солнечного ветра или соударения с частицами газа и пыли), так что интерферометр будет двигаться только под воздействием гравитации (которая, как показал Эйнштейн, нисколько не сила, а очень даже искривление пространства-времени).

В статье «Перспективы детектора eLISA для обнаружения двойных черных дыр в нашей Галактике» Наоки Сето кратко описывает устройство космического интерферометра и, что более важно, пишет о научных задачах, которые стоят перед детектором: eLISA сможет мерить эксцентриситет орбит сливающихся черных дыр и определять участок неба, откуда идет сигнал. Это важно, потому что параметры орбиты напрямую зависят от способа происхождения этих ЧД.

На сегодня есть две модели их образования: сценарий «изолированных двойных» и «динамический сценарий».

В первом случае в изначально двойной системе массивные звезды эволюционируют и по каким-то причинам не разлетаются друг от друга после взрыва сверхновых, но продолжают вращаться друг вокруг друга, уже превратившись в две черные дыры. Кстати, шагом в развитии этой теории было опубликованное на нашем ресурсе несколько неожиданное предположение астрофизика Абрахама Лоеба о том, что сентябрьский гравитационный всплеск образован двумя черными дырами, появившимися в результате деления одной быстровращающейся очень массивной звезды. В этом случае эксцентриситет будет близким нулю — это круговая орбита.

В случае динамического сценария черные дыры появляются в изолированных системах или вследствие разрушения двойных систем. Важным аспектом этого сценария является наличие вокруг плотного звездного окружения. Обмен кинетической энергией систем из множества тел приводит к тому, что массивная черная дыра стремится оказаться ближе к общему центру масс звездного скопления. Там рано или поздно она оказывается захвачена гравитационным полем такой же одинокой черной дыры. Их суммарная масса и угловой момент обычно достаточны, чтобы выбросить прочь все прочие звезды и другие объекты поблизости — пара черных дыр сформирована. В этом случае эксцентриситет орбиты приближается к единице, то есть она будет эллиптической. Важно отметить, что по мере сближения и потери углового момента, орбиты будут округляться, поэтому важно зарегистрировать гравиволны еще тогда, когда черные дыры будут достаточно далеко друг от друга — и в этом расположенная в космосе eLISA не будет знать себе равных (с Земли мы сможем измерить эксцентриситет только если он будет слишком большим, например, при наличии третьей звезды, а это маловероятное событие). По последним осторожным прикидкам астрофизиков в кубе со стороной 1 гигапарсек (в этот объем входит несколько скоплений галактик) в год сливаются от 2 до 400 пар черных дыр различных масс, так что данных должно быть достаточно.

При умеренно-консервативных подсчетах, eLISA будет способна регистрировать гравитационные волны, которые уносят энергию черных дыр массами 50-100 солнечных в четырех миллиардах световых лет от нас. А черные дыры массами в миллионы и миллиарды масс Солнца она будет способна увидеть на расстояниях, сравнимых с масштабами всей видимой Вселенной. Это предоставит ученым очень важные наблюдательные данные, которые помогут выяснить процессы образования и эволюции галактик.

Практически одновременно вышла еще одна статья о преимуществах, которые появятся у ученых, когда eLISA и aLIGO будут работать вместе. Альберто Сесано из Университета Бернингема в своей публикации «Прогнозы многоволновой гравитационной астрономии» утверждает, что, похоже, источники гравитационных волн, которые в сентябре засек детектор aLIGO, детектор eLISA тоже потенциально мог бы обнаружить.

Это ведет к трем важным последствиям: во-первых, детектор eLISA будет способен обнаружить несколько тысяч двойных сливающихся черных дыр, во-вторых, миллионы подобных черных дыр во Вселенной и миллионы же двойных белых карликов в нашей Галактике будут привносить заметный шум в показания детекторов, с которым надо бороться. Наконец, в-третьих, — и это может оказаться самым важным, — часть сливающихся черных дыр (до сотни по предварительным расчетам) будут сначала обнаружены eLISA и через несколько недель — aLIGO. Это даст возможность заранее подготовиться как детектору гравитационных волн, так и другим доступным телескопам, чтобы следить за выбранным участком пространства.

Такая задержка сигнала никак не связана со скоростью распространения гравитационных волн — еще в 2003 году астрофизик Сергей Копейкин в совместной работе с Эдом Фомалонтом доказал, что они летят со скоростью света. Дело в том, что eLISA будет работает на чуть бóльших длинах волн и сможет регистрировать черные дыры, которые вращаются дальше друг от друга и еще не готовы слиться (напомним, что частота гравитационных волн напрямую связана с частотой обращения черных дыр вокруг центра их масс). Если бы eLISA работала сейчас, то она бы зарегистрировала испускание гравитационных волн от той самой системы GW150914 еще 5 лет назад, определила бы массы черных дыр с точностью в одну сотую, их координаты с точностью до одного градуса и время слияния с точностью лучше, чем 10 секунд. Такая связка различных детекторов, работающих на разных частотах, открывает перспективы многоволновой гравитационной астрономии — совершенно новому способу получения знаний о мире вокруг. А если использовать гравитационные детекторы в связке с существующими привычными нам телескопами, то результаты должны быть еще лучше.

Вообще говоря, существующие модели не предсказывают сильного выброса электромагнитного излучения при слиянии черных дыр, однако космический телескоп Ферми, судя по всему, зарегистрировал гамма-излучение в той области, где обнаружили сигнал от GW150914. Это может быть ионизированный газ (плазма), который образовал подобие аккреционного диска вокруг двух черных дыр. Использование антенны eLISA в качестве упреждающего детектора поможет заранее навестись на предполагаемую область неба телескопам, работающим во всем диапазоне электромагнитного спектра — от радио и инфракрасного до рентгеновского и гамма-излучения. Изучение характеристик и особенностей черных дыр, тесты теории гравитации в экстремальных условиях, проверка наших знаний фундаментальной физики — вот это вот все станет доступным астрофизикам в течение ближайших 20 лет.

Один из вопросов, который надо решить, если мы готовимся регистрировать сверхдалекие гравитационные волны — как их искажает расширение Вселенной? Будут ли они подвержены эффекту Доплера? Недавняя статья профессора Абхай Аштекара из Penn State University утверждает, что вполне будут: и длина гравитационных волн и массы черных дыр будут искажаться пропорционально (1+z), где z — это красное смещение. То есть из-за расширения пространства нам будет казаться, например, что все черные дыры тем тяжелее, чем они от нас дальше, и на это надо будет делать поправку.

Впрочем, если ждать гравитационные детекторы третьего поколения не хватает терпения и хочется красивых результатов сейчас и побольше, то у нас есть хорошая новость: японцы уже почти достроили свой детектор KAGRA (в марте 2014 года завершено строительство туннелей, регистрация сигналов должна начаться в 2018-м году). Его можно условно отнести к поколению «2+»: детектор будет чуть лучше aLIGO в области частот порядка мегагерц и сможет более точно «видеть» само слияние ЧД. А если все расчеты подтвердятся, то сможет засечь слияние нейтронных звезд на расстоянии до 240 мегапарсек (поверьте — это очень много). Парадоксально, но детектор будет улавливать те самые гравитационные волны, которые сейчас безжалостно отфильтровываются командами aLIGO и VIRGO как гравитационный шум. Вроде сигналов от нейтронных звезд, которые слишком слабые, чтобы было возможно их различить, но слишком часты, чтобы не учитывать их вовсе.

Сравнительная чувствительностьдетекторов LIGO до и после модернизации, Virgo и японского детектора KAGRA. По горизонтальной оси отложена частота гравитационных волн.

Riccardo Sturani, presentation at 9th LISA symposium, 24.05.2012

Поделиться

В заключение можно сказать, что гравитационная астрофизика, родившаяся в сентябре 2020 года, в ближайшие десятилетия будет переживать стремительный расцвет. И объединенные усилия теоретиков, наблюдателей и строителей телескопов должны (нет, не пролить свет — это выражение уже не подходит новой науке) вывести знания человечества по кривой четырехмерной дорожке пространства-времени на новый уровень.

Марат Мусин

Открытие силы тяги электромагнитных волн в космосе

Электромагнитная волна – есть источник силы движения в космосе! Это новое для науки и для полетов в космосе открытие, которое сделано здесь и сейчас! Объяснение принципа работы двигателя EmDrive Р. Шойера.

Этим объясняется принцип работы двигателя EmDriveамериканскогоинженера Роджера Шойера. Электромагнитная волна взаимодействует с материей космоса.

Американский инженер-электрик Роджер Шойер (Roger Shawyer) в 1999 г. изобрел принципиально новый двигатель для полетов ракет и спутников в космосе. Свой новый аппарат, напоминающий по внешнему виду «ведро» (см. картинку), работающий от излучения электромагнитных волн сверх высокой частоты он назвал – EmDrive (электромагнитный привод). Идею двигателя Р. Шойер запатентовал, её подхватили в мире и в 2010 году в Китае, а затем в США создали действующие модели.

В процессе испытаний было установлено, что двигатель EmDrive реально обладает тягой. По теоретическим расчетам (пишет российская газета «Комсомольская правда» в номере № 104 от 13.09.2017 г.), оснащенный сверхпроводящими магнитами, он имеет перспективу и может развивать скорость до 30 000 км. в секунду.

Р. Шойер, повествуя о работе нового двигателя, ничего не сказал о принципе возникающей в нём силы тяги. Отмечая преимущества, он акцентировал внимание лишь на том, что двигатель не потребляет и не сжигает никакого топлива, и движется совсем в другую сторону, откуда в корпус двигателя подводится источник электромагнитных волн СВЧ.

Ученые-критики не попытались понять, как и за счет чего образуется сила тяги, в словах Р. Шойера они не увидели ничего кроме нарушения Третьего закон Ньютона, который гласит: «Взаимодействия двух тел друг на друга равны между собой и направлены в противоположные стороны».

На сегодняшний день учеными со всего мира о принципе работы двигателя EmDrive было высказано множество самых невероятных гипотез, начиная от категоричных утверждений – этого не может быть никогда, до скрупулезных, сложных математических расчетов, которые нисколько не «проливают света» в объяснение принципа движения. В этой связи, как пошутил Альберт Эйнштейн: «С тех пор, как за теорию относительности принялись математики, я уже и сам больше не понимаю».))

Общая у «ученых» гипотез ошибка в том, что они рассматривают двигатель отдельно без связи и взаимодействия материи космоса.

Не буду здесь их предположения перечислять, чтобы, повторяя, окончательно не сбить вас с толку и, чтобы не запутать дело (желающие могут найти в СМИ, высказанные предположения самостоятельно). Достаточно будет подвести итог, что ни одно из их предположение не объясняет – откуда у двигателя EmDrive берется сила тяги.

Здесь следует привести и другую мысль А. Эйнштейна: «Никакую проблему нельзя решить на том же уровне, на котором она возникла». – Для открытия, для решения вопроса – надо посмотреть шире на проблему и вокруг.

По какому принципу и закону физики работает двигатель Р. Шойера?

В то время когда ученые пытались безуспешно найти объяснение принципа движения двигателя Р. Шойера – миллиарды живых существ на Земле этим принципом передвижения ежедневно пользуется уже на протяжении многих сотен миллионов лет.

Тяга у EmDrive, как уже установлено есть. Никаких известных законов физики он не нарушает, а, напротив, EmDrive двигается в соответствии с Третьим законом Ньютона.

Однородное – отталкивается от однородного, подобное – отталкивается от подобного – показывает нам закон Природы.

Посмотрите, например, как перемещается рыба в воде. – Её хвост (плавники) воспроизводят в толще воды волновые колебания. Рыба движется вперёд, отталкиваясь хвостом от воды (усилия хвоста рыбы раскладываются на векторные составляющие).

Также и крылья у птиц воспроизводят волновые колебания, отталкиваясь в движении от воздуха. И змея, двигаясь по земле, тоже повторяет своим телом волновое движение, отталкиваясь от земли. Наконец, вспомните себя – как и за счет чего вы в ластах отлично плывете в воде…

Материя, окружающая живое существо разная по плотности (вода, воздух, земля), а принцип движения вперёд у всех везде один!

Почему волновое перемещение в природе не замечают многие ученые?

— Да, потому что они вязнут умом в детали, как «страус закапываются головой в песок», а потому не видят окружающего.

Очень точно эту ситуацию про многих современных «ученых», раздавших сами себе ученые степени и звания академиков, объяснил немецкий мыслитель и философ Артур Шопенгауэр: «Ученые – это те, кто начитался книг; но мыслители, гении, просветители мира и двигатели человечества это те, – кто читал непосредственно в книге Вселенной».

Точно так же – по аналогии с движением живых существ на Земле – по Третьему закону Ньютона перемещается и аппарат Р. Шойера EmDrive.

На этой картинке (выше) показана проекция действия электромагнитной волны СВЧ на «донышки ведра».

Электромагнитные волны СВЧ двигателя – аналогично! воспроизводят функцию: хвоста у рыбы в воде, крыльев у птиц в воздухе и извивающегося тела у змеи на земле.

Чтобы сделать такое заявление необходимо опрокинуть ещё одну современную «научную» догму, тормозящую науку и развитие изучения космоса. «Только со смертью догмы начинается наука», — Галилео Галилей.

Необходимо принять одно условие, что — космос это не вакуум, не пустая среда.

«Никаким количеством экспериментов нельзя доказать теорию (что космос есть пустота – прим. автора); но достаточно одного эксперимента, чтобы её опровергнуть», – Альберт Эйнштейн.

Таким экспериментальным инструментом опровержения теории космической пустоты межзвездного пространства и служит принцип движения двигателя EmDrive – возникающий от силы тяги электромагнитных волн СВЧ, отталкивающихся от материи среды в космосе.

Давайте подумаем. – Если от Солнца исходит свет (электромагнитное излучение), если уже известно, что этот свет приходит и давит на Землю, то значит только одно – та же самая материя излучения будет и между нашими планетами в космосе. Что на концах, то и в середине. Иначе не возможно.

Космос – огромное в состоянии рассеянного поля – количество частиц, как «космический бульон», наполненный излучениями от миллиардов звезд и составляет основную массу Вселенной.

«Темная» материя – т.е. невидимая и неизученная человеком полевая материя частиц Космоса. (См. картинку – шкала распределения электромагнитных волн по длине волн и по частоте).

Двигатель инженера Р. Шойера EmDrive в настоящем виде (по причине отсутствия ранее объяснения принципа его движения) – несовершенная конструкция. Его можно сравнить – с «рыбой без головы, но с двумя противоположно направленными хвостами, передвигающийся в сторону действия усилия от большего хвоста». – В результате сложения действия разнонаправленных сил от электромагнитных волн у него очень малая тяга.

Используя объяснение принципа движения, изложенное выше, можно провести усовершенствование двигателя EmDrive, и тогда он будет действительно развивать большую тягу, иметь скорость соразмерную скорости света (электромагнитных волн). Делать повороты под углом 90 – 180 градусов (подобно наблюдениям траектории и скорости перемещений неземных космических объектов).

Употребив названный принцип силы тяги от электромагнитных волн – двигаться в воздухе и толще воды на Земле.

Что именно для этого следует сделать? – Можно сказать, но это уже будет другая тема, которая выходит за рамки открытия силы тяги электромагнитных волн в космосе и объяснения принципа движения EmDrive от электромагнитных волн СВЧ в насыщенной излучениями космической среде.

Владимир Гарматюк

Россия, г. Вологда, 8.11.2017 г.

Открыты гравитационные волны. Что дальше?

Дэвид Ритц(David Reitze), исполнительный директор Лаборатории LIGO, поднялся на трибуну в Национальном Пресс-центре в Вашингтоне, округ Колумбия, и сказал слова, которые мы все так ждали». Мы ]]>обнаружили]]> гравитационные волны» И заполненный до отказа зрительный зал в Калифорнийском технологическом институте, Пасадена, где люди собрались, чтобы наблюдать в живую это событие, разразился бурными аплодисментами.

Подобные сцены повторились в MIT, в Ливингстоне, штат Луизиана, в Ханфорде, штат Вашингтон, и в Европе, потому что LIGO является результатом международного сотрудничества сотен ученых. К этому моменту шли 100 лет. Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в его общей теории относительности в 1915 году, и физики обнаружили косвенные доказательства в 1970-х и 1980-х годах. Но прямого свидетельства до сих пор не было. И теперь, история гравитационных волн и что они могут нам рассказать, только начинается.

Детектированный сигнал LIGO из лабораторий Хандворда и Ливингстона и предсказанный

Это больше похоже на аудио «отпечатки пальцев» рисунка распада, который физики используют для идентификации субатомных частиц, рождающихся при столкновениях на Большом адронном коллайдере. И это именно то, что можно было бы ожидать увидить, если бы две черные дыры, около 30 солнечных масс каждая, двигались по спирали внутрь навстречу друг другу и затем слились в массивном столкновении, распространяя мощные взрывные волны, идущие через пространство-время, примерно 1,3 миллиарда лет назад.

На самом деле, выглядело все слишком гладко, поэтому Ритц опасался, что где-то была ошибка. Так же чувствовал себя и Алан Вайнштейн, возглавляющий LIGO в Калифорнийском технологическом институте. Сомнения имели под собой основания: в самом начале работы LIGO, руководители проекта намеренно добавили ложных сигналов в данные для проверки строгости анализа. Даже когда его коллеги заверили его, что этот новый сигнал не был так называемой «слепой инъекцией» для проверки, Вайнштейн не мог в это поверить. Он даже предполагал, что это была работа недовольного члена команды LIGO, который добавил ложный сигнал в данные из-за мести.

Или, возможно, это была работа злого гения. «Мы не можем исключать гипотезу о злом гении», невозмутимо заявил он в ходе пресс-конференции в Калтеке. «Мы делаем все возможное, чтобы исключить эту гипотезу. Но мне больше нравится думать, что это двойное столкновение черных дыр.»

Лаборатория LIGO

Имея всего один сигнал, физики смогли вывести массы обеих черных дыр, изучая его частоту (одна была 29 солнечных масс, другая — 36 солнечных масс). После слияния, вновь образованная черная дыра не досчиталась около 3 солнечных масс, которые были излучены мощным всплеском гравитационных волн. Представьте, три наших Солнца вдруг уничтожаются, и вы получите представление о том, сколько энергии было выделено. Изучение амплитуды сказало им, что столкновение произошло около 1,3 миллиардов световых лет от Земли в южном полушарии небесной сферы.

Принципиальная схема работы лазерного интерферометра

Так что, это не только первое прямое обнаружение гравитационных волн, это также первое доказательство того, что двойные системы черных дыр действительно существуют. И все это было получено из данных во время инженерной проверки системы, сразу после запуска модернизированного Advanced LIGO. Система по-прежнему не работает на полную мощность. Когда это произойдет, физики ожидают увидеть еще много таких событий, давая им новое представление того, как работает Вселенная. Вайнштейн сказал, что еще 12 публикаций, связанных с работой LIGO будут размещены в ближайшее время.

«Во-первых, данное обнаружение очень важно с точки зрения фундаментальной физики — затрагивается сама суть гравитации, но оно также открывает окно в то, что было раньше для нас темной Вселенной», сказал Эвери Бродерик, физик из Университета Ватерлоо в Канаде. «В течение многих столетий астрономы смотрели на ночное небо и думали о светлой стороне Вселенной. Теперь мы собираемся, впервые, заглянуть на темную сторону.»

Альтернативное отображение обнаружения сигнала LIGO

Революционный потенциал открытия можно описать следующим образом: каждый раз, когда астрономы смотрели на нашу Вселенную в разных длинах волн света – в рентгене, в инфракрасных, в радио, или гамма спектре — они находили что-то новое. Гравитационные волны не должны сильно в этом отличаться, только они более похожи на звук, чем на свет. Теперь, в дополнение к визуальному исследованию нашей Вселенной, мы можем слушать ее.

Ключевым отличием является то, что в то время, как для звука требуется среда распространения, гравитационные волны перемещают среду — в данном случае, само пространство-время. «Они буквально сжимают и растягивают ткань пространства-времени,» сказал Кьяра Мингарелли, астрофизик из Калифорнийского технологического института. Для наших ушей, волны, обнаруженные LIGO будут звучать как чирикание ( «Ву-УУП»).

Как это все было получено? LIGO, в настоящее время имеет два детектора, действующих как «уши» для ученых, добавить больше детекторов планируется в скором в будущем. И хотя, LIGO был первым в обнаружении прямого свидетельства существования гравитационных волн, это всего лишь часть целой картины — данный проект содержит множество групп ученных, которые охотятся за остальным спектром этих волн, Да, существует больше, чем один вид гравитационной волны. На самом деле, их целый спектр, так же, как существует множество различных видов света различной длины волны в электромагнитном спектре. Поэтому исследования ведутся сразу по четырем диапазонам.

Четыре диапазона исследования гравитационных волн

Мингарелли работает с NanoGRAV (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves — Североамериканской обсерватории для обнаружения гравитационных волн), частью более крупного международного консорциума, который также включает в себя European Pulsar Timing Array и Parkes Pulsar Timing Array в Австралии. Как следует из названия, ученые NanoGRAV охотятся за низкочастотными гравитационными волнами в диапазоне от 1 до 10 наногерц; чувствительность LIGO находится в килогерцовой (слышимой) части спектра. Это очень длинные волны.

Исследователи, которые опираются на данные о пульсарах, объединились вокруг обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико и Green Bank Telescope в Западной Вирджинии. Пульсары, по сути — быстро вращающиеся нейтронные звезды, образовавшиеся, когда звезда более массивныя, чем Солнце взорвется и обрушится вовнутрь самой себя. Они начинают вращаться все быстрее и быстрее, так как они сжимаются — такой же эффект, когда тяжелый вес на конце троса будет качаться быстрее и быстрее, чем короче будет веревка становится.

Они также испускают мощные импульсы излучения, когда вращаются, подобно лучу маяка, которые потом будут обнаружены в виде импульсов света на Земле. И эти периодические обороты — удивительно точные, до недавнего времени — точные, как атомные часы. Это делает их идеальными космическими детекторами гравитационных волн. На самом деле, первым косвенным доказательством был результат изучения пульсаров в 1974 году, когда Джозеф Тейлор и Рассел Халс обнаружили, что пульсар, вращающийся по орбите вокруг нейтронной звезды медленно сокращается с течением времени – данный эффект можно было бы объяснить, если бы он преобразовывал часть своей массы в энергию в виде гравитационных волн.

Гравитационная волна, проходя через пространство, сжимает его в одном направлении и растягивает в другом

В случае NanoGRAV, маркером присутствия гравитационных волн будет своего рода мерцающий эффект. Импульсы должны прибыть в одно и то же время, но если они пострадали от гравитационной волны, они прибудут чуть раньше или позже, потому что пространство сожмется или растянется от проходящей через него волны.

Системы слежения за пульсарами(ССП) особенно чувствительны к гравитационным волнам, произведенных путем слияния сверхмассивных черных дыр в миллиард или десять миллиардов раз больше массы нашего Солнца, которые как полагают, скрываются в центре самых массивных галактик. Должны две таких галактики столкнуться, тогда черные дыры в их центрах будут излучать гравитационные волны. «LIGO видит самый конец слияния, когда пара очень близко друг к другу,» сказал Мингарелли. «С ССП мы сможем видеть их в начале фазы спирального входа, когда они только начинают выходить на орбиту друг друга.»

Есть еще такая система, как LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Привязанная к земле LIGO отлично подходит для обнаружения гравитационных волн, эквивалентных звуковой части человеческого спектра – именно этот вид волн был открыт. Но много интересных источников этих волн находятся на низких частотах. Поэтому физики должны идти в космос, чтобы обнаружить их. Основная цель нынешней миссии LISA Pathfinder (запущен в декабре) является обоснование технологии детектора. «С LIGO, вы можете выключить прибор, открыть крышку, и исправить поломку,» сказал Скотт Хьюз из MIT. «Если вы испортите что-то в космосе — вы мертвы. » Мэдди Стоун написал в Gizmodo еще в декабре:. Цель [Лизы] проста: с помощью лазерных интерферометров, космический аппарат будет пытаться точно измерить относительные положения двух 5-ти сантиметровых золото-платиновых кубов в свободном падении. Размещенный в отдельных коробках всего в 40 сантиметрах друг от друга, тестовые объекты будут защищены от солнечного ветра и всех других внешних сил. В итоге — крошечные движения, вызванные гравитационными волнами (надеюсь) будут обнаружены.

Наконец, есть еще два эксперимента, направленные на исследование «отпечатков», оставленные первичными гравитационными волнами в реликтовом излучении (послесвечение Большого взрыва): BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2) и спутниковой миссии Планка( Planck satellite mission). BICEP2 уже заявлял, что обнаружил такие доказательства в 2014 году, только все надежды на нобелевку сдулись, когда эти сигналы оказались вызваны космической пылью.

Источники сигналов для гравитационных детекторов

Но обе исследовательские миссии продолжают свою охоту, в надежде пролить свет на раннюю историю нашей Вселенной и надеются подтвердить ключевые предсказания инфляционной теории. Эта теория предполагает, что вскоре после своего рождения, Вселенная претерпела быстрое расширение, что должно было привести к мощным гравитационным волнам, оставляя их отпечаток в фоновом реликтовом излучении в виде специально ориентированных световых волн (поляризованных). Каждый из этих четырех гравитационных волновых диапазонов даст астрономам четыре новые окна во вселенную.

Но мы все знаем, что на самом деле ожидаем от этого открытия – «Пора заводить подпространственный двигатель»! Означает ли открытие LIGO, что можно будет подать заявку в команду Star Fleet на следующей неделе? «Я думаю, что ответ на этот вопрос — однозначно «нет «,» сказал Бродерик. «Но чем лучше мы понимаем гравитацию, тем лучше мы можем представить себе, как мы можем осуществить подобную вещь. Мы выяснили, как работает Вселенная, таким образом, мы можем оптимизировать нашу способность подчинять ее своей воле в рамках заданных правил. «

Шанс на путешествие к далеким галактикам у нас снова появился. Осталось дело за малым — использовать его.

Космические лучи самых высоких энергий

Есть ли энергетический предел для частиц, приходящих из космоса к Земле?

Борис Аркадьевич Хренов, доктор физико-математических наук
,
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова
«Наука и жизнь» №10, 2008

Прошло без малого сто лет с того момента, как были открыты космические лучи — потоки заряженных частиц, приходящих из глубин Вселенной. С тех пор сделано много открытий, связанных с космическими излучениями, но и загадок остаётся ещё немало. Одна из них, возможно, наиболее интригующая: откуда берутся частицы с энергией более 1020 эВ, то есть почти миллиард триллионов электронвольт, в миллион раз большей, чем будет получена в мощнейшем ускорителе — Большом адронном коллайдере? Какие силы и поля разгоняют частицы до таких чудовищных энергий?

Космические лучи открыл в 1912 году австрийский физик Виктор Гесс. Он был сотрудником Радиевого института Вены и проводил исследования ионизированных газов. К тому времени уже знали, что все газы (и атмосфера в том числе) всегда слегка ионизованы, что свидетельствовало о присутствии радиоактивного вещества (подобного радию) либо в составе газа, либо вблизи прибора, измеряющего ионизацию, вероятнее всего — в земной коре. Опыты с подъёмом детектора ионизации на воздушном шаре были задуманы для проверки этого предположения, так как с удалением от поверхности земли ионизация газа должна уменьшаться. Ответ получился противоположный: Гесс обнаружил некое излучение, интенсивность которого росла с высотой. Это наводило на мысль, что оно приходит из космоса, но окончательно доказать внеземное происхождение лучей удалось только после многочисленных опытов (Нобелевскую премию В. Гессу присудили лишь в 1936 году). Напомним, что термин «излучение» не означает, что эти лучи имеют чисто электромагнитную природу (как солнечный свет, радиоволны или рентгеновское излучение); его использовали при открытии явления, природа которого ещё не была известна. И хотя вскоре выяснилось, что основная компонента космических лучей — ускоренные заряженные частицы, протоны, термин сохранился. Изучение нового явления быстро стало давать результаты, которые принято относить к «передовому краю науки».

Открытие космических частиц очень высокой энергии сразу же (ещё задолго до того, как был создан ускоритель протонов) вызвало вопрос: каков механизм ускорения заряженных частиц в астрофизических объектах? Сегодня мы знаем, что ответ оказался нетривиальным: природный, «космический» ускоритель кардинально отличается от ускорителей рукотворных.

Вскоре выяснилось, что космические протоны, пролетая сквозь вещество, взаимодействуют с ядрами его атомов, рождая неизвестные до этого нестабильные элементарные частицы (их наблюдали в первую очередь в атмосфере Земли). Исследование механизма их рождения открыло плодотворный путь для построения систематики элементарных частиц. В лаборатории протоны и электроны научились ускорять и получать огромные их потоки, несравнимо более плотные, чем в космических лучах. В конечном счете, именно опыты по взаимодействию частиц, получивших энергию в ускорителях, привели к созданию современной картины микромира.

В 1938 году французский физик Пьер Оже открыл замечательное явление — ливни вторичных космических частиц, которые возникают в результате взаимодействия первичных протонов и ядер экстремально высоких энергий с ядрами атомов атмосферы. Оказалось, что в спектре космических лучей есть частицы с энергией порядка 1015–1018 эВ — в миллионы раз больше энергии частиц, ускоряемых в лаборатории. Академик Дмитрий Владимирович Скобельцын придал особое значение изучению таких частиц и сразу после войны, в 1947 году, вместе с ближайшими коллегами Г. Т. Зацепиным и Н. А. Добротиным организовал комплексные исследования каскадов вторичных частиц в атмосфере, названных широкими атмосферными ливнями (ШАЛ). Историю первых исследований космических лучей можно найти в книгах Н. Добротина и В. Росси. Со временем школа Д.В. Скобельцына выросла в одну из самых сильных в мире и долгие годы определяла основные направления в изучении космических лучей сверхвысоких энергий. Её методы позволили расширить диапазон исследуемых энергий от 109–1013 эВ, регистрируемых на воздушных шарах и спутниках, до 1013–1020 эВ. Особенно привлекательными эти исследования делали два аспекта.

Во-первых, появилась возможность использовать созданные самой природой протоны высокой энергии для изучения их взаимодействия с ядрами атомов атмосферы и расшифровки самой тонкой структуры элементарных частиц.

Во-вторых, возникла вероятность отыскать в космосе объекты, способные ускорить частицы до экстремально высоких энергий.

Первый аспект оказался не столь плодотворным, как хотелось: изучение тонкой структуры элементарных частиц потребовало гораздо больше данных о взаимодействии протонов, чем позволяют получить космические лучи. Вместе с тем важный вклад в представления о микромире дало изучение зависимости самых общих характеристик взаимодействия протонов от их энергии. Именно при изучении ШАЛ обнаружили особенность в зависимости количества вторичных частиц и их распределения по энергиям от энергии первичной частицы, связанную с кварк-глюонной структурой элементарных частиц. Эти данные позже подтвердились в опытах на ускорителях.

Сегодня построены достоверные модели взаимодействия космических лучей с ядрами атомов атмосферы, позволившие изучить энергетический спектр и состав их первичных частиц самых высоких энергий. Стало ясно, что космические лучи в динамике развития Галактики играют не меньшую роль, чем её поля и потоки межзвёздного газа: удельная энергия космических лучей, газа и магнитного поля примерно равны 1 эВ в см3. При таком балансе энергии в межзвёздной среде естественно предположить, что ускорение частиц космических лучей происходит, скорее всего, в тех же объектах, которые отвечают за нагревание и выброс газа, например в Новых и Сверхновых звёздах при их взрыве.

Крабовидная туманность, изученная в лучах с различной длиной волны. Голубой цвет — рентгеновские лучи (НАСА, рентгеновская обсерватория Чандра), зелёный — оптический диапазон (НАСА, обсерватория Хаббл), красный — инфракрасное излучение (ЕКА, обсерватория Спитцер). Изображение: «Наука и жизнь»

Крабовидная туманность, изученная в лучах с различной длиной волны. Голубой цвет

— рентгеновские лучи (НАСА, рентгеновская обсерватория Чандра),
зелёный
— оптический диапазон (НАСА, обсерватория Хаббл),
красный
— инфракрасное излучение (ЕКА, обсерватория Спитцер). Изображение: «Наука и жизнь»

Первый механизм ускорения космических лучей предложил Энрико Ферми для протонов, хаотически сталкивающихся с намагниченными облаками межзвёздной плазмы, но не смог объяснить всех экспериментальных данных. В 1977 году академик Гермоген Филиппович Крымский показал, что этот механизм должен гораздо сильней ускорять частицы в остатках Сверхновых на фронтах ударных волн, скорости которых на порядки выше скоростей облаков. Сегодня достоверно показано, что механизм ускорения космических протонов и ядер ударной волной в оболочках Сверхновых наиболее эффективен. Но воспроизвести его в лабораторных условиях вряд ли удастся: ускорение происходит сравнительно медленно и требует огромных затрат энергии для удержания ускоренных частиц. В оболочках Сверхновых эти условия существуют благодаря самой природе взрыва. Замечательно, что ускорение космических лучей происходит в уникальном астрофизическом объекте, который отвечает за синтез тяжёлых ядер (тяжелее гелия), действительно присутствующих в космических лучах.

Установка HESS в Намибии. Изображение: «Наука и жизнь»

В нашей Галактике известны несколько Сверхновых возрастом меньше тысячи лет, которые наблюдались невооружённым глазом. Наиболее известны Крабовидная туманность в созвездии Тельца («Краб» — остаток вспышки Сверхновой в 1054 году, отмеченной в восточных летописях), Кассиопея-А (её наблюдал в 1572 году астроном Тихо Браге) и Сверхновая Кеплера в созвездии Змееносца (1680). Диаметры их оболочек сегодня составляют 5–10 световых лет (1 св. год = 1016 м), то есть они расширяются со скоростью порядка 0,01 скорости света и находятся на расстояниях примерно десять тысяч световых лет от Земли. Оболочки Сверхновых («туманностей») в оптическом, в радио-, рентгеновском и гамма-диапазонах наблюдали космические обсерватории Чандра, Хаббл и Спитцер. Они достоверно показали, что в оболочках действительно происходит ускорение электронов и протонов, сопровождаемое рентгеновским излучением.

Наполнить межзвёздное пространство космическими лучами с измеренной удельной энергией (~1 эВ в см3) могли бы около 60 остатков Сверхновых моложе 2000 лет, в то время как их известно менее десяти. Эта нехватка объясняется тем, что в плоскости Галактики, там, где сосредоточены звёзды и Сверхновые в том числе, очень много пыли, которая не пропускает свет к наблюдателю на Земле. Наблюдения в рентгеновском и гамма-излучениях, для которых пылевой слой прозрачен, позволили расширить список наблюдаемых «молодых» Сверхновых оболочек. Последней из таких вновь открытых оболочек стала Сверхновая G1.9+0.3, наблюдаемая с помощью рентгеновского телескопа «Чандра» начиная с января 2008 года. Оценки размера и скорости расширения её оболочки показывают, что она вспыхнула примерно 140 лет назад, но не была видна в оптическом диапазоне из-за полного поглощения её света пылевым слоем Галактики.

Энергетический спектр гамма-квантов от Краба, измеренный на установке HESS (прямая линия аппроксимирует этот спектр). Поток гамма-квантов с пороговой энергией 1 ТэВ равен (2,26 ± 0,08) × 10–11 см–2·с–1. Изображение: «Наука и жизнь»

К данным о Сверхновых, взрывающихся в нашей Галактике Млечный Путь, добавляются значительно более богатые статистические данные о Сверхновых в других галактиках. Прямым подтверждением присутствия ускоренных протонов и ядер служит гамма-излучение с высокой энергией фотонов, возникающих в результате распада нейтральных пионов — продуктов взаимодействия протонов (и ядер) с веществом источника. Такие фотоны самых высоких энергий наблюдают с помощью телескопов, регистрирующих свечение Вавилова—Черенкова, излучаемое вторичными частицами ШАЛ. Самый совершенный инструмент такого типа — установка из шести телескопов, созданная при сотрудничестве HESS в Намибии. Гамма-излучение Краба было измерено первым, и его интенсивность стала мерой интенсивности для других источников.

Полученный результат не только подтверждает наличие механизма ускорения протонов и ядер в Сверхновой, но и позволяет также оценить спектр ускоренных частиц: спектры «вторичных» гамма-квантов и «первичных» протонов и ядер весьма близки. Магнитное поле в Крабе и его размер допускают ускорение протонов до энергий порядка 1015 эВ. Спектры частиц космических лучей в источнике и в межзвёздной среде несколько отличаются, так как вероятность выхода частиц из источника и время жизни частиц в Галактике зависят от энергии и заряда частицы. Сравнение энергетического спектра и состава космических лучей, измеренных у Земли, со спектром и составом в источнике позволило понять, как долго путешествуют частицы среди звёзд. Ядер лития, бериллия и бора в космических лучах у Земли оказалось значительно больше, чем в источнике, — их дополнительное количество появляется в результате взаимодействия более тяжёлых ядер с межзвёздным газом. Измерив эту разность, вычислили количество X

того вещества, через которое прошли космические лучи, блуждая в межзвёздной среде. В ядерной физике количество вещества, которое встречает частица на своём пути, измеряют в г/см2. Это связано с тем, что для вычисления уменьшения потока частиц в столкновениях с ядрами вещества надо знать число столкновений частицы с ядрами, имеющими разную поперечную к направлению частицы площадь (сечение). Выражая количество вещества в этих единицах, для всех ядер получается единая шкала измерения.

Распределение направления прихода гамма-излучения с энергией 1–10 ГэВ в галактических координатах, по данным спутника EGRET. Изображение: «Наука и жизнь»

Экспериментально найденное значение X

~ 5–10 г/см2 позволяет оценить время жизни
t
космических лучей в межзвёздной среде:
t

X

c
, где
c
— скорость частиц, примерно равная скорости света, ρ ~10–24 г/см3 — средняя плотность межзвёздной среды. Отсюда время жизни космических лучей — порядка 108 лет. Это время намного превышает время пролёта частицы, двигающейся со скоростью
с
по прямой от источника до Земли (3·104 лет для самых далёких источников на противоположной от нас стороне Галактики). Это означает, что частицы движутся не по прямой, а испытывают рассеяние. Хаотические магнитные поля галактик с индукцией В ~10–6 гаусса (10–10 тесла) движут их по окружности радиусом (гирорадиусом)
R
=
E
/3 × 104 B, где
R
в м,
E
— энергия частицы в эВ, В — индукция магнитного поля в гауссах. При умеренных энергиях частиц
E
17 эВ, полученных в ускорителях-Сверхновых, гирорадиус оказывается значительно меньше размера Галактики (3·1020 м).

Приблизительно по прямой приходить от источника будут только частицы с энергией E

> 1019 эВ. Поэтому направление создающих ШАЛ частиц с энергией менее 1019 эВ не указывает на их источник. В этой области энергий остаётся только наблюдать вторичные излучения, генерируемые в самих источниках протонами и ядрами космических лучей. В доступной для наблюдения области энергий гамма-излучения (
E
13 эВ) данные о направлении прихода его квантов убедительно показывают, что космические лучи излучают объекты, сконцентрированные в плоскости нашей Галактики. Там же сосредоточено и межзвёздное вещество, с которым взаимодействуют частицы космических лучей, генерируя вторичное гамма-излучение.

Детектор частиц обсерватории Пьер Оже. Изображение: «Наука и жизнь»

Представление о космических лучах как «местном» галактическом явлении оказалось верно лишь для частиц умеренных энергий E

17 эВ. Ограниченные возможности Галактики как ускорять, так и удерживать частицы с особенно высокой энергией были убедительно продемонстрированы в опытах по измерению энергетического спектра космических лучей.

В 1958 году Георгий Борисович Христиансен и Герман Викторович Куликов открыли резкое изменение вида энергетического спектра космических лучей при энергии порядка 3·1015 эВ. При энергиях меньше этого значения экспериментальные данные о спектре частиц обычно представляли в «степенном» виде так, что число частиц N

с заданной энергией E считалось обратно пропорциональным энергии частицы в степени γ:
N
(
E
) =
a
/
E
γ (γ — дифференциальный показатель спектра). До энергии 3·1015 эВ показатель γ = 2,7, но при переходе к большим энергиям энергетический спектр испытывает «излом»: для энергий
E
> 3·1015 эВ γ становится 3,15. Это изменение спектра естественно связать с приближением энергии ускоренных частиц к максимально возможному значению, вычисленному для механизма ускорения в Сверхновых. В пользу такого объяснения излома спектра говорит и ядерный состав первичных частиц в области энергий 1015–1017 эВ. Наиболее надёжные сведения о нём дают комплексные установки ШАЛ — «МГУ», «Тунка», «Тибет», «Каскад». С их помощью получают не только сведения об энергии первичных ядер, но и параметры, зависящие от их атомных номеров, — «ширину» ливня, соотношения между количеством электронов и мюонов, между количеством самых энергичных электронов и общим их количеством. Все эти данные свидетельствуют, что с ростом энергии первичных частиц от левой границы спектра до его излома к энергии после излома происходит увеличение их средней массы. Такое изменение состава частиц по массам согласуется с моделью ускорения частиц в Сверхновых — оно ограничено максимальной энергией, зависящей от заряда частицы. Для протонов эта максимальная энергия порядка 3·1015 эВ и увеличивается пропорционально заряду ускоряемой частицы (ядра), так что ядра железа эффективно ускоряются вплоть до ~1017 эВ. Интенсивность потоков частиц с энергией, превышающей максимальную, быстро падает.

Детектор флуоресценции атмосферы: шесть телескопов просматривают атмосферу в поле зрения 0–30 град. по высоте над горизонтом и в поле зрения 0–180град. по азимуту. Изображение: «Наука и жизнь»

Детектор флуоресценции атмосферы: шесть телескопов просматривают атмосферу в поле зрения 0–30╟ по высоте над горизонтом и в поле зрения 0–180╟ по азимуту. Изображение: «Наука и жизнь»

Но регистрация частиц ещё больших энергий (~3·1018 эВ) показала, что спектр космических лучей не только не обрывается, но возвращается к виду, наблюдаемому до излома!

Измерения энергетического спектра в области «ультравысокой» энергии (E

> 1018 эВ) очень трудны из-за малого количества таких частиц. Для наблюдения этих редких событий необходимо создавать сеть из детекторов потока частиц ШАЛ и порождённых ими в атмосфере излучения Вавилова — Черенкова и ионизационного излучения (флуоресценции атмосферы) на площади в сотни и даже тысячи квадратных километров. Для подобных больших, комплексных установок выбирают места с ограниченной хозяйственной деятельностью, но с возможностью обеспечить надёжную работу огромного числа детекторов. Такие установки были построены сначала на площадях в десятки квадратных километров (Якутск, Хавера Парк, Акено), затем в сотни (AGASA, Fly’s Eyе, HiRes), и, наконец, сейчас создаются установки в тысячи квадратных километров (обсерватория Пьер Оже в Аргентине, Телескопическая установка в штате Юта, США).

Карта расположения детекторов обсерватории Пьер Оже в провинции Мендоса, Аргентина. Точки — детекторы частиц. Четыре детектора флуоресценции атмосферы расположены в пунктах, представленных названиями в жёлтых прямоугольниках. Более тысячи детекторов частиц покрывают площадь 3 тыс. км2 с расстоянием между детекторами 1,5 км. Четыре детектора флуоресценции «просматривают» атмосферу над той же площадью. Строительство установки заканчивается в 2008 году. Изображение с сайта www.auger.org.ar

Карта расположения детекторов обсерватории Пьер Оже в провинции Мендоса, Аргентина. Точки

— детекторы частиц. Четыре детектора флуоресценции атмосферы расположены в пунктах, представленных названиями в
жёлтых
прямоугольниках. Более тысячи детекторов частиц покрывают площадь 3 тыс. км2 с расстоянием между детекторами 1,5 км. Четыре детектора флуоресценции «просматривают» атмосферу над той же площадью. Строительство установки заканчивается в 2008 году. Изображение с сайта www.auger.org.ar

Следующим шагом в изучении космических лучей ультравысокой энергии станет развитие метода регистрации ШАЛ по наблюдению флуоресценции атмосферы из космоса. В кооперации с несколькими странами в России создаётся первый космический детектор ШАЛ, проект ТУС. Ещё один такой детектор предполагается установить на Международной космической станции МКС (проекты JEM-EUSO и КЛПВЭ).

Космический детектор ТУС будет наблюдать ШАЛ ультравысокой энергии с орбиты Земли. Изображение: «Наука и жизнь»

Что мы сегодня знаем о космических лучах ультравысокой энергии? На нижнем рисунке представлен энергетический спектр космических лучей с энергией выше 1018 эВ, который получен на установках последнего поколения (HiRes, обсерватория Пьер Оже) вместе с данными о космических лучах меньших энергий, которые, как было показано выше, принадлежат Галактике Млечный Путь. Видно, что при энергиях 3·1018–3·1019 эВ показатель дифференциального энергетического спектра уменьшился до значения 2,7–2,8, именно такого, который наблюдается для галактических космических лучей, когда энергии частиц гораздо меньше предельно возможных для галактических ускорителей. Не служит ли это указанием на то, что при ультравысоких энергиях основной поток частиц создают ускорители внегалактического происхождения с максимальной энергией значительно больше галактической? Излом в спектре галактических космических лучей показывает, что вклад внегалактических космических лучей резко меняется при переходе от области умеренных энергий 1014–1016 эВ, где он примерно в 30 раз меньше вклада галактических (спектр, обозначенный на рисунке пунктиром), к области ультравысоких энергий, где он становится доминирующим.

В последние десятилетия накоплены многочисленные астрономические данные о внегалактических объектах, способных ускорять заряженные частицы до энергий гораздо больше 1019 эВ. Очевидным признаком того, что объект размером D

может ускорять частицы до энергии
E
, служит наличие на всём протяжении этого объекта магнитного поля В такого, что гирорадиус частицы меньше
D
. К таким источникам-кандидатам относятся радиогалактики (испускающие сильные радиоизлучения); ядра активных галактик, содержащие чёрные дыры; сталкивающиеся галактики. Все они содержат струи газа (плазмы), движущиеся с огромными скоростями, приближающимися к скорости света. Такие струи играют роль ударных волн, необходимых для работы ускорителя. Чтобы оценить их вклад в наблюдаемую интенсивность космических лучей, нужно учесть распределение источников по расстояниям от Земли и потери энергии частиц в межгалактическом пространстве. До открытия фонового космического радиоизлучения межгалактическое пространство казалось «пустым» и прозрачным не только для электромагнитного излучения, но и для частиц ультравысокой энергии. Плотность газа в межгалактическом пространстве, по астрономическим данным, настолько мала (10–29 г/см3), что даже на огромных расстояниях в сотни миллиардов световых лет (1024 м) частицы не встречают ядер атомов газа. Однако, когда оказалось, что Вселенная наполнена мало энергичными фотонами (примерно 500 фотонов/см3 с энергией
E
ф ~10–3 эВ), оставшимися после Большого взрыва, стало ясно, что протоны и ядра с энергией больше
E
~5·1019 эВ, предела Грейзена—Зацепина—Кузьмина (ГЗК), должны взаимодействовать с фотонами и на пути более десятков миллионов световых лет терять б
о
льшую часть своей энергии. Таким образом, подавляющая часть Вселенной, находящаяся на расстояниях более 107 световых лет от нас, оказалась недоступной для наблюдения в лучах с энергией более 5·1019 эВ. Последние экспериментальные данные о спектре космических лучей ультравысокой энергии (установка HiRes, обсерватория Пьер Оже) подтверждают существование этого энергетического предела для частиц, наблюдаемых с Земли.

Экспериментальные данные об энергетическом спектре космических лучей в широком диапазоне энергии первичной частицы. Для компактного представления данных дифференциальная интенсивность потока частиц умножена на Е3. Изображение: «Наука и жизнь»

Как видно, изучать происхождение космических лучей ультравысокой энергии чрезвычайно трудно: основная часть возможных источников космических лучей самых высоких энергий (выше предела ГЗК) находятся столь далеко, что частицы на пути к Земле теряют приобретённую в источнике энергию. А при энергиях меньше предела ГЗК отклонение частиц магнитным полем Галактики ещё велико, и направление прихода частиц вряд ли сможет указать положение источника на небесной сфере.

В поиске источников космических лучей ультравысокой энергии используют анализ корреляции экспериментально измеренного направления прихода частиц с достаточно высокими энергиями — такими, что поля Галактики несильно отклоняют частицы от направления на источник. Установки предыдущего поколения пока не дали убедительных данных о корреляции направления прихода частиц с координатами какого-либо специально выделенного класса астрофизических объектов. Последние данные обсерватории Пьер Оже можно рассматривать как надежду на получение в ближайшие годы данных о роли источников типа AGN в создании интенсивных потоков частиц с энергией порядка предела ГЗК.

Струя релятивистского газа, выбрасываемая из эллиптической галактики М87. Изображение: «Наука и жизнь»

Интересно, что на установке AGASA были получены указания на существование «пустых» направлений (таких, где нет никаких известных источников), по которым за время наблюдения приходят две и даже три частицы. Это вызвало большой интерес у физиков, занимающихся космологией — наукой о происхождении и развитии Вселенной, неразрывно связанной с физикой элементарных частиц. Оказывается, что в некоторых моделях структуры микромира и развития Вселенной (теории Большого взрыва) предсказано сохранение в современной Вселенной сверхмассивных элементарных частиц с массой порядка 1023–1024 эВ, из которых должно состоять вещество на самой ранней стадии Большого взрыва. Их распределение во Вселенной не очень ясно: они могут быть либо равномерно распределены в пространстве, либо «притянуты» к массивным областям Вселенной. Главная их особенность в том, что эти частицы нестабильны и могут распадаться на более лёгкие, в том числе на стабильные протоны, фотоны и нейтрино, которые приобретают огромные кинетические энергии — более 1020 эВ. Места, где сохранились такие частицы (топологические дефекты Вселенной), могут оказаться источниками протонов, фотонов или нейтрино ультравысокой энергии.

Как и в случае галактических источников, существование внегалактических ускорителей космических лучей ультравысокой энергии подтверждают данные детекторов гамма-излучения, например телескопы установки HESS, направленные на перечисленные выше внегалактические объекты — кандидаты в источники космических лучей.

Энергетические спектры гамма-квантов, измеренные на установке HESS: треугольники — от источника М87, кружки — от Краба. Поток гамма-квантов с пороговой энергией 1 ТэВ равен (2,26 ± 0,08) × 10–11 см–2·с–1. Изображение: «Наука и жизнь»

Среди них самыми перспективными оказались ядра активных галактик (AGN) со струями газа. Один из наиболее хорошо изученных на установке HESS объектов — галактика М87 в созвездии Дева, на расстоянии 50 миллионов световых лет от нашей Галактики. В её центре находится чёрная дыра, которая обеспечивает энергией процессы вблизи неё и, в частности, гигантскую струю плазмы, принадлежащей этой галактике. Ускорение космических лучей в М87 прямо подтверждают наблюдения её гамма-излучения, энергетический спектр фотонов которого с энергией 1–10 ТэВ (1012–1013 эВ), наблюдаемый на установке HESS. Наблюдаемая интенсивность гамма-излучения от М87 составляет примерно 3% от интенсивности Краба. С учётом разницы в расстоянии до этих объектов (5000 раз) это означает, что светимость М87 превышает светимость Краба в 25 миллионов раз!

Модели ускорения частиц, созданные для этого объекта, показывают, что интенсивность частиц, ускоряемых в М87, может быть так велика, что даже на расстоянии 50 миллионов световых лет вклад этого источника сможет обеспечить наблюдаемую интенсивность космических лучей с энергией выше 1019 эВ.

Но вот загадка: в современных данных о ШАЛ по направлению на этот источник нет избытка частиц с энергией порядка 1019 эВ. А не проявится ли этот источник в результатах будущих космических экспериментов, при таких энергиях, когда дальние источники уже не дают вклада в наблюдаемые события? Ситуация с изломом в энергетическом спектре может повториться ещё раз, например при энергии 2·1020. Но на этот раз источник должен быть виден в измерениях направления траектории первичной частицы, так как энергии > 2·1020 эВ настолько велики, что частицы не должны отклоняться в галактических магнитных полях.

Как видим, после столетней истории изучения космических лучей мы снова ждём новых открытий, на этот раз космического излучения ультравысокой энергии, природа которого пока неизвестна, но может играть важную роль в устройстве Вселенной.

Литература:

1) Добротин Н.А.
Космические лучи
. — М.: Изд. АН СССР, 1963. 2) Мурзин В.С.
Введение в физику космических лучей
. — М.: Изд. МГУ, 1988. 3) Панасюк М. И.
Странники Вселенной, или Эхо Большого взрыва
. — Фрязино: «Век2», 2005. 4) Росси Б.
Космические лучи
. — М.: Атомиздат, 1966. 5) Хренов Б.А.
Релятивистские метеоры
// Наука в России, 2001, № 4. 6) Хренов Б.А. и Панасюк М.И.
Посланники космоса: дальнего или ближнего?
// Природа, 2006, № 2. 7) Хренов Б.А. и Климов П.А.
Ожидается открытие
// Природа, 2008, № 4.

Альтернативный взгляд

(Объяснение принципа работы двигателя EmDrive Р. Шойера)

Электромагнитная волна – есть источник силы движения в космосе.

Этим объясняется принцип работы двигателя EmDrive американского инженера Роджера Шойера. Электромагнитная волна взаимодействует с материей космоса.

Американский инженер-электрик Роджер Шойер (Roger Shawyer) в 1999 г. изобрел принципиально новый двигатель для полетов ракет и спутников в космосе. Свой новый аппарат, напоминающий по внешнему виду «ведро» (см. картинку), работающий от излучения электромагнитных волн сверх высокой частоты он назвал – EmDrive (электромагнитный привод). Идею двигателя Р. Шойер запатентовал, её подхватили в мире и в 2010 году в Китае, а затем в США создали действующие модели.

В процессе испытаний было установлено, что двигатель EmDrive реально обладает тягой. По теоретическим расчетам ученых (пишет российская газета «Комсомольская правда» в номере № 104 от 13.09.2017 г.), оснащенный сверхпроводящими магнитами, он имеет перспективу и может развивать скорость до 30 000 км. в секунду.

Р. Шойер, повествуя о работе нового двигателя, ничего не сказал о принципе возникающей силы тяги. Отмечая преимущества, он акцентировал внимание на том, что двигатель не потребляет и не сжигает никакого топлива, и движется совсем в другую сторону, откуда в корпус двигателя подводится источник электромагнитных волн СВЧ.

Ученые-критики в словах Р. Шойера не увидели ничего кроме нарушения Третьего закон Ньютона, который гласит: «Взаимодействия двух тел друг на друга равны между собой и направлены в противоположные стороны».
Рекламное видео:
На сегодняшний день учеными со всего мира о принципе работы двигателя EmDrive было высказано множество самых невероятных гипотез, начиная от категоричных утверждений – этого не может быть никогда, до сложных математических расчетов. В этой связи, как пошутил Альберт Эйнштейн: «С тех пор, как за теорию относительности принялись математики, я уже и сам больше не понимаю».))

Общая у гипотез ошибка в том, что они рассматривают двигатель отдельно от космоса. Не буду здесь их предположения перечислять, чтобы, повторяя, окончательно не сбить вас с толку и, чтобы не запутать дело (желающие могут найти в СМИ, высказанные предположения самостоятельно). Достаточно будет подвести итог, что ни одно из их предположение не объясняет — откуда у двигателя EmDrive берется сила тяги.

Здесь следует привести и другую мысль А. Эйнштейна: «Никакую проблему нельзя решить на том же уровне, на котором она возникла». – Надо посмотреть шире и вокруг.

По какому принципу и закону физики работает двигатель Р. Шойера?

В то время когда ученые пытались безуспешно найти объяснение принципа движения двигателя Р. Шойера – миллиарды живых существ на Земле этим принципом передвижения ежедневно пользуется уже на протяжении многих сотен миллионов лет.

Тяга у EmDrive, как уже установлено есть. Никаких известных законов физики он не нарушает, а, напротив, EmDrive двигается в соответствии с Третьим законом Ньютона.

Посмотрите, например, как перемещается рыба в воде. – Её хвост (плавники) воспроизводят в толще воды волновые колебания. Рыба движется вперёд, отталкиваясь хвостом от воды (усилия раскладываются на векторные составляющие). Также и крылья у птиц воспроизводят волновые колебания, отталкиваясь в движении от воздуха. И змея, двигаясь по земле, тоже повторяет своим телом волновое движение, отталкиваясь от земли. Наконец, вспомните себя — как и за счет чего вы в ластах отлично плывете в воде…

Материя, окружающая живое существо разная по плотности, а принцип везде один!

Почему волновое перемещение в природе не замечают ученые? — Они вязнут умом в детали, как страус, закопавшийся головой в песок, и потому не видят окружающего.

Очень точно эту ситуацию объяснил немецкий мыслитель и философ Артур Шопенгауэр: «Ученые – это те, кто начитался книг; но мыслители, гении, просветители мира и двигатели человечества это те, кто читал непосредственно в книге Вселенной».

По аналогии с движением живых существ на Земле — по Третьему закону Ньютона перемещается и аппарат Р. Шойера EmDrive

Электромагнитные волны СВЧ двигателя – аналогично! воспроизводят функцию: хвоста у рыбы в воде, крыльев у птиц в воздухе и извивающегося тела у змеи на земле.

Для такого вывода необходимо одно условие, что — космос не пустая среда.

«Никаким количеством экспериментов нельзя доказать теорию (что космос есть пустота – прим. автора); но достаточно одного эксперимента, чтобы её опровергнуть», — Альберт Эйнштейн.

Таким экспериментальным инструментом опровержения теории космической пустоты межзвездного пространства и служит принцип движения двигателя EmDrive — от силы тяги электромагнитных волн СВЧ, отталкивающихся от материи поля в космосе.

Если от Солнца исходит свет (электромагнитное излучение), если известно, что этот свет приходит и давит на Землю, то значит — та же самая материя излучения будет и между нашими планетами в космосе. Что на концах, то и в середине. Иначе не возможно.

Космос – огромное в «состоянии поля» количество частиц, как «космический бульон», наполненный излучениями от миллиардов звезд и составляет основную массу Вселенной. «Темная» материя – т.е. невидимая и неизученная человеком полевая материя частиц Космоса. (См. картинку — шкала электромагнитных волн)

Двигатель инженера Р. Шойера EmDrive в настоящем виде (по причине отсутствия ранее объяснения принципа его движения) – несовершенная конструкция. Его можно сравнить — с «рыбой без головы, но с двумя противоположно направленными хвостами, передвигающийся в сторону действия усилия от большего хвоста». В результате сложения действия разнонаправленных сил от электромагнитных волн у него очень малая тяга.

Используя объяснение принципа движения, изложенное выше, можно провести усовершенствование двигателя EmDrive, и тогда он будет действительно развивать большую тягу, иметь скорость соразмерную скорости света (электромагнитных волн). Делать повороты под углом 90 – 180 градусов (подобно наблюдениям траектории и скорости перемещений неземных космических объектов). Употребив названный принцип силы тяги от электромагнитных волн — двигаться в воздухе и толще воды на Земле.

Что именно для этого следует сделать? – Это уже другая тема, которая выходит за рамки объяснения принципа движения EmDrive от электромагнитных волн СВЧ в насыщенной излучениями космической среде.

Владимир Гарматюк. Россия, г. Вологда

Однако слияние нейтронных звезд начинается с объектов, которые по сравнению с черными дырами могут быть очень легкими. Нейтронная звезда — это сильно сжатое ядро закончившей свой век массивной звезды, и формируется она после взрыва сверхновой. Ее гравитационное поле обладает достаточной силой для того, чтобы сдавить и разрушить материю массой с целое Солнце, превратив ее в сферу из нейтронов размером с крупный город. Таким образом, это не звезда в обычном понимании, а в большей степени ядро атома размером с Манхэттен. Однако сила притяжения нейтронной звезды все равно слишком мала, чтобы удерживать свет, а поэтому вспышка от столкновения двух таких звезд может проникнуть в космос, создав не только гравитационные волны, но и один из самых ярких фейерверков во Вселенной, который может увидеть любой желающий.

В данном случае, когда первоначальный импульс гравитационных волн подал сигнал о начале слияния, фейерверк состоял из вспышки гамма-излучения длиной в две секунды и послесвечения разной длины волн, которое длилось несколько недель. В числе «любых желающих» оказались почти все астрономы и физики на нашей планете, которые знали об этом событии. Исследователь проекта Жюли Макинери (Julie McEnery), работающая с космическим гамма-телескопом Ферми, который зафиксировал вспышку гамма-лучей, назвала 17 августа «самым замечательным утром за все девять лет работы телескопа».

С астрономов, работающих вместе с физиками на телескопе LIGO и Virgo, взяли клятву о соблюдении секретности. Однако огромное количество наблюдений по всему миру неизбежно привело к распространению слухов, которые теперь нашли свое подтверждение. Речь идет об общемировой кампании наблюдения за столкновением и его последствиями. Всплеск новых наблюдений и возникновение новых теорий после столкновения является самым ярким образцом гравитационно-волновой астрономии. Это новая отрасль науки, которая собирает данные и изучает свет, гравитационные волны и субатомные частицы, образующиеся в результате астрофизических катаклизмов.

Одновременно в нескольких научных журналах было опубликовано огромное множество статей, авторы которых связали последние события с самыми разнообразными явлениями и предложили новые идеи по самым разным направлениям, начиная с фундаментальной ядерной физики и кончая эволюцией Вселенной. Среди прочего, это слияние дало наблюдателям возможность проследить за зарождением черной дыры, которая могла образоваться при столкновении нейтронных звезд. Но одно открытие является в буквальном смысле блестящим. Это убедительное доказательство того, что слияние нейтронных звезд является космическим плавильным котлом, в котором появляются тяжелые элементы нашей Вселенной, включая уран, платину и золото.

Профессор физики Райнер Вайсс

«Мы наткнулись на золотую жилу! — говорит Лаура Кадонати (Laura Cadonati), работающая астрофизиком в Технологическом институте штата Джорджия и являющаяся заместителем пресс-секретаря LIGO. — На самом деле, мы впервые обнаружили гравитационно-волновое и электромагнитное явление как единое астрофизическое событие. Гравитационные волны рассказывают нам историю о том, что произошло до катаклизма. Электромагнитное излучение повествует о том, что случилось после». Пока это не окончательные выводы, говорит Кадонати, однако анализ гравитационных волн этого явления со временем поможет раскрыть подробности того, как внутри нейтронных звезд при слиянии «разбрызгивается» материя, и ученые получат новые возможности для изучения этих странных объектов, а также выяснят, каких размеров они могут достигать до схлопывания и превращения в черную дыру. Кадонати также отмечает, что была какая-то таинственная задержка в пару секунд между окончанием всплеска гравитационной волны и началом гамма-излучения. Возможно, это тот промежуток времени, когда структурная целостность сливающихся нейтронных звезд непродолжительное время сопротивлялась неизбежному коллапсу.

Многие исследователи уже давно ожидают этого прорывного открытия. «Мои мечты осуществились, — говорит астрофизик Сабольч Марка (Szabolcs Marka), работающий в Колумбийском университете и входящий в научный коллектив LIGO. Этот человек еще в конце девяностых годов стал приверженцем гравитационно-волновой астрономии, дополненной наблюдениями электромагнитного спектра. В те годы, вспоминает Марка, его считали безумцем, который пытается подготовиться к будущим наблюдениям за гравитационными волнами, хотя до непосредственного открытия этого явления оставалось еще несколько десятков лет. «Теперь я и мои коллеги чувствуем себя отмщенными, — говорит он. — Мы изучили эту систему сталкивающихся нейтронных звезд в очень разнообразном наборе сигналов. Мы увидели это в гравитационных волнах, в гамма-излучении, в ультрафиолете, в видимом и инфракрасном свете, а также в рентгеновских лучах и радиоволнах. Это революция и эволюция в астрономии, на которую я возлагал надежды еще 20 лет назад».

Директор Национального научного фонда (это федеральное ведомство, обеспечивающее основную часть финансирования LIGO) Франс Кордова (France Córdova) заявил, что последнее достижение является «историческим моментом в науке», и что оно стало возможным благодаря устойчивой и многолетней поддержке правительства, оказываемой многим астрофизическим обсерваториям. «Обнаружение гравитационных волн, начиная с первого короткого вибросейсмического сигнала, который услышали во всем мире, и кончая последним, более длительным сигналом, не только оправдывает рискованные, но дающие большое вознаграждение инвестиции, выделяемые Национальным научным фондом, но также подталкивает нас к тому, чтобы сделать больше в этом направлении, — говорит Кордова. — Я надеюсь, что ННФ будет и дальше оказывать поддержку новаторам и инновациям, которые преобразуют наши знания и вдохновляют грядущие поколения».

Прекрасная возможность

Когда были обнаружены начальные гравитационные волны от слияния и последующее гамма-излучение (его немедленно зафиксировали ученые при помощи телескопа Ферми и космических телескопов обсерватории INTEGRAL), началась гонка в попытке выяснить, каков источник столкновения в космосе, а также его послесвечения. Очень быстро многочисленные коллективы ученых нацелили имеющиеся телескопы на тот участок неба, где по расчетам исследователей с LIGO и Virgo должен был находиться источник. Это был участок неба, охватывающий 31 квадратный градус, в котором расположены сотни галактик. (По словам Кадонати, если бы использовалась только обсерватория LIGO, эти наблюдения были бы похожи на поиски золотого кольца, лежащего на дне Тихого океана. Но получив третью точку данных от Virgo, говорит она, исследователи сумели вычислить местоположение источника, и в результате наблюдения стали больше похожи «на поиски золотого кольца в Средиземном море».)

Солнце над Землей

Первым оптическое послесвечение увидел докторант и исследователь из Калифорнийского университета в Санта Крузе Чарльз Килпатрик (Charles Kilpatrick). Он сидел за столом в своем кабинете и просматривал изображения некоторых галактик, получив задание от одного из своих коллег астронома Райана Фоли (Ryan Foley), который участвовал в организации этого проекта. Девятым снимком, который он начал изучать, была фотография, поспешно снятая и переданная коллегами, находившимися на другом конце света и работавшими на огромном телескопе Swope в чилийской обсерватории Лас-Кампанас. Именно на нем он увидел то, что искали все: ярко-голубую точку в центре гигантской эллиптической галактики, представляющей собой скопление старых красных звезд в возрасте 10 миллиардов лет, которые находились на расстоянии 120 миллионов световых лет. Все они были безымянными, если не считать обозначений в каталогах. Считается, что именно в таких галактиках чаще всего происходят слияния нейтронных звезд, поскольку они старые, у их звезд большая плотность, а молодых звезд в таких галактиках довольно мало. Сравнив этот снимок с более ранними изображениями той же самой галактики, Килпатрик не увидел на них такой точки. Это было нечто новое, появившееся совсем недавно. «Очень медленно до меня дошло, какой это исторический момент, — вспоминает Килпатрик. — Но в то время я был сосредоточен на своей задаче, стараясь работать как можно быстрее».

Килпатрик сообщил об увиденном другим членам своей команды, в том числе, астроному из обсерваторий Карнеги Джошу Саймону (Josh Simon), который быстро получил подтверждающее изображение при помощи одного из самых крупных телескопов Magellan в Чили диаметром шесть с половиной метров. На этих изображениях голубая точка тоже присутствовала. В течение часа Саймон занимался измерениями спектра этой точки, то есть, различных цветов испускаемого ею света. Делал он это парными снимками с выдержкой в пять минут. Саймон посчитал, что такие спектральные снимки окажутся полезными для дальнейших исследований. А если нет, то в любом случае они смогут доказать, что это не просто какая-то заурядная суперновая или другой космический самозванец. Тем временем, и другие коллективы ученых тоже заметили эту точку и занялись ее исследованиями. Но команда Фоли быстрее других нашла подтверждение и провела спектральный анализ, обеспечив себе первенство в этом открытии. «Мы первыми получили изображение, и мы первыми идентифицировали источник этого изображения, — говорит Саймон. — А поскольку и первое, и второе мы получили очень быстро, нам удалось сделать первый спектральный анализ этого слияния, чего в ту ночь не сумел сделать никто в Чили. После этого мы объявили о своем открытии всему научному сообществу».

Эти первые спектральные наблюдения оказались чрезвычайно важными для последующего анализа и разрешения некоторых загадок. Они показали, что остатки от слияния быстро охлаждаются и теряют свой ярко-голубой свет, который превращается в темно-рубиновый. Эти данные в последующие недели удалось проверить и подтвердить в ходе наблюдений, пока видимая точка бледнела и угасала, а ее послесвечение смещалось, и яркий свет переходил в инфракрасную зону спектра с большей длиной волны. Общие закономерности цветов, процесса охлаждения и расширения были очень похожи на то, что ранее предсказывали многие теоретики, работавшие независимо друг от друга. Прежде всего, это Брайан Мецгер (Brian Metzger) из Колумбийского университета и Дэн Кейсен (Dan Kasen) из Калифорнийского университета в Беркли.

Короче говоря, объясняет Мецгер, то, что увидели астрономы после этого слияния, можно назвать «килоновой». Это интенсивная вспышка света, образовавшегося за счет выделения и последующего радиоактивного распада раскаленного до белизны и богатого нейтронами материала из нейтронной звезды. По мере того, как этот материал расширяется и охлаждается, большая часть его нейтронов захватывается ядрами железа и других тяжелых элементов, оставшихся в виде пепла после взрыва сверхновой и образования нейтронной звезды. «Это приводит к созданию еще более тяжелых элементов в течение примерно одной секунды, когда выбрасываемые частицы захватывают эти нейтроны и расширяются в пространстве. Одно из этих слияний формирует нижнюю половину периодической таблицы, а именно, золото, платину, уран и так далее», — говорит Мецгер. На завершающем этапе свет от килоновой резко смещается в инфракрасную зону, когда нейтроны, каскадом вылетающие из выброса, формируют самые тяжелые элементы, которые весьма эффективно поглощают видимый свет.

Измерение спектральных изменений тела килоновой, в свою очередь, позволяет астрономам определить количество различных элементов, образовавшихся в процессе слияния. Эдо Бергер (Edo Berger), изучающий килоновые в Смитсоновском центре астрофизики и руководивший многочисленными и самыми амбициозными наблюдениями за этим слиянием, говорит, что в результате данного события образовались тяжелые элементы, по своей массе равные 16 тысяч масс Земли. «Там есть все: золото, платина, уран, а также другие, самые странные элементы, которые нам известны в виде букв в периодической таблице, хотя мы не знаем их названия, — говорит он. — А что касается распада, то точный ответ на этот вопрос нам пока неизвестен».

Некоторые теоретики предполагают, что количество образовавшегося в результате слияния золота составляет лишь несколько десятых частей земной массы. Мецгер, со своей стороны, полагает, что это количество равно приблизительно 100 массам Земли. По его оценке, платины образовалось в три раза больше земной массы, а урана — в 10 раз меньше. В любом случае, если сопоставить новые статистические оценки частоты таких слияний, основываясь на последних измерениях, то у нас получается довольно большое количество таких событий. «Их достаточно, чтобы сформировать и накопить те элементы, которые образуют нашу собственную солнечную систему и то многообразие звезд, которое мы видим, — говорит Мецгер. — На основе того, что мы увидели, можно подробно объяснить эти слияния. Наверное, есть и другие способы образования тяжелых элементов, но похоже, что нам они не нужны». По его словам, каждые 10 тысяч лет в Млечном пути происходит только одно слияние нейтронных звезд.

Дальние рубежи

Более того, изучение процесса слияния и образования килоновой может дать нам очень важную информацию о том, как происходило столкновение. Например, свет от первоначального выброса после слияния был более голубым, чем ожидали ученые. Исходя из этого, Мецгер и другие ученые сделали вывод о том, что они смотрели на килоновую под углом, а не прямо. Если брать за основу такой сценарий, то первоначальный голубой выброс исходил из сферической оболочки или расположенной по экватору полосы материала с небольшим содержанием нейтронов, которые выдувались наружу из нейтронных звезд на скорости, равной оценочно 10% от скорости света. Более поздняя и более красная эмиссия могла исходить из материала с большим содержанием нейтронов, который был выброшен с полюсов нейтронных звезд при их столкновении со скоростью в два-три раза выше — подобно зубной пасте, выдавливаемой из тюбика.

Таким образом, используя многочисленные данные, накопленные гравитационно-волновой астрономией, ученые смогут со временем определить углы обзора многих килоновых во всей наблюдаемой части Вселенной, и это позволит им более точно измерять крупномасштабные космические структуры и изучать их эволюцию. Ученые получат возможность для разгадки тех тайн, которые намного глубже, чем происхождение тяжелых элементов, скажем, того вызывающего недоумение обстоятельства, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением под воздействием некоей масштабной антигравитационной силы, известной как темная энергия.

Исследователи из области космологии надеются на то, что им удастся лучше понять темную энергию, точно измерив ее воздействие на Вселенную, проследить объекты, находящиеся в удаленных регионах Вселенной, понять, насколько они удалены, и как быстро они движутся в ускоряющихся потоках темной энергии. Но для этого ученым нужны надежные «стандартные свечи», то есть, объекты известной яркости, которые можно было бы использовать для калибровки этого огромного, всеохватывающего поля пространства-времени. Астрофизик Дэниэл Хольц (Daniel Holz), работающий в Чикагском университете и сотрудничающий с коллективом LIGO, продемонстрировал, каким образом сливающиеся нейтронные звезды могут способствовать этим усилиям. В своей работе он показывает, что силу гравитационных волн, образовавшихся в ходе последнего слияния, а также выбросы килоновой можно использовать для вычисления темпов расширения ближайших участков Вселенной. Этот метод ограничен всего одним слиянием, и поэтому получаемые с его помощью значения отличаются существенной неопределенностью, хотя они подтверждают те данные по темпам расширения, которые получены при использовании других методов. Но в предстоящие годы гравитационно-волновые обсерватории, а также наземные и космические телескопы нового поколения и больших размеров будут работать совместно, открывая сотни и даже тысячи столкновений нейтронных звезд ежегодно. В этом случае точность оценок заметно повысится.

«Что все это означает? А то, что измерения гравитационных волн от этих слияний, проведенные LIGO и Virgo, будут дополнены моделями килоновых, и тогда ученые смогут понять, каковы их наклонения и углы обзора, исследуя их спектральную эволюцию с переходом из синего в красный цвет». Об этом говорит астрофизик Ричард О’Шонесси (Richard O’Shaughnessy), работающий в Рочестерском технологическом институте и входящий в состав коллектива LIGO. «Это очень мощное объединение усилий. Если мы будем знать наклонение, мы сможем вычислить расстояние, А это будет очень полезно для космологии. То, что сделано сейчас, является прототипом того, что мы будем регулярно делать в будущем».

«Если хорошенько задуматься, то Вселенная представляет собой своего рода коллайдер космических частиц, и частицами в этом коллайдере являются нейтронные звезды, — говорит О’Шонесси. — Он сталкивает эти частицы, и теперь у нас появилась возможность понять, что из этого получается. В предстоящие годы мы увидим большое количество таких событий. Не знаю точно, сколько их будет, но люди уже называют это космическим дождем. Это даст нам реальные данные, позволяющие соединить очень разные и обрывистые нити астрофизики, которые прежде существовали лишь в умах теоретиков или в виде отдельных кусочков информации в моделях суперкомпьютеров. Это даст нам возможность понять причины изобилия тяжелых элементов в космосе. Это даст нам возможности для изучения мягкой и легко сжимаемой ядерной материи в условиях огромной плотности. Мы получим возможность измерить темпы расширения Вселенной. Такие совместные усилия предоставят обширные возможности астрофизике высоких энергий и поставят перед ней множество задач на предстоящие десятилетия. И основой такого сотрудничества станут многолетние инвестиции. Сегодня мы пожинаем плоды в виде огромной горы золота, масса которой в десятки или даже сотни раз превышает массу Земли. Этот подарок нам преподнесла Вселенная».

Ли Биллингс — заместитель главного редактора Scientific American. Он пишет о космосе и физике.

Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.

Звездные волны: «Спектр-РГ» увидит Вселенную в рентгеновском диапазоне

Космическая обсерватория «Спектр-РГ» проведет глубокое исследование космоса, благодаря которому планируется найти ответ на один из главных вопросов: как проходило формирование самых крупных объектов во Вселенной — скоплений галактик. Для этого планируется впервые пронаблюдать и провести полную «инвентаризацию» всех массивных скоплений галактик (их общее число во Вселенной, включая новые открытия, оценивается примерно в 100 тыс.), открыть около 3 млн новых активных ядер галактик, или сверхмассивных черных дыр. Кроме того, будут изучены около 500 тыс. звезд, излучающих в рентгеновском диапазоне. В результате анализа полученных данных ученые рассчитывают узнать подробности о процессе эволюции Вселенной и особенностях распределения в ней загадочного темного вещества. Аппарат планируется отправить на орбиту 13 июля.

Буря на сердце: ученые исследовали влияние космоса на здоровье

Возможность гипертонических кризов, инфарктов и инсультов растет во время геомагнитных возмущений

Рентген Вселенной

Рентгеновское излучение — это электромагнитные волны, исходящие от самых горячих космических объектов, к которым относятся газ в скоплениях галактик, вещество в окрестности черных дыр и нейтронные звезды. Как правило, поток оптического излучения от этих объектов относительно слаб для их наблюдений с помощью оптических приборов, и поэтому ученые используют для этой цели рентгеновские телескопы. Они могут работать только в космосе, поскольку рентгеновское излучение не проходит через атмосферу Земли. В последние годы всё больше космических астрофизических обсерваторий отравляют в окрестность так называемой точки Лагранжа L2, расположенной дальше нашей планеты от Солнца на 1,5 млн км. Здесь космическим аппаратам не мешают характерные для околоземных орбит перепады температуры и засветки от Земли и Луны.

Именно в эту область космоса будет отправлена новая обсерватория «Спектр-РГ», созданная инженерами российского НПО им. Лавочкина, учеными и специалистами Института космических исследований РАН совместно с коллегами из Общества Макса Планка (Германия). Разработка представляет собой космический аппарат весом в 2,7 т, оснащенный двумя телескопами.

— Российский прибор ART-XC и немецкий eRosita ориентированы в одном направлении, что позволит вести наблюдение определенного участка космоса одновременно в мягком и жестком диапазоне волн, — пояснил заместитель директора Института космических исследований РАН Михаил Павлинский. — Это обеспечит максимальную информативность системы, которая будет делать полный обзор неба за полгода.

По мнению представителей Института астрономии РАН, решение использовать в аппарате сразу два телескопа более чем оправданно.

Под мусорным небом: чем опасны для землян осколки космических кораблей

Вокруг Земли со скоростью до 30 тыс. км/ч вращаются 1,25 млрд фрагментов космического мусора диаметром до 10 см

— В принципе, есть возможность совместить оба необходимых диапазона в одном устройстве, однако в этом случае мы бы проиграли в эффективности, — отметил научный руководитель Института астрономии РАН Борис Шустов. — Кроме того, данный вариант дал возможность поставить на аппарат российский телескоп, что означает полноценное партнерство ученых из России и Германии.

В течение одного дня «Спектр-РГ» будет собирать около 500 мб данных, которые планируется передавать на Землю по стандартным линиям радиосвязи на российские приемные станции. Ими выступят Центр космической связи «Медвежьи озера» (Московская область) и Восточный центр дальней космической связи, находящийся вблизи Уссурийска. При этом процесс передачи будет занимать около двух часов ежедневно.

— Первые два года обсерватория будет работать в автоматическом обзорном режиме, который необходим для полной инвентаризации всех самых массивных объектов во Вселенной (скоплений галактик), — пояснил Борис Шустов. — Затем из всего их многообразия наблюдаемых объектов астрономы выделят наиболее интересные, и в дальнейшем они будут изучены аппаратом более тщательно.

Оптическая поддержка

После получения и анализа первых данных с рентгеновских телескопов (это произойдет уже в 2020 году) к проекту присоединятся наземные обсерватории. Их задача — изучить открытые объекты в оптическом диапазоне, что позволит получить о них более подробную информацию.

В частности, на этом этапе активное участие в программе примет Казанский федеральный университет (КФУ), в распоряжении которого находится российско-турецкий телескоп РТТ-150.

Цена свободы: перспективы и возможности космодрома Восточный

Почему новейший космодром России до сих пор почти не используется

— Рентгеновские телескопы идеально подходят для поиска самых горячих космических объектов, однако в ряде случаев сфокусировать рентгеновское излучение непросто, то есть трудно получить достаточно детальное изображение, — рассказал заведующий кафедрой астрономии и космической геодезии КФУ Ильфан Бикмаев. — Здесь им на помощь придут наземные обсерватории, которые изучат наиболее интересные области космоса более детально. Например, если с помощью рентгеновского телескопа будут обнаружены облака горячего газа в центрах скоплений галактик, то с оптическими инструментами мы сможем получить изображения отдельных галактик, из которых состоят эти скопления.

По словам ученого, наблюдения наземных обсерваторий позволят определять типы найденных объектов, а также (если они будут достаточно яркими) проводить спектральный анализ света, который от них исходит. Впоследствии это даст возможность узнать расстояния до галактических скоплений, размеры звездных систем, массу компактных источников излучения и химический состав звезд.

В конечном итоге авторы проекта планируют совместить данные «Спектра-РГ» с результатами исследований нескольких оптических телескопов, построив новую, более подробную карту Вселенной.

Темная концентрация

Помимо увеличения объема знаний о составе Вселенной результаты проекта могут заложить основы для значимых научных прорывов в области изучения космоса. В частности, благодаря информации о местонахождении скоплений галактик разного возраста ученые рассчитывают построить модель их пространственного распределения, что позволит проследить определенные закономерности развития.

— В результате новые данные помогут нам более точно описать процессы, которые происходили во время различных этапов эволюции Вселенной, — подчеркнул Михаил Павлинский.

Головокружение от Марса: ученые предскажут космическую болезнь

Медицинский стенд подготовит путешественников к полетам на другие планеты

Кроме того, космический эксперимент может подтвердить либо опровергнуть ряд гипотез о загадочной темной материи.

— Есть вероятность, что в скоплениях галактик в концентрированном виде содержится темное вещество, которое взаимодействует с обычной материей посредством гравитации, — отметил Ильфан Бикмаев. — Если это действительно так, то по пространственному распределению скоплений галактик можно будет понять особенности распределения темной материи и определить ее роль в процессе развития космических систем.

После многочисленных переносов старта ввиду недостаточной готовности бортовых систем аппарата, запуск «Спектра-РГ» был запланирован на 13 июля. Если не возникнет дополнительных технических проблем, в этот день он будет отправлен в космос с помощью ракеты «Протон-М» с разгонным блоком ДМ-03.

В пресс-службе Института космических исследований РАН «Известиям» сообщили, что информацию о состоянии оборудования аппарат отправит на Байконур уже через несколько часов после запуска.

Если же говорить о первых научных данных, то их ученые будут ждать еще около 100 суток после старта — именно за это время космическая обсерватория достигнет точки Лагранжа и подготовится к исследованиям, раскрыв солнечные батареи и проведя калибровку приборов.

Радиоастрономия

Радиоволны

Радиоволны – электромагнитные волны, частоты которых ниже 3000 ГГц, распространяющиеся в пространстве без искусственного волновода. Радиоволны в электромагнитном спектре располагаются от крайне низких частот вплоть до инфракрасного диапазона. С учетом классификации Международным союзом электросвязи радиоволн по диапазонам, к радиоволнам относят электромагнитные волны с частотами от 0,03 Гц до 3 ТГц, что соответствует длине волны от 10 миллионов километров до 0,1 миллиметра.
Анимированная схема излучения радиоволн

В широком смысле радиоволнами являются всевозможные волновые процессы электромагнитного поля в аппаратуре, в линиях передачи и, наконец, в природных условиях, в среде, разделяющей передающую и приемную антенны.

Радиоволны, являясь электромагнитными волнами, распространяются в свободном пространстве со скоростью света. Естественными источниками радиоволн являются вспышки молний и астрономические объекты. Искусственно созданные радиоволны используются для стационарной и мобильной радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, спутниковой связи, организации беспроводных компьютерных сетей и в множестве других приложений.

Радиоастрономия

Радиоастрономия – раздел астрономии, изучающий космические объекты с помощью исследования их электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн. Объектами излучения являются практически все космические тела и их комплексы, а также вещество и поля, заполняющие космическое пространство (межпланетная среда, межзвездные газ и пыль, магнитные поля, космические лучи, реликтовое излучение). Метод исследования заключается в регистрации космического радиоизлучения с помощью радиотелескопов.

Радиоастрономия привела к значительному развитию астрономии, особенно с открытием нескольких новых классов объектов, включая пульсары, квазары и радиогалактики. Она позволяет увидеть то, что невозможно обнаружить с помощью оптической астрономии. Такие объекты представляют собой самые далекие и мощные физические явления во Вселенной.

Реликтовое излучение также было впервые обнаружено с помощью радиотелескопов. Кроме того, радиотелескопы использовались и для исследования ближайших к Земле астрономических объектов, включая наблюдения Солнца и солнечной активности, и радарное картографирование планет Солнечной системы.

Инструменты радиоастрономии

Радиотелескопы – инструменты для приёма собственного радиоизлучения космических объектов и исследования их дислокации, пространственной структуры, интенсивности излучения, спектра и поляризации.

Радиотелескоп занимает начальное, по диапазону частот, положение среди астрономических инструментов, исследующих электромагнитное излучение. На более высоких частотах работают телескопы теплового, видимого, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения.

История радиотелескопов началась в 1931 году с экспериментов Карла Янски на полигоне фирмы Bell Telephone Labs. Для исследования направления прихода грозовых помех он построил вертикально поляризованную однонаправленную антенну типа полотна Брюса. Размеры конструкции составляли 30,5 метров в длину и 3,7 метров в высоту. Работа проводилась на волне 14,6 метров (20,5 МГц). Антенна соединялась с чувствительным приёмником, на выходе которого стоял самописец с большой постоянной времени.

В 1932 году Янски уже сообщал о первых результатах, полученных на своей установке. В статье сообщалось об обнаружении «постоянного шипения неизвестного происхождения», которое трудно отличить от шипения, вызываемого шумами самой аппаратуры. Направление прихода шипящих помех меняется постепенно в течение дня, делая полный оборот за 24 часа». В двух своих следующих работах 1933 года и 1935 года Карл Янски постепенно приходит к заключению, что помехи производит центральная область нашей Галактики.

Янски сознавал, что прогресс в радиоастрономии потребует антенн больших размеров с более острыми диаграммами, которые должны быть легко ориентируемы в различных направлениях. Он сам предложил конструкцию параболической антенны с зеркалом 30,5 метров в диаметре для работы на метровых волнах, однако его предложение не получило поддержки.

В 1937 году Гроут Ребер, радиоинженер из Уэтона (США), заинтересовался работой Янски и сконструировал в заднем дворе дома своих родителей антенну с параболическим рефлектором диаметром 9,5 м. Эта антенна имела меридианную монтировку, то есть была управляема лишь по углу места, а изменение положения лепестка диаграммы по прямому восхождению достигалось за счёт вращения Земли. Антенна Ребера была меньше, чем у Янски, но работала на более коротких волнах, и её диаграмма направленности была значительно острее.

Весной 1939 года Ребер обнаружил на волне 1,87 м (160 МГц) излучение с заметной концентрацией в плоскости Галактики и опубликовал некоторые результаты. Развивая аппаратуру, Ребер приступил к систематическому обзору неба и в 1944 году опубликовал первые радиокарты небосвода на волне 1,87 метров, показывающие центральные области Млечного Пути и яркие радиоисточники в созвездии Стрельца, Лебедь A, Кассиопея A, Большого Пса и Кормы.

После Второй мировой войны произошли существенные технологические улучшения в области радиоастрономии учеными в Европе, Австралии и США. Расцвет радиоастрономии привел к освоению миллиметровых и субмиллиметровых длин волн, позволяющих достичь значительно больших разрешений.

Миллиметровое и субмиллиметровое излучение открывает окно в загадочную холодную Вселенную, но эти сигналы из космоса почти целиком поглощаются водяным паром в атмосфере Земли. Поэтому телескопы, работающие в этой области астрономии, должны устанавливаться на большой высоте над уровнем моря в местах с низкой влажностью воздуха. Именно таким местом является плато Чахнантор на высоте 5000 метров, где расположена одна из самых высокогорных радиоастрономических обсерваторий на Земле.

ALMA — сверхсовременный инструмент для изучения самых холодных объектов во Вселенной. Они излучают на волнах длиной около миллиметра, между инфракрасным светом и радиоволнами, поэтому такое излучение называется миллиметровым и субмиллиметровым. ALMA состоит из 66 высокоточных антенн, расставленных на расстояния до 16 километров друг от друга. Это крупнейший из существующих глобальных наземных астрономических проектов.

Радиоастрономия подарила мировому научному сообществу важные знания о самых далеких галактиках и потенциально угрожающих Земле астероидах, о сверхмассивных черных дырах и слияниях галактик. Таким образом, сегодня благодаря современным радиообсерваториям мы можем смотреть не только в прошлое, разбирая свет, идущий к нам миллиарды лет, но и делать прогнозы на как ближайшее, так и на весьма отдаленное будущее, не теряясь в пыли космического пространства.

ИНФОФИЗ — мой мир…

Что такое гравитационные волны?

Гравитационные волны — изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Излучаются движущимися массами, но после излучения отрываются от них и существуют независимо от этих масс. Математически связаны с возмущением метрики пространства-времени и могут быть описаны как «рябь пространства-времени».

В общей теории относительности и в большинстве других современных теорий гравитации гравитационные волны порождаются движением массивных тел с переменным ускорением. Гравитационные волны свободно распространяются в пространстве со скоростью света. Ввиду относительной слабости гравитационных сил (по сравнению с прочими) эти волны имеют весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности (ОТО). Впервые они были непосредственно обнаружены в сентябре 2020 года двумя детекторами-близнецами обсерватории LIGO, на которых были зарегистрированы гравитационные волны, возникшие, вероятно, в результате слияния двух чёрных дыр и образования одной более массивной вращающейся чёрной дыры. Косвенные свидетельства их существования были известны с 1970-х годов — ОТО предсказывает совпадающие с наблюдениями темпы сближения тесных систем двойных звёзд за счёт потери энергии на излучение гравитационных волн. Прямая регистрация гравитационных волн и их использование для определения параметров астрофизических процессов является важной задачей современной физики и астрономии.

Если представить себе наше пространство-время как сеть координат, то гравитационные волны — это возмущения, рябь, которая будет бежать по сетке, когда массивные тела (например, черные дыры) искажают пространство вокруг себя.

Это можно сравнить с землетрясением. Представьте, что вы живете в городе. В нем есть какие-то маркеры, которые создают городское пространство: дома, деревья и так далее. Они неподвижны. Когда где-то поблизости от города происходит крупное землетрясение, колебания доходят до нас — и колебаться начинают даже неподвижные дома и деревья. Вот эти колебания и являются гравитационными волнами; а объекты, которые колеблются, — это пространство и время.

Почему ученые так долго не могли зарегистрировать гравитационные волны?

Конкретные усилия по обнаружению гравитационных волн начались в послевоенный период с несколько наивных устройств, чувствительности которых, очевидно, не могло хватить для регистрации таких колебаний. Со временем стало понятно, что детекторы для поиска должны быть очень масштабные — и они должны использовать современную лазерную технику. Именно с развитием современных лазерных технологий появилась возможность контролировать геометрию, возмущения которой и являются гравитационной волной. Мощнейшее развитие технологий сыграло ключевую роль в этом открытии. Какими бы гениальными ни были ученые, еще 30–40 лет назад сделать это было технически просто невозможно.

Почему обнаружение волн так важно для физики?

Гравитационные волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном в общей теории относительности около ста лет назад. Все XX столетие находились физики, которые ставили под сомнение эту теорию, хотя появлялось все больше и больше подтверждений. И наличие гравитационных волн — это такое критическое подтверждение теории.

Кроме того, до регистрации гравитационных волн о том, как ведет себя гравитация, мы знали только на примере небесной механики, взаимодействия небесных тел. Но было понятно, что гравитационное поле имеет волны и пространство-время может деформироваться подобным образом. То, что мы до этого не видели гравитационных волн, было белым пятном в современной физике. Сейчас это белое пятно закрыто, положен еще один кирпич в основание современной физической теории. Это фундаментальнейшее открытие. Ничего сравнимого за последние годы не было.

«В ожидании волн и частиц» — документальный фильм про поиск гравитационных волн (автор Dmitry Zavilgelskiy)

Есть в регистрации гравитационных волн и практический момент. Наверное, после дальнейшего развития технологий можно будет говорить о гравитационной астрономии — о том, чтобы наблюдать следы наиболее высокоэнергичных событий во Вселенной. Но сейчас говорить об этом рано, речь идет только о самом факте регистрации волн, а не о выяснении характеристик объектов, которые генерируют эти волны.

По материалам сайтов Википедия и Медуза

«Вояджеры» измерили скорость звука и давление в открытом космосе

«Вояджеры» измерили скорость звука и давление в открытом космосе

На основании свежих данных с автоматических станций «Вояджер-1» и «Вояджер-2» ученые НАСА смогли измерить ряд параметров космического пространства на границе Солнечной системы. Среди прочего была определена скорость звука в гелиосферной мантии и давление в ней.

Космические аппараты «Вояджер» являются самыми удаленными от Земли рукотворными объектами, а также самыми старыми из работающих зондов. Они добрались до той части Солнечной системы, где она непосредственно граничит с межзвездным пространством. Наша звезда выбрасывает в космос огромное количество вещества и заряженных частиц, которые называются солнечным ветром. Эта плазма имеет неоднородную структуру и на расстоянии от 75 до 90 астрономических единиц от Солнца (11−13,5 миллиардов километров) она значительно теряет скорость из-за взаимодействия с межзвездным пространством. Данный регион называется границей ударной волны, а за ним начинается гелиосферная мантия. В ней движение солнечного ветра имеет турбулентный характер и плотность вещества существенно возрастает. Когда были сделаны описанные в исследовании измерения, «Вояджер-2» находился именно в ней, тогда как его «старший брат» уже пролетел чуть дальше — в гелиопаузу, где влияние солнечного ветра уравновешивается межзвезным веществом. К 2020 году оба зонда окончательно вылетели в межзвездное пространство.

Упрощенная схема внешних границ гелиосферы, на которой о. Голубой круг в центре — гелиосфера, внутри которой скорость солнечного ветра примерно одинакова; зеленая окружность — граница ударной волны, здесь скорость солнечного ветра значительно снижается; фиолетовая зона — гелиосферная мантия; красная окружность — гелиопауза.

В моменты усиления солнечной активности, количество выбрасываемого вещества увеличивается и солнечный ветер имеет большее давление. Из-за того, что это явление относительно краткосрочно, образуется интенсивный фронт, который можно легко отследить, а также сравнить его воздействие на разные приграничные регионы нашей планетной системы. В 2012 году подобное событие было зарегистрировано аппаратами с разницей в четыре месяца, что позволило оценить скорость распространения ударных волн в гелиосферной мантии. Проанализировав полученные данные, ученые пришли к выводам, заставившим их частично пересмотреть существующие теории. Оказалось, что плотность вещества в гелиосферной мантии гораздо выше, чем предполагалось, а его давление больше. Также удалось уточнить и скорость звука в ней — около 300 километров в секунду.

Всего было запущено два аппарата серии «Вояджер» с разницей в 16 дней в 1977 году. За прошедшие 42 года они пережили массу неисправностей, неожиданных открытий и по-прежнему продолжают передавать ценнейшие научные данные. В данный момент оба зонда находятся за пределами Солнечной системы и ожидается, что они продолжат выходить на связь до 2025 года. К этому моменту радиоизотопные источники питания настолько потеряют мощность, что у аппаратов не будет возможности обеспечить питанием хотя бы один прибор или узел.

В обиходе под скоростью звука, как правило, понимается скорость распространения звуковых волн в воздухе. Однако с точки зрения физики, это скорость распространения упругих волн в любой среде. Межзвездное пространство лишь на первый взгляд абсолютно пустое, на самом деле в нем очень много вещества и заряженных частиц, которые постоянно взаимодействуют друг с другом. Человек, оказавшись в гелиосферной мантии, навряд ли хоть что-то заметит, а тем более услышит, но по сравнению с внутренней солнечной системой и межзвездным пространством этот регион — как стена бурлящей воды. Формирующиеся перед и после нее ударные волны видны в телескопы за сотни световых лет. Наиболее простая и наглядная аналогия происходящих процессов — струя воды, бьющая в дно раковины. Место, где струя сталкивается с твердой поверхностью — Солнце, тонкая пленка быстро расходящейся в стороны воды — солнечный ветер, а валик вокруг — мантия.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: