По, что вы видите на представленных здесь снимках, является частью нового оборудования, предназначенного для установки на телескоп South Pole Telescope (SPT). Одними и главными из узлов этого оборудования, разрабатываемого и изготавливаемого специалистами Национальной лаборатории имени Ферми, являются кремниевые антенны, а эти похожие на своеобразную татуировку крошечные диски на их поверхности — это миниатюрные антенны, способные уловить даже самые слабые отголоски Большого Взрыва, которым было отмечено рождение нашей Вселенной.
Телескоп South Pole Telescope (SPT) стоит на поверхности трехкилометрового ледяного панциря, покрывающего поверхность Антарктики в районе Южного Полюса нашей планеты. Этот телескоп служит для поисков ответов на некоторые фундаментальные астрофизические загадки и тайны Вселенной. А делает он это путем проведения наблюдений за распределением и интенсивностью космического микроволнового фона (cosmic microwave background, CMB), который является видоизменившимся светом, излученным еще в момент Большого Взрыва.
Астрономы используют данные о микроволновом космическом фоне для углубления знаний о составе и процессах развития Вселенной, которые происходили через доли секунды спустя момента Большого Взрыва, в период очень быстрого расширения Вселенной, который называется периодом ускоренной инфляции.
Еще одной из задач, которые решают ученые при помощи телескопа SPT, является точное измерение массы частиц нейтрино, которые возникли в огромных количествах во время Большого Взрыва. Эти частицы практически невесомы, но с учетом из большого количества, на их долю приходится достаточно значимая часть от всей массы материи во Вселенной и эти частицы оказывают некоторое влияние на основные процессы, в частности на процесс расширения Вселенной.
Вычисляя распределение массы материи по объему Вселенной путем измерений эффектов гравитационного преломления волн микроволнового фона, которое возникает под воздействием сил гравитации сверхмассивных объектов, астрофизики стараются вычислить массу нейтрино с максимально возможной на сегодняшний день точностью.
В настоящее время специалисты занимаются установкой более крупной и более чувствительной камеры на телескоп SPT, что позволит в недалеком будущем производить более точные измерения параметров микроволнового фона. Новая камера, SPT-3G имеет в четыре раза больший вес, нежели предыдущая камера, что обуславливается наличием в ней в десять раз большего количества датчиков. А на втором из приведенных здесь снимков можно увидеть один из таких датчиков, на поверхности которого находятся десятки миниатюрных круглых антенн.
Взято с dailytechinfo.org
«Большой Взрыв — начало Вселенной — произвел вещество и антивещество в равных количествах. Но наш нынешний мир на это не похож. Антивещество чрезвычайно редкое. Это огромная загадка, — говорит Айхон Тан, физик из Брухейвена, участвующий в анализе данных, собранных детектором STAR коллайдера релятивистских ионов (RHIC). — И хотя эта загадка была известна десятилетиями, она и по сей день остается одной из крупнейших проблем науки, возникало мало догадок на эту тему. Все, что мы узнаем о природе антивещества, может теоретически внести вклад в разрешение этой задачи».
Вглядываясь в осколки столкновений частиц, которые воссоздают условия очень ранней Вселенной, ученые впервые измерили силу взаимодействия между парами антипротонов. Подобно силе, которая удерживает обычные протоны вместе в ядрах атомов, сила между антипротонами притягательная и мощная.
Эксперименты проводились на ускорителе RHIC при содействии Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, в рамках исследований ядерной физики. Выводы, опубликованные в журнале Nature, могут пролить свет на более крупные кусочки антиматерии, включая ядра антиматерии, ранее обнаруженные на RHIC, и помочь ученым ответить на один из крупнейших вопросов в науке: почему в мире практически нет антивещества.
RHIC — идеальное место для исследования антивещества, поскольку это одно из немногих мест на Земле, где можно создать эту редкость в достаточном количестве. Делается это за счет столкновения ядер тяжелых атомов вроде золота между собой почти на скорости света. Эти столкновения производят условия, крайне похожие на те, что царили во Вселенной микросекунды спустя после Большого Взрыва — при температуре в 250 000 раз выше, чем в центре Солнца, когда все было заключено в размеры единственного атомного ядра. Эта энергия, упакованная в крошечное пространство, создает плазму из фундаментальных строительных блоков материи, кварков и глюонов, и тысячи новых частиц — материи и антиматерии, в равных количествах.
«Мы воспользовались возможностью произвести достаточно количество антивещества, чтобы провести это исследование», — говорит Тан.
Группа STAR ранее уже выявляла и изучала редкие формы антиматерии — включая анти-альфа-частицы, крупнейшие ядра антиматерии, которые когда-либо создавались в лаборатории, каждое состоящее из двух антипротонов и двух антинейтронов. Эти эксперименты дали некоторое понимание того, как антипротоны взаимодействуют в таких крупных составных объектах. Но в том случае «сила между антипротонами является совокупностью взаимодействий со всеми другими частицами», говорит Тан. «Мы хотели изучить простое взаимодействие несвязанных антипротонов, чтобы получить чистый вид этой силы».
Чтобы сделать это, они искали в данных золото-золотых столкновений в STAR пары антипротонов, которые были достаточно близко, чтобы взаимодействовать, когда выходили из огненного шара изначального столкновения.
«Мы видим, как множество протонов, основных строительных блоков обычных атомов, выходит наружу, и видим почти такое же число антипротонов, — говорит Чжэньквяо Чжан, аспирант группы профессора Ю-Ганг Ма из Института прикладной физики Шанхая при Китайской академии наук, работающей под руководством Тана в Брукхейвене. — Антипротоны выглядят подобно знакомым нам протонам, но поскольку являются антивещество, их заряд не положительный, а отрицательный, поэтому они искривляются противоположным образом в магнитном поле детектора».
«Глядя на те, которые ударяются между собой в детекторе, мы можем измерить корреляции в определенных свойствах, которые дают нам представления о взаимодействии между парой антипротонов, включая его силу и диапазон, в котором оно проявляется», — добавляет он.
Ученые обнаружили, что сила, действующая между парами антипротонов, притягивает, подобно сильному ядерному взаимодействию, которое удерживает обычные атомы вместе. Учитывая то, что они уже обнаружили связанные состояния антипротонов и антинейтронов — ядер антивещества — это неудивительно. Когда антипротоны находятся близко друг к другу, сильное взаимодействие преодолевает тенденцию одинаково (отрицательно) заряженных частиц отталкивать друг друга подобно тому, как позволяет положительно заряженным протонам связываться в ядре обычного атома.
На самом деле, эти измерения не показывают разницу между материей и антиматерией касательно поведения сильного взаимодействия. То есть, в пределах точности этих измерений, вещество и антивещество кажутся совершенно симметричными. Это означает, что по крайней мере с точностью, которой удалось достичь ученым, можно утверждать, что асимметричными причудами сильного взаимодействия нельзя объяснить превалирующее количество вещества во Вселенной и отсутствие в ней антивещества.
Но ученые отмечают, что мы не узнали бы этого, если бы не провели эксперименты.
«Есть много способов проверить асимметрию вещества/антивещества, и есть более точные тесты, но в дополнение к точности важно проверить ее качественно различными способами. Этот эксперимент представляет собой качественно новый тест», — говорит Ричард Ледницкий, ученый STAR из Объединенного института ядерных исследований в г. Дубна при Чешской академии наук.
«Успешная реализация методики, используемой в этом анализе, открывает захватывающие возможности для изучения деталей сильного взаимодействия между другими обильно производимыми видами частиц», — говорит он, отмечая, что RHIC и БАК прекрасно подходят для таких измерений, которые сложно провести другими способами.
Если вы не астрофизик, вы, вероятно, не сидите и не думаете о темной энергии постоянно. И это можно понять, поскольку темная энергия (не путать с темной силой, юный подаван) никак не влияет на нашу, вашу и мою, жизнь. Но если бы вы на минутку остановились и подумали о темной энергии, то возникли бы вопросы. Эта загадочная сила, которая составляет основную часть Вселенной, но была открыта лишь 17 лет назад, невероятным образом разрывает космос на части с увеличивающимся темпом.
Астрофизики много думают о темной энергии. И отчаянно нуждаются в большей информации о ней, прямо сейчас, имея всего два важных очага информации. Один показывает Вселенную в ее юности, в возрасте 380 000 лет, благодаря наблюдениям космического микроволнового фонового излучения. Также, направляя свои телескопы в небо и оглядываясь, они могут измерить нынешний темп расширения Вселенной.
Но астрономы отчаянно хотели бы знать, что произошло между Большим Взрывом и сегодняшним днем. Постоянна ли темная энергия или же ускоряется? Или, что еще более невероятно, может быть все находится на пороге своеобразного фазового перехода, готовое превратиться в лед, как сделал лед-девять в «Колыбели для кошки» Курта Воннегута? Наверное, нет, хотя кто его знает.
План с большой буквы «П»
К счастью, у астрономов в Западном Техасе есть план на 42 миллиона долларов по использованию четвертого по величине оптического телескопа в мире, чтобы получить ответы на некоторые вопросы. До сих пор 9-метровый телескоп Хобби — Эберли в обсерватории Макдональд весьма преуспел в наблюдении очень далеких объектов, но в узком поле зрения. С новой умной оптической системой астрономы расширили поле зрения телескопа на 120%, почти до размеров полной Луны. Следующим шагом будет создание набора спектрографов и, используя 34 000 оптических волокон, подключение их к фокальной плоскости телескопа.
«Мы собираемся создать трехмерную карту Вселенной, — говорит Карл Гебхардт, профессор астрономии Техасского университета в Остине. — На этой гигантской карте у каждого изображения, которое мы получим, будет множество спектров. Ни один другой телескоп не сможет добыть информацию в таком виде».
С этой подробной информацией о местонахождении и возрасте объектов в небе, астрономы надеются получить представление о том, как темная энергия влияла на скорость расширения Вселенной 5-10 миллиардов лет назад. Есть много теорий о том, чем может быть темная материя и как скорость расширения менялась со временем. Эти теории сделали прогнозы, которые теперь можно будет проверить фактическими данными.
Ник Сунцев, представитель A&M Aggies в Техасе, заранее предвкушает новые данные, которые начнут подтягиваться в ближайшие четыре года с телескопа Хобби — Эберли.
Сунцев хорошо известен сотрудничеством с Брайаном Шмидтом из High-Z Supernova Search Team, одной из двух исследовательских групп, обнаруживших темную энергию в 1998 году. Тогда наблюдения того, что скорость расширения Вселенной увеличивается, буквально перевернуло представление физиков о космосе. С тех пор они пытаются увязать загадочную силу — с загадочным названием «темная энергия» — с причиной этого ускорения.
На заре космоса
Когда ученые наблюдают квантовую механику, они видят крошечные флуктуации энергии. Есть мнение, что эти же флуктуации происходили на заре Вселенной, объясняет Сунцев. И когда юная Вселенная расширилась, то же произошло и с флуктуациями. Затем, спустя примерно секунду, когда температура Вселенной была примерно 10 миллиардов градусов Кельвина, эти колебания были по сути отпечатаны на темной материи. С тех пор эта темная материя (чем бы она ни была) реагирует лишь на силу гравитации.
Между тем, обычная материя и свет также заполняли Вселенную и в большей степени реагировали на электромагнетизм, чем на гравитацию. По мере расширения Вселенной, свет и материя волнами расходились наружу со скоростью звука. Затем, спустя 380 000 лет, говорит Сунцев, эти звуковые волны «замерзли», оставив космический микроволновый фон.
Эти волны ряби, замороженные относительно друг друга, расширялись наружу, и Вселенная росла. Их и сейчас можно увидеть — многие галактики отстоят друг от друга примерно на 500 миллионов световых лет, размер крупнейших пропастей. Но что произошло с момента замерзания и до того, что астрономы видят сегодня, является загадкой.
Техасский эксперимент позволит астрономам заполнить бреши в этом знании. Они должны быть в состоянии разделить две силы, действующие на расширение Вселенной. Это гравитационное стягивание из-за темной материи, которая сдерживает расширение. И это ускорение из-за темной энергии. Поскольку скорость расширения Вселенной в настоящее время увеличивается, темная энергия кажется доминирующей. Но так ли было всегда? Постоянна ли она? Когда она преодолела гравитационное притяжение темной материи?
«Я сравниваю это с неким флагом, — говорит Сунцев. — Мы не видим ветер, но знаем, что сила ветра развевает флаг. То же самое с рябью. Мы не видим темную энергию и темную материю, но мы видим, как они толкают и притягивают волны в течение долгого времени, а значит, можем измерить их силы с течением времени».
Конец Вселенной?
Эксперимент, который будет проводиться в обсерватории Макдональд, обойдется в 42 миллиона долларов и будет называться HETDEX (Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment). Этот телескоп находится в горах Дэвиса на западе Техаса, где наблюдаются самые темные и чистые небеса в континентальной части США. Проведение эксперимента займет три или четыре года, но астрономы надеются получить первые хорошие данные уже в первый год.
Если темная энергия постоянна, тогда нашу Вселенную ждет темное, одинокое будущее, поскольку все, что мы нынче наблюдаем, со временем исчезнет за горизонтом, превысив скорость света. Но если темная энергия изменяется со временем, сложно сказать, что будет дальше, говорит Сунцев. Один из маловероятных сценариев — среди многих — это фазовый переход. Темная энергия может пройти через каталитическое изменение, которое эхом разнесется по всей Вселенной. Тогда игра закончится, и об этом хотелось бы знать заранее.
«Выпуклость Млечного Пути важно наблюдать, потому что это единственная выпуклость, которую мы можем подробно изучить», — объясняет Аннализа Каламида из Научного института космического телескопа в Балтиморе, Мэриленд, ведущий автор работы. — Вы можете увидеть выпуклости в далеких галактиках, но не разберете самые слабые звезды, вроде белых карликов. Выпуклость Млечного Пути включает почти четверть звездной массы галактики. Характеризуя свойства звезд выпуклости, можно получить важную информацию для понимания формирования всей галактики Млечный Путь и подобных, но удаленных галактик».
Используя космический телескоп Хаббл для проведения «космических археологических раскопок» в самом сердце нашей галактики Млечный Путь, астрономы обнаружили «чертежи» или отпечатки ранней фазы строительства нашей галактики. Вглядываясь в переполненный центральный узел звезд, ученые Хаббла впервые обнаружили поколение древних белых карликов — тлеющих останков некогда ярких звезд, которые населяли ядро. Обнаружение этих реликтов может пролить свет на то, как образовалась наша галактика, задолго до появления Земли и Солнца.
Эти наблюдения являются самым глубоким и подробным исследованием структуры фундаментального города галактики — ее обширной центральной выпуклости, которая лежит в центре диска звезд в форме блина, где пребывает наша Солнечная система.
И как и с любым археологическим реликтом, белые карлики хранят историю ушедшей эпохи. Они хранят информацию о звездах, которые существовали порядка 12 миллиардов лет и сгорели, образовав эти самые белые карлики. И пока эти умирающие угольки некогда сияющих звезд остывают, они служат многомиллиардными памятниками, которые рассказывают астрономам о невероятных годах Млечного Пути.
Анализ данных Хаббла поддерживает идею, что выпуклость Млечного Пути образовалась первой и что ее звездные жители появились довольно быстро — менее чем за 2 миллиарда лет. Остальной галактический диск расползался в процессе медленного роста звезд второго и третьего поколения звезд, окружая центральную выпуклость как гигантское сомбреро.
Исследование Хаббла также выявило несколько маломассивных звезд в выпуклости, по сравнению с теми, что процветают в общем галактическом диске.
«Этот результат предполагает, что среда выпуклости отличалась от среды в диске, что привело к другому механизму звездообразования», — говорит Каламида.
Наблюдения были настолько чувствительными, что астрономы использовали данные, чтобы уловить слабое свечение белых карликов. Ученые основали свои результаты на анализе 70 самых горячих белых карликов, которых обнаружил Хаббл в небольшом регионе выпуклости среди десятков тысяч звезд.
Эти звездные реликты малые и чрезвычайно плотные. Они размером с Землю, но в 200 000 раз плотнее. Чайная ложка с материалом белой звезды будет весить порядка 15 тонн. Их небольшие размеры делают их настолько тусклыми, что смотреть на них — как пытаться увидеть свечение карманного фонарика на Луне. Астрономы используют четкие изображения Хаббла, чтобы отделить звезды выпуклости от мириад звезд на фоне галактического диска. Ученые смогли выполнить эту задачу, анализируя снимки Хабблом одного и того же поля из 240 000 звезд в промежутке 10 лет. Длительный период позволил астрономам сделать чрезвычайно точные измерения движения звезд и выявить 70 000 звезд выпуклости. Звездное население выпуклости движется с другой скоростью, отличной от звезд диска, что позволило астрономам их обнаружить.
Исследуемый регион является частью программы SWEEPS и расположен в 26 000 световых годах от нас. Необычайно чистая от пыли область неба предлагает уникальный вид сквозь замочную скважину на «потайную» выпуклость.
«Сравнив положения звезд ныне и 10 лет назад, мы смогли измерить точное движение звезд, — говорит Кайлаш Саху из STScl, руководитель исследования. — Эти движения позволили нам провести различия между звездами диска, выпуклости и гало».
Астрономы определили белые карлики, анализируя цвета звезд выпуклости и сравнивая их с теоретическими моделями. Чрезвычайно горячие белые карлики оказались более синими по отношению к солнцеподобным звездам. По мере старения белых карликов они становятся холоднее и тусклее, что осложняет задачу по их обнаружению даже для зоркого глаза Хаббла.
«Эти 70 белых карликов представляют собой верхушку айсберга, — говорит Саху. — Мы подсчитали, что общее число белых карликов в этом крошечном доступном для Хаббла участке выпуклости составляет порядка 100 000. Телескопы будущего вроде космического телескопа Джеймса Вебба позволят нам подсчитать почти все звезды в выпуклости даже с самыми тусклыми, которые не смогут увидеть телескопы современности, даже Хаббл».
Дальнейшие планы команды заключаются в расширении выборки белых карликов за счет анализа других участков поля SWEEPS. В конечном итоге это должно привести к более точной оценке возраста выпуклости галактики. Они могли бы также определить, могли ли процессы формирования выпуклости миллиарды лет назад отличаться от того, что мы видели на примере юного диска нашей галактики, которая, кстати, может быть не самой дружелюбной для жизни. Работа ученых появилась в The Astrophysical Journal.
Солнечный шторм, который миновал Землю, но врезался в Марс в марте этого года, позволил ученым произвести измерения и проверить имеющиеся у них подозрения касательно того, почему Марс из теплой и влажной в прошлом планеты превратился в нынешнюю сухую и холодную пустыню. И если разрушение марсианской атмосферы будет продолжаться такими же темпами, то через миллиард-другой лет Марс превратиться в безжизненное место, полностью лишенное атмосферы и воды, запасы которой находятся сейчас в виде льда, залегающего в районах полюсов планеты.
Данные, которые позволили ученым прийти к таким выводам, были получены в ходе миссии Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN), хотя подобные подозрения имелись у них достаточно давно. Космический аппарат этой миссии испытал «на собственной шкуре» воздействие выброса корональной солнечной массы и всплеска магнитных полей, которые «врезались» в Марс 8 марта 2015 года. Взаимодействие между магнитными полями солнечного всплеска и магнитным полем планеты привели к формированию у планеты «усиков» из магнитных полей, которые простирались из областей магнитных «карманов» в космос на расстояние порядка 5 тысяч километров.
Под воздействием солнечной радиации атомы кислорода и углекислого газа марсианской атмосферы ионизировались, поднимались вверх и рассеивались в космическом пространстве, двигаясь на скоростях, в 10 раз превышающие скорости их движения в другое время. Ученые считают, что в далеком прошлом Марс, имевший тогда более плотную атмосферу, терял ее в результате воздействий солнечных штормов еще большими темпами, нежели сейчас, кроме этого, Солнце в то же самое время было немного более активным, нежели в настоящее время.
Несмотря на достаточно большой объем полученных данных, некоторые параметры процесса потери Марсом своей атмосферы так и продолжают оставаться неизвестными величинами. К таким неизвестным относятся сейчас зависимость темпа потерь атмосферы от уровня солнечной радиации, виды и количественные показатели химических реакций, происходящих в атмосфере под воздействием высокоэнергетического ионизирующего излучения.
Так же ученые пока еще не определили, присутствуют ли на Марсе какие-нибудь процессы, пополняющие атмосферу планеты «свежими» газами из каких-нибудь скрытых «запасников». Однако, полученных аппаратом MAVEN данных хватило для того, чтобы рассчитать, что Марс может полностью лишиться своей и без того тонкой атмосферы приблизительно через два миллиарда лет.
Следует отметить, что некоторые атмосферные процессы и темпы потери Марсом своей атмосферы были изучены и измерены при помощи измерений уровня концентрации двух изотопов — аргона-38 и аргона-36. «Оба этих изотопа имеют естественное происхождение и они не радиоактивны. Они распределены равномерно по всему объему атмосферы планеты и принимают пассивное участие во всех происходящих там процессах» — рассказывает Брюс Якоский (Bruce Jakosky), ученый-планетолог из Колорадского университета и ведущий ученый миссии MAVEN, — «Благодаря некоторым особенностям вышеупомянутых изотопов мы можем при их помощи произвести весьма точные и чистые измерения различных процессов, в частности и темпов потери атмосферы».
В скором времени оборудование аппарата MAVEN сделает еще множество измерений, которые, как надеются ученые, дадут подсказки относительно исчезновения воды с поверхности Марса. А первые из полученных результатов говорят в пользу теории о том, что большая часть воды испарилась и покинула пределы планеты, а не скопилась в виде льда, обширные залежи которого находятся где-то ниже поверхности.
Исследовательский космический аппарат New Horizons американского космического агентства НАСА не так давно пролетел через систему Плутона, сделал массу высококачественных снимков этой планеты, ее спутников и произвел большое количество научных измерений. А сейчас аппарат удачно завершил последний из четырех маневров, сопровождавшихся длительным включением реактивных двигателей, которые изменили курс аппарата на тот, который ведет его к достаточно туманному будущему. Конечная точка этого курса известна достаточно хорошо, но пока нет никакой уверенности в том, что руководство НАСА согласится на дальнейшее продление миссии аппарата New Horizons.
Последний маневр был завершающим из серии четырех тщательно рассчитанных маневров. Маневр был выполнен путем включения гидразинового реактивного двигателя аппарата в среду, 4 ноября 2015 года. Двигатель проработал порядка 20 минут, и это включение двигателя стало своего рода рекордом, самым длительным временем работы двигателя за всю миссию. Спустя пять часов после завершения маневра специалисты Лаборатории прикладной физики (Applied Physics Laboratory, APL) университета Джона Хопкинса получили данные от космического аппарата, сообщающие о том, что все прошло в точном соответствии с планами.
Следует отметить, что все четыре включения двигателей аппарата не сильно повлияли на скорость его полета. Зато они достаточно сильно изменили направление полета, курс которого теперь ведет аппарат к встрече с одним из объектов пояса Койпера (Kuiper Belt object, KBO), планетоидом 2014 MU69.
Все системы аппарата New Horizons находятся в «полном здравии». Аппарат сейчас находится на 135 миллионов километров дальше орбиты Плутона, на расстоянии 5.1 миллиарда километров от Земли. А аппарат и его возможную цель, планетоид 2014 MU69. разделяет сейчас расстояние в 1.44 миллиарда километров.
Несмотря на успешное выполнение маневров и исправность аппарата New Horizons, будущее этой миссии выглядит весьма туманным и расплывчатым. В начале следующего года команда миссии предоставит на рассмотрение руководства НАСА запрос касательно продления этой миссии. И если НАСА найдет необходимые для этого средства и решится на продление миссии, то задача будет заключаться в том, чтобы провести аппарат как можно ближе к планетоиду 2014 MU69, гораздо ближе, чем к Плутону, от которого аппарат отделало расстояние в 12.5 тысяч километров.
