Новости физики и космоса 

Выпуск 1 (76) 1 - 15 января 

Немного о гравитации

Хотя мода на такие эксперименты пришла лишь в последнее время – как попытка проверить теории так называемой утечки гравитации в другие измерения – истинная цель данного эксперимента намного более прозаична. По мнению Джеймса Фоллера (James Faller) из Университета штата Колорадо, «это своего рода интеллектуальный толчок науки об измерениях». С точки зрения этого исследователя, научившись измерять силу гравитации, физики смогут измерять и другие тонкие явления, которые имеют большую научную и технологическую ценность.

Новая методика оказалась в 100 раз менее точной по сравнению с применяемыми прежде механическими методами. Однако ученые убеждены, что могут довести ее до совершенства. «Если исследователи смогут придти к единому значению гравитационной постоянной, то они смогут и лучше понять природу явления», – говорит Марк Казевич (Mark Kasevich) из Стэнфордского университета.

Любые две массы находятся под действием гравитационных сил, и пока нет данных о том, что G является функцией расстояния между ними. Исследовать эти новые предположения о природе гравитации Казевич планирует при помощи так называемой атомной интерферометрии. Они поместили ультрахолодный пар атомов цезия в вакуумную камеру, которая покоится на 540-килограммовом свинцовом щите. Лазерный луч, словно кий, разбивает пирамиду атомов, а под действием гравитационных волн они поднимаются и опускаются вниз подобно фонтану.

Исследователи отрегулировали лазер так, чтобы он переводил атомы цезия в такое квантовое состояние, при котором формируются два уровня возбуждения и, соответственно, две высоты подъема. Разница в этих уровнях подъема и определяется гравитационной постоянной – причем с высокой точностью.

Ученые не могут непосредственно измерять разность высоты подъема, потому что это помешало бы самому существованию энергетических уровней. Но они могут использовать в своих интересах тот факт, что потоки атомов могут смешиваться, подобно световым или звуковым волнам. Когда атомы возвращались в нижнюю часть экспериментальной камеры, специалисты определяли вероятность их пребывания в том или ином энергетическом состоянии.

Чтобы контролировать различные источники погрешности, исходящие от гравитации Земли и просто механических колебаний, измерения проводились в двух вакуумных камерах, одна из которых располагалась над плитой, а другая под плитой. Итоговая точность определения G составила несколько десятых процента, о чем и сообщают исследователи на этой неделе в журнале Science.

Астрофизик Стивен Хокинг собрался в космос

Известный астрофизик и популяризатор Стивен Хокинг (Stephen Hawking) заявил, что намерен в 2007 году совершить полет в невесомости, а в 2009 - полететь в космос, сообщает Associated Press.

Для осуществления своей мечты Хокинг намерен воспользоваться услугами компании Virgin Galactic, которую возглавляет британский миллиардер Ричард Брэнсон (Richard Branson). Речь идет о двухчасовом суборбитальном полете на высоте 140 километров.

Стоимость такого путешествия составит около 200 тысяч долларов. Ожидается, что полет Хокинга оплатит Брэнсон.

Стивен Хокинг считается одним из лучших физиков-теоретиков в мире. Всеобщую популярность ему принесла книга "Краткая история времени" (A Brief History of Time).

Вулкан – климатическая лаборатория

Климат практически невозможно воспроизвести в лаборатории. Так в своем понимании того, какие механизмы формирования климата являются критически значимыми, ученым приходится полагаться на «природные эксперименты». Порой такие эксперименты приобретают апокалиптические формы, такие как извержение вулканов. Во время извержения Пинатубо на Филиппинах в июне 1991 году в атмосферу было выброшено 10 кубических километров пепла и газа. Отслеживая, как это извержения повлияло на глобальный климат, ученые смогли превратить катастрофу в природный эксперимент. «Воспроизвести сложное климатическое явление в лаборатории практически невозможно, – говорит метеоролог Джоанна Фатьян (Joanna Futyan) из Колумбийского университета. – Мы стремимся использовать неожиданные подарки природы, наблюдая, как на них реагирует атмосфера».

Фатьян вместе с физиком Джоном Харрисом (John Harries) из Королевского колледжа Лондона проанализировала, как изменялась температура и влажность при извержениях вулканов, стремясь оценить энергетический баланс планеты – а попросту говоря, разность между тем, что отдает Земля, и что она получает. Спектр посылаемой в пространство энергии (он измеряется со спутника) за прошедшие 30 лет изменился, и это считают частью глобального потепления. Однако темпы и абсолютную величину этого изменения измерять все еще затруднительно, и исследователи вынуждены ориентироваться на оценку содержания водяного пара в атмосфере.

Реакция атмосферы на извержение Пинатубо оказалась очень скорой. Закрывающие Землю от Солнца аэрозоли сульфатов, выброшенные вулканом, оказывали охлаждающее действие в течение четырех месяцев. Спустя полгода планета излучала в пространство на 2,6 Вт/кв. м меньше тепла, чем до извержения. В результате постепенно начала снижаться влажность, и атмосфера снова достигла равновесия. Об этом исследователи сообщили 2 января в журнале Geophysical Research Letters. Извержение вулкана сказалось также и на погоде. При извержении в атмосферу было выброшено много диоксида серы, и под действием ультрафиолета в верхних слоях атмосферы повысилось содержание легкого изотопа серы. Это уникальный химический признак извержений. Опускаясь на поверхность Земли, сульфат серы, несущий в себе специфическое сочетание изотопов, накапливался в некоторых областях, таких как ледовый щит Антарктики. Радиохимик Марк Тименс (Mark Thiemens) из Калифорнийского университета в Сан-Диего с командой поднял на поверхность 30 тонн льда, собирая летопись извержений древней Земли. Эта методика позволила оценивать и силу извержений прошлого по высоте выброса пепла.

Влияние гигантских извержений в истории планеты может быть и мимолетно, однако климатическая летопись прошлого способна дать картину того, как атмосфера реагирует на другие, уже рукотворные катастрофы, такие как выброс человеком парниковых газов в атмосферу. Также это позволит оценить, как подобная сложная система может реагировать на попытки человека наскоро залатать свои огрехи, чтобы избежать возможных катастрофических эффектов изменения климата. Примером подобных попыток может стать инжекция солей сульфата в высоких слоях атмосферы, предложенная лауреатом Нобелевской премии химиком Полом Крутценом (Paul Crutzen). «Это предоставляет возможность увидеть в цифрах, насколько чувствительна стратосфера к пертурбациям, – замечает исследователь. – Сама природа ставит над нами эксперимент».

Внесолнечные ураганы

Самые сильные земные ураганы и даже самые сильные венерианские ветра кажутся простым сквозняком по сравнению с ветрами, дующими на внесолнечных планетах.

Ученые-астрофизики из Университета Вашингтона (University of Washington) и Гарвард-Смитсоновского центра (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) проанализировали данные о трех внесолнечных планетах. Эти планеты открыты в последние десятилетия и находятся на расстоянии 50–150 световых лет от Земли. Объекты получили наименования 51 Pegasi (50 св. лет), HD179949b (около 100 св. лет) и HD209458b (около 147 св. лет).

Все планеты – газовые гиганты размером с Юпитер (крупнейшую планету Солнечной системы) или крупнее. Они примечательны тем, что вращаются очень близко от своих звезд. Анализ температурных режимов на этих планетах и компьютерное моделирование привело астрономов к потрясающему выводу: там бушуют ветра, какие в Солнечной системе просто не встречаются. Даже Большое красное пятно на Юпитере с силой ветра более 500 километров в час по сравнению с ними – штиль.

Команда во главе с Эриком Эголом (Eric Agol) из Университета Вашингтона в своем стендовом докладе (постере) на собрании Американского астрономического общества в Сиэтле (American Astronomical Society national meeting in Seattlе) заявила: на этих планетах дуют ветра скоростью более чем 12 тысяч километров в час (9 тысяч миль в час) – гораздо быстрее скорости звука в атмосферах этих планет.

Это исследование – одно из первых, проливающих свет на процессы, происходящие на планетах других систем. В нынешнем году проведено и первое наблюдательное исследование таких процессов: космический телескоп Spitzer сумел разглядеть отличить на них день от ночи.

Если быть совсем точным, то ученым, работающим с космическим инфракрасным телескопом Spitzer, впервые удалось измерить дневную и ночную температуры на внесолнечной планете. Планета, названная Эпсилон Андромеда В, обнаружена в 1996 году. Она вращается вокруг звезды Эпсилон Андромеды в 40 световых годах от Солнца. Планета относится к классу так называемых горячих юпитеров.

Дневная температура планеты составила от 1400 до 1650 градусов Цельсия, ночная – от –20 до 230 градусов.

Видео с анимацией движения планеты вокруг своей звезды можно посмотреть здесь. Судя по всему, на этой планете тоже могут существовать подобные ураганы.

По всей вероятности, эта планета, обращающаяся вокруг своей звезды всего за 4,6 суток, приливно заторможена. То есть одно её полушарие всегда обращено к центру вращения (подобно Луне или Меркурию). Однако благодаря тому, что Эпсилон Андромеда В – газовый гигант, вещество достаточно быстро перетекает с дневной стороны на ночную. Можно только себе представить, какие погодные процессы происходят на ней, ведь разница температур между сторонами планеты – полторы тысячи градусов Цельсия.

Пульсар – звездный волчок

Впервые проведенное 3D-моделирование сверхновой показывает, что растущий пульсар может отдавать часть вращательного момента на сопротивление закручивающейся ударной волне, обрушивающийся на коллапсирующую звезду.

Исследователям выдалась уникальная возможность понять, почему пульсары, эти сгустки нейтронной материи, вращаются вокруг оси. Моделирование показывает, что ключом к разгадке может быть ударная волна, которая сопровождает взрыв умирающей звезды.

Звезды, массой в несколько раз превышающие массу Солнца, исчерпав топливо, превращаются в ультраплотные пульсары. Признаком разрушения звезды является взрыв сверхновой, который отбрасывает большую часть прежней массы звезды. Согласно теории пульсар должен вращаться намного быстрее породившей его звезды – как фигурист, сложивший руки на груди для сохранения момента вращения.

«Если здесь применить ту же теорию, то нейтронная звезда должна вращаться с такой скоростью, что ее разорвало бы на части, – объясняет астрофизик Джон Блондин (John Blondin) из Университета штата Северная Каролина. – Некая сила должна замедлять звезду». Исследователи полагают, что в роли тормоза выступает всепроникающее магнитное поле, но до сих пор неизвестно, могут ли эти поля настолько замедлить пульсар.

Джон со своим коллегой Энтони Мезакаппа (Anthony Mezzacappa) из Окриджской национальной лаборатории предполагают, что звезду замедляет круговая ударная волна. Прежнее моделирование на плоскости показало, что разреженный звездный материал уплотняется в твердую основу новой звезды, и мощная ударная волна уже может отражаться от него, распространяясь наружу.

Недавнее трехмерное моделирование показало детали, отсутствующие в прежней модели, – ударная волна вращается. В сообщении, сделанном на этой неделе в журнале Nature, они сообщают, что именно это вращение заставляет разрушающуюся звезду поворачиваться в направлении, противоположном тому, в котором перемещается ударная волна.

Спустя секунду после взрыва вращение уже достаточно стремительно, чтобы получались типичные скорости вращения пульсара (оборот за 300 миллисекунд). «Нас поражает то, что мы получили реально наблюдаемые периоды вращения пульсара».

Но есть и проблемы. Магнитное поле и некоторые другие эффекты должны при этом в самом начале взрыва решительно замедлить ядро звезды, чтобы ударная волна могла набрать нужную скорость. Это заставляет признать, что магнитное поле – более эффективный тормоз, чем предполагали прежние приблизительные оценки. Но группа Джона смотрит на проблему с оптимизмом. «Без эффекта ударной волны, – говорит он, – мы бы не смогли бы объяснить, почему нейтронная звезда замедляется до скорости один оборот за 300 миллисекунд».

МКС превратится в космический порт c заводами и лабораториями

На базе Международной космической станции (МКС) планируется создать научно-промышленный комплекс, сообщает РИА Новости со ссылкой на главу корпорации Николая Севастьянова.

"В отношении МКС философия такая: станция в будущем будет представлять собой космический порт и место обитания космонавтов, а рядом со станцией предполагается разместить компактные мини-заводы и лабораторные модули", - пояснил Севастьянов.

По его словам, один такой проект - "Ока", уже разрабатываемый РКК "Энергия" совместно с самарским ЦСКБ "Прогресс", - подразумевает соединение двух технологий - многоразовой транспортной космической системы "Паром", которую сделает "Энергия", и исследовательского модуля, который создаст ЦСКБ "Прогресс".

Севастьянов также сообщил, что РКК "Энергия" разработала систему компьютерной анимации и тренажеров для подготовки молодых космонавтов.

Триквазар нашелся

Астрономам удалось разглядеть уникальную систему сразу из трёх редчайших объектов Вселенной – квазаров. Один квазар может светить ярче, чем целая галактика, а энергию они получают от чёрных дыр.

Команда ученых, работавших в обсерватории Кек на Гавайях и в Южной Европейской обсерватории (ESO), объявила об обнаружении первого трио квазаров. Как передаёт «Би-би-си», о своем открытии авторы сообщили на встрече Американского астрономического общества в Сиэтле.

Открытие совершила группа астрономов во главе с профессором Джорджем Джорговски из Калифорнийского технологического института в Пасадене. Система получила индекс LBQS 1429-008. По правде говоря, ее обнаружила другая группа астрономов еще в 1989 году (группа Пола Хьюлетта из Института астрономии в Кембридже), однако тогда британцы посчитали, что она состоит всего из двух квазаров. Точнее, сначала решили, что это один квазар, однако «размноженный» при помощи эффекта гравитационного линзирования, потом все же постановили, что квазара два.

Теперь, почти 20 лет спустя, исследуя систему на более мощных инструментах (8,2-метровом телескопе Very Large Telescope ESO и 10-метровом телескопе обсерватории Кек), астрономы поняли: впервые найдено взаимодействующее трио квазаров.

Как утверждает профессор Джорговски, квазары сами по себе редкие космические объекты, а открытие их трио и вовсе является беспрецедентным.

Помимо доклада на встрече Американского астрономического общества отчет об открытии появится в статье, опубликованной в журнале Astrophysical Journal Letters.

В 2006 году «Газета.Ru» писала о еще одном интересном наблюдении квазаров.

Космический телескоп Hubble передал на Землю изображение пяти одинаковых квазизвездных объектов – одного в центре креста и четырех на его оконечностях. Под воздействием мощного поля тяготения объекта, находящегося около пути лучей света, последние искривляются, образуя так называемый искаженный крест Эйнштейна – пятикратное повторение картинки. Если бы массивный объект был точно на линии квазар – Земля, мы бы увидели ровный крест, при этом изображения на концах креста были бы увеличенными.

Такие изображения служат великолепным подтверждением общей теории относительности великого физика. Потому что искривляется даже не луч света, а пространство, в котором свет распространяется всегда прямолинейно.

Скопление галактик, которое действует как огромная гравитационная линза, занесено в каталог под номером SDSS J1004+4112 и находится на расстоянии около 7 млрд световых лет в созвездии Малого Льва.

Данный случай не первый в астрономии, когда в роли гравитационной линзы выступило целое скопление галактик. Однако число таких изображений можно сосчитать по пальцам одной руки.

Метановая загадка Титана

Зонд «Кассини», пролетая вблизи от Титана, спутника Сатурна, показал еще одну из его тайн. Около северного полюса было обнаружено 75 предполагаемых озер. Специалисты по планетам солнечной системы предполагают, что эти углубления заполнены сжиженным газом, поскольку температура -179 градусов по Цельсию и давление 1,5 атмосферы вполне способствуют тому, чтобы метан или этан находились в сжиженном состоянии. Эти области роднят с земными каналы, соединяющие озера. «В июле мы получили данные с радара "Кассини", на которых изображена местность выше 70-й широты близ северного полюса, – объясняет Элен Стофан (Ellen Stofan), планетарный геолог из Proxemy Research. – На съемке мы обнаружили более 70 озер, некоторые из которых были более 40 миль в поперечнике».

Недавние близкие пролеты «Кассини», а также приземление модуля Гюйгенса в январе 2005 г. показали отсутствие жидкости в более низких широтах, хотя туда вело множество каналов. Вместо морей в экваториальной области Титана доминируют дюны из песчинок, состоящих из углеводородов. И, конечно же, нельзя не сказать о плотном смоге, состоящем из метана и азота. Присутствие метана на Титане является загадкой, поскольку солнечный свет разрушает его до этана. Некоторые из ученых, в том числе и Карл Саган (Carl Sagan), склоняется к мысли, что на Титане целые моря и океаны из метана или этана. Однако никаких морей обнаружено не было, что разрушает все прежние доводы ученых. В настоящее же время получены данные, что на поверхности этого спутника Сатурна есть небольшое количество сжиженного газа. «Либо это сезонный цикл накопления – испарения метана, либо эти озера являются застойными».

«Кассини» с помощью радара захватил изображение озер и 22 июля выслал на Землю информацию об участке Титана 4 тыс. миль длиной и 80 миль шириной. В пределах этой области насчитывалось по крайней мере 75 темных пятен размером от 2 до 40 миль. «По данным радарной съемки это может быть либо жидкость, либо отложение неконсолидированных частичек с очень гладкой поверхностью, – объясняет Стофан. – Неизвестный материал заполняет все топографические низменности, некоторые из которых имеют речные каналы, но в отличие от других областей Титана никаких дюн в этой области не обнаружено. Эти данные убеждают нас, что это заполненные смесью сжиженных газов озера».

Пока не ясно, какая именно жидкость заполняет озера. Скорее всего, это смесь метана и этана. Также не ясно, как они заполняются – дождями или через «метаноносный» слой. «И этот метан, и метан атмосферы являются частью сезонного активного цикла, – добавляет Стофан. – Они взаимодействуют друг с другом, создавая динамическую систему, подобную той, которую мы видим на нашей планете». Предстоящие пролеты должны выявить сезонные изменения озер полярных областей Титана, а также найти озера в других его областях. «Много десятилетий Титан претендовал на роль новой колыбели жизни, – говорит Стофан. – Теперь мы бы хотели узнать, формируются ли в этих озерах сложные молекулы, подобные аминокислотам на Земле».