1. Новый взгляд на Вселенную
Однозначно событием года стало начало работы космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST). Об истории проекта, характеристиках инструмента и его задачах подробно рассказано в статье «"Уэбб" Наследник великих космических обсерваторий» (см. «Наука и жизнь» № 2, 2022 г.). 21 июня, после полугодовой настройки, JWST начал собирать данные, а 12 июля NASA опубликовало первые полученные изображения и спектры (см. «Наука и жизнь» № 8, 2022 г., статья «"Уэбб": получены первые снимки»).
Спектр пропускания экзопланеты WASP-39 b, полученный космическим телескопом «Джеймс Уэбб», который зафиксировал первое чёткое свидетельство наличия углекислого газа (CO2) в атмосфере планеты за пределами Солнечной системы. Источник: NASA, ESA, CSA, and L. Hustak (STScI).
Всего за несколько месяцев работы JWST предоставил интереснейшие сведения о далёких галактиках и различных космических объектах — от звёзд и туманностей до экзопланет и тел Солнечной системы. Новая уникальная инфракрасная обсерватория позволяет увидеть то, что не смогли разглядеть предыдущие инструменты. Астрономы ожидают, что совсем скоро JWST если и не произведёт революцию, то значительно продвинет наши знания о Вселенной.
«Джеймс Уэбб» уже заглянул гораздо дальше других телескопов, обнаружив галактики, которые образовались, когда возраст Вселенной составлял всего около 2—3% от нынешнего возраста (13,8 миллиарда лет). К удивлению астрономов, они обнаружили на полученных изображениях значительно больше галактик, чем ожидали. К тому же галактики сияли ярче, чем полагалось. Теперь исследователи пытаются понять, не является ли наблюдаемая скученность галактик локальным их скоплением или результатом неверной калибровки телескопа. Но если результаты подтвердятся и выяснится, что жизнь Вселенной вскоре после её рождения была более бурной, чем предполагалось, то теоретикам придётся потрудиться, чтобы объяснить возникновение такого большого количества галактик столь рано.
Благодаря работе в инфракрасном диапазоне и высокому разрешению JWST сделал доступными наблюдения сквозь пылевые облака, непрозрачные в оптическом диапазоне, и позволил детально разглядеть области звездообразования.
Успел JWST понаблюдать и за несколькими экзопланетами, которые, как правило, теряются из-за огромной яркости центральной звезды. Ранее лишь около двух десятков из них удалось запечатлеть на камеру. Используя оптическую маску, исключающую свет звезды, JWST получил изображение планеты HIP 65426 b на четырёх длинах волн. Этот гигант в семь раз превышает массу Юпитера, но астрономы полагают, что возможностей телескопа хватит, чтобы получить изображения и гораздо меньших экзопланет, сравнимых с Сатурном или даже Нептуном.
У экзопланеты WASP-39 b телескоп сумел зарегистрировать спектр звёздного света, прошедшего через её атмосферу. Планета WASP-39 b — это горячий газовый гигант с массой примерно в четверть массы Юпитера (примерно такой же, как у Сатурна) и диаметром в 1,3 раза больше Юпитера. Температура атмосферы около 900°C. Спектральный анализ зафиксировал первое чёткое свидетельство наличия углекислого газа (CO2) и диоксида серы (SO2) в атмосфере планеты за пределами Солнечной системы. Кроме того, в ней обнаружены другие газы, включая водяной пар, газообразный натрий и угарный газ (CO). Планета имеет неоднородную облачность. Наличие диоксида серы позволило исследователям впервые установить протекание на экзопланете фотохимических процессов. Дело в том, что молекулы SO2 образуются в результате химических реакций, вызванных высокоэнергетическим излучением звезды.
В Солнечной системе астрономы наблюдали движущиеся над Титаном, спутником Сатурна, облака, вероятно, состоящие из метана. Изображения спутника Сатурна Энцелада показывают, что его охватывает водяной шлейф, распространяющийся далеко за пределами луны. Это подтверждает, что на Энцеладе есть погребённый океан, вода которого иногда выбрасывается из трещин в его ледяной коре.
2. Планетарный щит
В 2022 году впервые была успешно протестирована возможность защиты нашей планеты от столкновения с астероидом.
Схема лобового столкновения космического аппарата DART с астероидом Диморф. Схематично показаны орбиты до и после удара. Источник: NASA/Johns Hopkins APL.
О защите Земли от катастрофического столкновения с достаточно крупными космическими телами учёные говорят давно. Об этом даже снимают фильмы, достаточно вспомнить «Армагеддон» с Брюсом Уиллисом, где падающий астероид раскалывают взрывом. NASA совместно с Европейским космическим агентством (ESA) разработали проект DART (Double Asteroid Redirection Test — испытания перенаправления двойного астероида), в котором удар космического корабля должен отклонить астероид лобовым столкновением с ним. В ноябре 2021 года с этой целью был запущен космический аппарат.
Для эксперимента был выбран околоземный астероид Диморф размером примерно 160 метров и массой 5,5 миллиона тонн, который представляет собой спутник более крупного астероида Дидим диаметром приблизительно 780 метров. Оба астероида угрозы для Земли не представляют. Диморф был выбран из-за его подходящего размера и близкого расположения к Земле. В 2022 году он находился на расстоянии почти 11 миллионов километров от нашей планеты. Выбор двойной системы астероидов так же выгоден тем, что легче наблюдать изменение орбиты меньшего тела в результате удара.
Столкновение произошло 26 сентября 2022 года. 570-килограммовый аппарат DART врезался в Диморф на скорости около 6,6 км/с, передав ему энергию около 11 гигаджоулей, что эквивалентно примерно трём тоннам тротила. После удара скорость астероида изменилась примерно на 2 см/с, что за 10 лет приведёт к его отклонению от первоначального курса на радиус Земли (около 6400 км). Этого будет достаточно, чтобы избежать столкновения. Эффект от удара оказался даже значительно больше, чем ожидалось. Период обращения Диморфа вокруг Дидима уменьшился на 32 минуты с погрешностью плюс-минус две минуты (вместо расчётных 73 секунд). Удар DART выбросил с поверхности Диморфа более 1000 тонн пыли в космос. Образовавшийся хвост растянулся на 30 000 км, сделав астероид похожим на комету.
Чтобы наблюдать за столкновением, итальянское космическое агентство предоставило спутник LICIACube, который отделился от DART за 15 дней до столкновения. Исследователи проанализируют полученные им и другими инструментами данные и определят параметры оптимального воздействия на астероид в будущем.
Для дальнейшего изучения последствий столкновения ESA разрабатывает космический корабль «Гера», который будет запущен в 2024 году и достигнет Диморфа в 2026 году.
3. Новые данные «Gaia»
В июне 2022 года ESA представило третий, самый обширный релиз с данными, собранными космическим телескопом «Gaia» за 34 месяца, в 2014—2017 годах (см. статью «„GAIA”: новый взгляд на небо», «Наука и жизнь» № 9, 2022 г.). Это очень значимое событие для исследователей нашей Галактики, которые получили в своё распоряжение колоссальный объём информации о различных космических объектах: от галактик и звёзд до спутников планет и астероидов в Солнечной системе. Релиз включает данные о положении, расстоянии, движении по небу, орбитах, химическом составе, цвете, температуре, массе, возрасте и скорости более полутора миллиардов звёзд (полный набор данных имеется не для всех из них). Хотя это количество составляет лишь около одного процента звёзд Млечного Пути, оно тем не менее позволяет сделать обоснованные выводы о всей Галактике. Всего же астрономы обработали более 1,8 миллиарда источников, причём у 1,59 миллиарда объектов был определён тип.
Планета, пересекающая диск звезды при наблюдении с Земли, заставляет звезду казаться менее яркой в ходе транзита. Схематический график наблюдаемой яркости звезды в зависимости от времени показан внизу. Эти периодические уменьшения яркости позволяют обнаружить присутствие экзопланеты, вращающейся вокруг звезды. Источник: ESA.
Наиболее примечательным достижением стала возможность наблюдения звездотрясений — небольших колебаний поверхности звезды. Этого создатели обсерватории изначально не планировали. «Gaia» зарегистрировала сильные звездотрясения в тысячах звёзд. В том числе обнаружены колебания у звёзд, которые, согласно современной теории, не должны их иметь.
Релиз впервые предоставляет результаты по неодиночным звёздам, что очень важно для понимания звёздной эволюции. Каталог двойных звёзд содержит информацию о массе и эволюции более 800 тысяч двойных систем, что в 30 раз больше, чем было известно ранее. 4 ноября 2022 года астрономы США сообщили об открытии Gaia BH1 — двойной системы, содержащей, вероятно, самую близкую к Земле известную чёрную дыру, расположенную в 1560 св. годах от нас. Её масса 9,6 масс Солнца, а радиус 28 км.
Из других достижений отметим открытие двух первых для «Gaia» подтверждённых экзопланет, горячих юпитеров Gaia-1b и Gaia-2b. Изначально телескоп не был предназначен для поиска экзопланет. Данное открытие продемонстрировало, что разработанная методика позволяет это успешно делать. Так что последующие релизы, по всей видимости, будут содержать и списки кандидатов в экзопланеты.
4. Впервые получена безубыточная управляемая термоядерная реакция
Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории (США), работающие на установке National Ignition Facility (NIF) для инерциального управляемого термоядерного синтеза, сообщили, что 5 декабря 2022 года они впервые запустили реакцию, которая сгенерировала в полтора раза больше энергии (3,15 мегаджоуля), чем было потрачено на её запуск (2,05 мегаджоуля). Предыдущий рекорд генерации был 1,3 мегаджоуля.
Перед каждым экспериментом необходимо точно центрировать мишень (хольраум) внутри целевой камеры NIF диаметром 10 метров. Источник: Lawrence Livermore National Security.
В подобных установках термоядерная реакция происходит в мишени с топливом из изотопов водорода массой 10 мг, которую нагревают 192 лазерами. О подобной установке в России рассказано в статье «В Сарове смонтирована камера установки для лазерного термоядерного синтеза» («Наука и жизнь» № 6, 2019 г.). Только в NIF нагревают не саму капсулу с топливом, а стенки хольраума — полого золотого цилиндра размером с горошину, в котором она находится.
Это значительное научное достижение, однако особой практической ценности оно не имеет, поскольку реакция была проведена на лабораторном оборудовании, не предназначенном для промышленного получения энергии. Для экономической окупаемости установки следует увеличить выход энергии как минимум на два порядка. Кроме того, расчёт энергий в данном случае не учитывает полные затраты на эксперимент, составляющие более 300 мегаджоулей.
Значение полученного результата в том, что он доказал: на установках инерциального синтеза такая реакция возможна. Это повысит доверие к методу и позволит получить финансирование на дальнейшие исследования. Следует отметить, что установки инерциального синтеза всегда отставали от разработанных в нашей стране токамаков, в которых горячая плазма удерживается магнитным полем в тороидальной камере (в виде пончика). Именно эта технология заложена в основу строящегося во Франции Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР).
Любопытно, что об определённых успехах в 2022 году сообщили и физики из других лабораторий: Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США) и Joint European Torus (JET) в Великобритании. Последние использовали токамак, на котором сумели за пять секунд произвести 59 мегаджоулей энергии. Исследователи надеются, что все эти успехи подстегнут работы в области термоядерной энергетики.
5. Портрет на фоне Млечного пути
12 мая 2022 года астрономы с помощью проекта «Телескоп горизонта событий» (EHT) опубликовали первое «изображение» чёрной дыры в центре нашей Галактики, которая носит название Стрелец А* (см. статью «Портрет на фоне Галактики», «Наука и жизнь» № 7, 2022 г.). Подробности о проекте EHT и о том, что на самом деле видят астрономы, можно прочитать в статье «Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы» (см. «Наука и жизнь» № 5, 2019 г.).
Изображение сверхмассивной чёрной дыры Sgr A* в центре нашей Галактики, полученное Телескопом горизонта событий (EHT). Оно представляет собой среднее значение различных изображений, полученных в 2017 году. Источник: EHT Collaboration.
Может показаться странным, что первым в 2019 году было получено изображение не для нашего родного Млечного Пути, а для далёкой галактики M 87, расположенной на расстоянии около 54 миллионов световых лет. Всё дело в том, что центр Млечного Пути скрыт от нас гигантскими пылевыми облаками, сильно затрудняющими исследования. А вот M 87 повёрнута так, что сверхмассивная дыра M 87* в её центре видна прекрасно. К тому же M 87 значительно больше нашей Галактики, а M 87* в 1500 раз массивнее Sgr A* и является одной из самых крупных среди известных астрономам, поэтому её угловой размер оказался ненамного меньше. Успех с M 87* позволил астрономам заняться получением изображения и Sgr A*.
Собственно чёрную дыру увидеть нельзя, ведь она практически не излучает. Однако благодаря своей гигантской гравитации она притягивает к себе вещество из окружающего космоса, которое закручивается вокруг неё, образуя так называемый аккреционный диск, этот диск нагревается из-за трения до миллиардов градусов и излучает. Его астрономы и наблюдают в виде светящегося кольца вокруг горизонта событий, окружающего тёмную центральную область, называемую тенью.
Трудность получения подробного изображения чёрной дыры связана также с её малым угловым размером. У Sgr A* он равен примерно 52 угловым микросекундам, так выглядит с Земли крупный апельсин (диаметром около 10 см) на Луне. Однако диаметр чёрной дыры огромен. У Sgr A* он составляет 60 миллионов километров. Так что на месте Солнца она заняла бы область в пределах орбиты Меркурия, у которого перигелий (ближайшая к Солнцу точка) равен 46 миллионам километров.
6. Слишком тяжёлый бозон
Физики обрабатывают результаты экспериментов на ускорителях подчас десятилетиями. Кольцевой ускоритель-коллайдер, расположенный в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (США), закончил свою работу в 2011 году, но только в апреле 2022 года исследователи сообщили о вычисленной ими с точностью 0,01% массе W-бозона на основании почти четырёх миллионов столкновений протонов с антипротонами. Масса оказалась значительно больше, чем предсказывает Стандартная модель физики элементарных частиц, на семь стандартных отклонений. Это серьёзно! Типичным для признания открытия в физике считается отклонение равное 5, которого когда-то хватило для открытия бозона Хиггса и гравитационных волн.
Экспериментальные измерения (красный круг) и теоретические предсказания массы W-бозона в комбинации с массой t-кварка (пунктирный круг). По вертикали отложена масса W-бозона, по горизонтали — масса t-кварка в ГэВ. Источник: CDF Collaboration. T. Aaltonen et al. Science, 2022, V 376, I 6589, pp. 170.
Бозон — переносчик слабого взаимодействия, и его масса связана с фундаментальными константами и массами остальных частиц. Пересмотр массы бозона приведёт к пересмотру и других параметров Стандартной модели — основной теории микромира. Это может свидетельствовать даже о выходе за её пределы, что называют «новой физикой». Неудивительно, что результат этой работы сразу был опубликован в одном из самых авторитетных научных журналов «Science».
Однако не стоит торопиться менять физику. Не исключено, что этот результат ошибочен. Разумеется, такое большое отклонение не может быть случайным. Возможно, оно связано с какой-либо неучтённой систематической ошибкой, которая возникла вследствие каких-то недостатков установки, анализа экспериментальных данных или метода вычислений. Ведь непосредственно массу бозона измерить нельзя, она сложным образом вычисляется на основе косвенных данных. В пользу ошибочности результата говорит то, что полученное значение противоречит ранее полученным данным на других установках.
Так что этот результат надо проверить на Большом адронном коллайдере (других действующих установок в настоящее время нет). Правда, когда это произойдёт, неизвестно. И только если открытие подтвердится, Стандартную модель нужно будет модернизировать. Как именно — покажет время. Может быть, в неё включат новое взаимодействие или новую частицу с очень большой массой, из-за которой её не могут обнаружить на существующих ускорителях.
7. Гравитационный эффект Ааронова—Бома
Эффект Ааронова—Бома — квантовое явление, в котором на частицу с электрическим зарядом или магнитным моментом электромагнитное поле влияет даже в тех областях, где напряжённость электрического поля и индукция магнитного поля равны нулю, но не равны нулю потенциалы электромагнитного поля. Другими словами, классических электромагнитных сил нет, а воздействие есть. Это может показаться странным, но тем не менее явление экспериментально доказано в разных экспериментах, начиная с 1960 года.
Несмотря на то, что Общая теория относительности говорила о возможности этого явления и для гравитационного поля, экспериментальное его обнаружение было сложно из-за крайней слабости гравитационного взаимодействия. А чтобы эффект можно было обнаружить, гравитационный потенциал должен ощутимо меняться на малом расстоянии. Идею такого эксперимента предложили ещё в 2012 году, но десять лет никому не удавалось его реализовать. В 2022 году американские физики всё же показали, что эффект Ааронова—Бома справедлив и для гравитации. Результат их работы опубликован в «Science».
По мнению авторов, их исследование показывает потенциал атомных квантовых датчиков как новых инструментов, помогающих понять гравитацию и её связь с квантовой физикой. Возможно, это поможет в работе над ещё не созданной квантовой теорией гравитации. А пока авторы предлагают новый способ измерения гравитационной постоянной с гораздо большей точностью, чем это было возможно ранее.
8. Самый быстрый переключатель
Физики из Германии, Австрии и Италии определили предел скорости оптоэлектронного переключения в реальном устройстве.
Принцип действия оптоэлектронного переключателя. Сверхкороткий лазерный импульс (синий) создаёт свободные носители заряда, длинный импульс (красный) ускоряет их в противоположных направлениях. Источник: TU Wien / M. Ossiander et al., Nature Communications (2021).
Скорость работы современных микросхем ограничена законами квантовой физики. Обычно её увеличение осуществлялось за счёт уменьшения размера транзисторов и других компонентов микросхемы. Очевидно, что физический предел на этом пути — размер атома. Работа цифровой техники основана на переключении состояний элементов, так что альтернативным подходом служит увеличение скорости их переключения. Наибольшую быстроту даёт использование света для управления током. Исследователи применили для этого диэлектрик, в котором лазерный импульс возбуждал электроны, превращая материал в проводник. Частота света определяет максимально возможную скорость переключения для данного материала. Удалось использовать частоты вплоть до одного петагерца (1015 Гц), что и стало верхней границей для управляемых оптоэлектронных процессов. Это становится новым фундаментальным пределом для классической обработки сигналов, одновременно приводя к выводу о принципиальной возможности создания твердотельной оптоэлектроники вплоть до петагерцового диапазона. Разумеется, это не значит, что реально можно создать устройства с тактовой частотой до петагерца. Реально работающие системы, скорее всего, будут иметь частоту значительно ниже.
9. Существование тетранейтрона подтверждено
Нейтроны всегда вместе с протонами входят в состав атомных ядер, где их удерживает так называемое сильное взаимодействие. Поэтому у физиков нет полного представления о взаимодействии между нейтронами, а также о само`м сильном взаимодействии. В частности, возникает важный для понимания ядерной физики вопрос, а может ли существовать связанная система только из нейтронов? Напомним, что время жизни свободного нейтрона менее 15 минут, затем он распадается на протон, электрон и антинейтрино. Как известно на сегодняшний день, лишь нейтронные звёзды представляют собой почти чистые нейтронные системы, однако в них нейтроны сжаты огромной силой гравитации. Поиск же небольших систем из нескольких нейтронов физики ведут уже много десятилетий, несмотря на то, что по современным представлениям вероятность их существования крайне мала — такой вывод был сделан ещё в 1965 году.
Схема эксперимента. Пучок ядер 8He, формируемый установкой BigRIPS, в реакционной камере поражает мишень из жидкого водорода (LH2). В результате из 8He выбивается альфа-частица (4He), а из водорода — протон (p), которые затем проходят через спектрометр SAMURAI в сторону детекторов. Результаты измерений позволяют определить характеристики образовавшегося из 8He тетранейтрона (4n). Источник: Duer, M. et al. Nature 606, 678–682 (2022), с изменениями.
Особое внимание в исследованиях уделяется тетранейтрону — частице, состоящей из четырёх нейтронов, которая теоретически должна быть относительно долгоживущей. Первые намёки на её существование появились в 2002 году, но используемый тогда метод оказался не совсем корректным, а результат эксперимента повторить никому не удалось. Более надёжные результаты получили японские физики в 2016 году — о них мы рассказывали в статье «Двенадцать крупнейших событий 2016 года в физике и астрономии» («Наука и жизнь» № 1, 2017 г.). Однако статистическая значимость этого опыта была всё же недостаточно велика и составляла 4,9 стандартного отклонения, а надо 5 и выше. Так что требовалась проверка.
И вот спустя пять лет всё в том же японском Институте химических исследований (RIKEN) за дело взялся большой международный коллектив. Только в итоговой статье, опубликованной в «Nature» в июне 2022 года, авторами значатся 91 человек из 25 институтов 13 стран, что уже говорит о значимости проблемы. Их эксперимент подтвердил существование тетранейтрона со статистической значимостью более 5 стандартных отклонений, что превышает порог открытия в физике элементарных частиц.
В отличие от атомного ядра, где нейтроны и протоны крепко связаны друг с другом, тетранейтрон представляет собой так называемый резонанс (резонансное состояние) — вид частиц, которые существуют крайне короткое время, в данном случае около 4 x 10-22 секунд. Поэтому невозможно наблюдать их треки в детекторах. Кроме того, обнаружение незаряженных частиц сложнее, чем заряженных. Так что исследователи непосредственно тетранейтрон не наблюдали, а определяли его параметры, анализируя характеристики других частиц.
Экспериментаторы направили пучок богатого нейтронами гелия-8 (в его ядре два протона и шесть нейтронов) в мишень из жидкого водорода, ядро которого состоит из одного протона. При столкновении протона с ядром гелия-8 он выбивает из него альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов, оставив на месте четыре нейтрона. Точно измерив импульсы альфа-частицы и срикошетившего протона, исследователи по закону сохранения энергии и импульса определили энергию этих нейтронов. Измерение выявило характерный пик на графике энергии, свидетельствующий о наличии резонанса. Для измерений в RIKEN был построен детектор SAMURAI (Superconducting Analyzer for Multi-particles from Radio Isotope Beams — Сверхпроводящий анализатор мультичастиц из радиоизотопных пучков), способный одновременно детектировать множество продуктов реакции.
Полученные результаты противоречат общепринятым моделям ядерных сил, которые фактически отрицают существование тетранейтрона. Однако существует целый ряд модификаций теории, которые предсказывают значения близкие к экспериментальным. Один из таких расчётов в 2016 году сделала группа теоретиков из России (НИИЯФ МГУ, ТОГУ) совместно с коллегами из США и Германии. Возможно, в итоге физикам придётся пересмотреть существующие модели атомного ядра. Хотя скептики указывают, что если бы взаимодействие нейтронов было способно создать тетранейтронный резонанс, то должны были бы существовать определённые типы атомных ядер, которые пока не обнаружены. Не исключено, что исследователи наблюдали не резонанс, а какой-то другой, ещё не известный эффект. Например, может быть, нейтроны «помнят», как они были расположены внутри ядра гелия-8.
Так это или иначе, покажет время, а пока планируется изучать нейтроны, составляющие тетранейтрон, и искать частицы из шести и восьми нейтронов. Заметим, что в 2012 году американские физики заявляли о вероятном обнаружении динейтрона (частица из двух нейтронов), а в 2013 году о возможном наблюдении октанейтрона (частица из восьми нейтронов) сообщали российские физики из Томского политехнического университета. Но эти результаты не были подтверждены.
10. Космонавтика развивается по нарастающей
Космонавтика в 2022 году вслед за 2021 годом показала просто ошеломительный рост успешных запусков ракет на орбиту. По данным астрофизика из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (США) Джонатана Макдауэлла, их было совершено 180, что на 44 больше, чем в 2021 году. При этом на орбиту было выведено 2487 спутников, что на 658 больше, чем годом ранее. Подробнее динамику запусков за последние годы можно посмотреть в таблице (первое число — запуски, второе — спутники).
Может порадовать факт, что, хотя Россия уступила место второй космической державы Китаю, наметился рост запусков после резкого спада. Заметим, что запуск в феврале «Союза» из Французской Гвианы, управляемый Arianespace, считается европейским. В дальнейшем такие пуски были отменены по политическим мотивам. В связи с этим резко упало число запусков в Европе, где использовались российские ракеты. Что будет в 2023 году, пока не ясно.
