Созданная в лаборатории микроволновая черная дыра и схема ее работы. Изображение Qiang Cheng, Tie Jun Cui

От Земли до самых до окраин

Основные события физики и астрономии за год

Астрономия и особенно физика традиционно относятся к "серьезным" наукам, малопригодным для популярного изложения. Еще бы, редко какая статья об открытиях в этой области обходится без трехэтажных формул и непонятных терминов. Тем не менее, достижения именно этих наук порой коренным образом меняют наше знание об окружающем мире. Поэтому мы постарались рассказать о том, чем физики и астрономы занимались в минувшем году, максимально понятно и подробно.

К звездам и не только

В 2009 году было начато сразу несколько крупных астрономических миссий. В мае отправился в космос крупнейший из когда-либо запускавшихся за пределы Земли телескопов - европейский "Гершель" (Herschel). "Гершель" работает в инфракрасном диапазоне, а это значит, что заполняющая космическое пространство пыль для него не является препятствием - он может "видеть" сквозь нее. Телескоп с диаметром главного зеркала аж в 3,5 метра (зеркало знаменитого "Хаббла" уже почти на метр) будет изучать кометы, а также удаленные объекты, свет от которых из-за красного смещения доходит до Земли в виде ИК-волн. Ровно через семь месяцев после запуска "Гершеля" свой инфракрасный телескоп запустило Американское космическое агентство.

Еще один телескоп, а точнее целая орбитальная обсерватория "Кеплер" (Kepler), начавшая свою миссию в ушедшем году, будет искать экзопланеты. Этим термином обозначают планеты, обращающиеся вокруг других звезд. Работа "Кеплера" основана на так называемом транзитном методе. Когда экзопланета проходит по диску звезды, она закрывает часть ее излучения, и звезда как бы "подмигивает". Анализируя параметры "подмигивания", астрономы могут вычислить размер экзопланеты, период ее обращения и высоту орбиты. "Кеплер" специально "заточен" под регистрацию звездных "морганий". Проверка возможностей телескопа вскоре после выхода на орбиту показала, что его чувствительность даже выше, чем предполагали астрономы. Теоретически, он сможет находить не только экзопланеты, но и их спутники, причем не только находить, но даже и взвешивать.

В 2009 году состоялся последний ремонтный полет к "Хабблу" - пожалуй, самому прославленному орбитальному телескопу. Астронавты установили два новых прибора, отремонтировали несколько старых, в том числе основную камеру, а также оснастили "Хаббл" защитным покрытием и новыми аккумуляторами.

Помимо перечисленных миссий в 2009 году было запущено огромное количество спутников. Стесненные жилищные условия на околоземных орбитах уже дали о себе знать: 12 февраля два спутника столкнулись над Сибирью. Космическое пространство не поделили советский "Космос-2251" и американский Iridium 33.

Одной из фавориток астрономов в минувшем году стала Луна. Земной спутник изучали сразу несколько аппаратов, а два из них даже разбились о его поверхность. Самой ожидаемой была кончина американского зонда LCROSS. Благодаря активной рекламе девятого октября множество людей по всему миру настроились на канал NASA TV в надежде увидеть что-то особенное. На деле никакого шоу не получилось, да и научные итоги операции оказались весьма сомнительными. Второй разбившийся аппарат - китайский "Чанъе-1" (Chang'e-1) обрел последнее пристанище на Луне без особой помпы.

Еще один наш сосед по Солнечной системе - Сатурн - лишился надежд стать центром внимания ученых, по крайней мере, в ближайший десяток лет. Европейское и Американское космические агентства отдали предпочтение Юпитеру. Именно к нему отправится ближайшая межпланетная миссия, старт которой предварительно назначен на 2020 год. Специалисты сошлись на том, что изучение Сатурна и его спутников потребует слишком больших временных и финансовых затрат.

В самом конце 2009 года МКС обзавелась новым модулем. "Поиск", или Малый исследовательский модуль-2 (МИМ-2), вошел в состав станции 12 ноября, увеличив число модулей российского сегмента МКС до четырех.

В связи с тем, что астрономия играет в жизни людей немалую роль, Международный астрономический союз посвятил ушедший год этой науке. В музеях, планетариях, обсерваториях и вузах проходили выставки и читались научно-популярные лекции. В Сети появились новые и обновились уже существующие сайты, посвященные астрономии. В рамках проекта "100 часов астрономии" все желающие могли наблюдать небо в профессиональные телескопы. Кроме того, сеансы наблюдений проводились во многих обсерваториях.

О звездах и не только о них

За минувший год ученые узнали много нового о нашем непосредственном космическом окружении. Интенсивное изучение Луны принесло свои плоды - в конце сентября сразу три исследовательских коллектива представили доказательства наличия на земном спутнике воды. H₂O обнаружилась не в жерлах постоянно затененных лунных кратеров, где ее ожидали найти, а прямо на поверхности. Впрочем, астрономы не исключают, что в кратерах вода тоже есть. Эту уверенность подкрепляют два температурных рекорда, установленные в прошлом году. В глубине кратера на южном полюсе Луны столбик термометра (если его вдруг там установят) опускался бы до минус 240 градусов Цельсия, или 33 кельвинов. На противоположной стороне царицы ночи еще холоднее - минус 248 градусов Цельсия (25 кельвинов). Для сравнения, средняя температура космического пространства составляет 3-4 кельвина.

Место высадки астронавтов корабля "Аполон-11". Видны цепочки следов, камера и научное оборудование. Фото NASA/GSFC/Arizona State University. Кликните на картинку, чтобы открыть фотогалерею, посвященную 40-летию высадки на Луну

В 2009 году исполнилось 40 лет со дня высадки человека на Луну. Своеобразным подарком, приуроченным к этой дате, стали фотографии посадочных модулей миссий "Аполлон-11", "Аполлон-14" и "Аполлон-15", сделанные американским лунным зондом LRO и индийским "Чандраяном-1".

Еще одним постоянным фигурантом космических новостей ушедшего года был Марс. В середине января в авторитетном научном журнале Science была опубликована статья, авторы которой представили данные, убедительно доказывающие, что на Красной планете присутствуют значительные количества метана. На Земле около 90 процентов этого газа производится микроорганизмами. По этой причине метан входит в число биомаркеров - веществ, по наличию которых судят о потенциальной обитаемости планеты. В условиях атмосферы Красной планеты CH₄ быстро разрушается, но высокая концентрация этого газа свидетельствует, что на планете должен быть его постоянный источник.

К разочарованию тех, кто верит в жизнь на Марсе, оказалось, что, по крайней мере, часть метана имеет абиогенное происхождение. В августе 2009 года появилась работа, грозящая окончательно убить все надежды найти на Марсе живые организмы. Как рассчитали ее авторы, для того чтобы метан распределялся в атмосфере так, как это наблюдают приборы, он должен разрушаться со скоростью, как минимум в 600 раз большей, чем на Земле. Процесс, способный так эффективно разрушать простейшие органические молекулы, вряд ли даст возможность образоваться более сложной органике. Впрочем, признавать Марс бесперспективным в отношении жизни пока рано. Микроорганизмы могут, например, обитать глубоко под поверхностью, да и информации о газовом составе марсианской атмосферы пока недостаточно для окончательных выводов.

Одно из немаловажных наблюдений 2009 года выполнил астроном-любитель. Австралиец Энтони Уэзли первым обнаружил следы от столкновения Юпитера с неким крупным объектом. Пятно, ставшее результатом встречи, слегка превышает по площади Тихий океан.

В 2009 году ученые основательно изучили озера на шестом спутнике Сатурна Титане. Существование озер, состоящих из жидких углеводородов, было достоверно доказано только в июле 2008 года. За прошедшие 19 месяцев астрономы уточнили состав космических "водоемов", выяснили, что они периодически пересыхают и путешествуют на другое полушарие Титана. Кроме того, ученые нашли новые доказательства того, что на Титане присутствуют криовулканы - вулканы, "работающие" на воде. Этот факт, в свою очередь, может служить косвенным указанием на существование водного океана под поверхностью сатурнианской луны.

Немало новых данных собрали астрономы и о более удаленных космических объектах. Среди основных итогов изучения экзопланет можно перечислить обнаружение и получение фотографий экзопланет у похожих на Солнце звезд, открытие похожих на Землю экзопланет, открытие экзопланеты, состоящей из воды, самой легкой и самой маленькой экзопланет и, наконец, открытие экзопланеты с самыми плохими погодными условиями. Кроме того, ученые впервые измерили радиус экзопланеты и нашли сразу две планеты, вращающиеся задом наперед. Свой вклад в исследование иных миров уже внес телескоп "Кеплер" - данные, собранные им за время работы в тестовом режиме, позволили обнаружить у экзопланеты атмосферу.

В январе 2009 года астрономы уточнили массу Млечного Пути. Согласно новым данным, наш звездный дом вдвое тяжелее, чем было принято считать.

За прошедшие 12 месяцев астрономы открыли несколько небесных тел, предположительно, принадлежащих к ранее неизвестным классам космических объектов. Объекты, получившие наименования SN 2002bj и SCP 06F6, были причислены к новым типам сверхновых, угасающих, соответственно, втрое медленнее и вчетверо быстрее, чем "обычные" сверхновые. Не исключено, что в астрономические справочники включат и гибриды астероидов и комет, обнаруженные между орбитами Марса и Юпитера.

В 2009 году появилось немало работ, посвященных еще одному излюбленному объекту исследователей и читателей научных новостей - черным дырам. Так, ученым удалось найти сразу двух кандидатов на право называться черными дырами средней массы (от нескольких десятков до нескольких тысяч солнечных масс). Считается, что такие черные дыры могут быть переходным звеном между дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами, однако до сих не было найдено "надежных" представителей этого класса объектов. Кроме того, ученые обнаружили, что черные дыры способны создавать себе галактики и умеют обнажать сингулярность. В довершение всего исследователи научились несколькими способами создавать черные дыры и их окрестности в лаборатории.

Продвинулись ученые и в изучении не менее загадочного объекта, а точнее субстанции - темной материи. Темная материя была придумана учеными для того, чтобы объяснить обнаруженный во Вселенной дефицит массы. В 2006 году был описан ряд фактов, очень убедительно подкрепляющих гипотезу о существовании темной материи. Чтобы окончательно перевести ее в разряд доказанных фактов, физикам необходимо найти вимпы - частицы, из которых темная материя состоит. В конце года группа ученых, участвующих в эксперименте Cryogenic Dark Matter Search (CDMS), объявила, что в ходе опытов с вероятностью 0,75 вимпы были зарегистрированы. Между тем другой коллектив физиков решил повторить эксперимент, в ходе которого в 2008 году, якобы, были найдены частицы темной материи.

По итогам ушедшего года астрономы обзавелись картами различных космических объектов и неба в целом. Ученые составили полную карту Меркурия, геологическую карту спутника Юпитера Ганимеда, карту границ Солнечной системы (необходимые данные получил запущенный в 2008 году аппарат IBEX), карту следов Большого Взрыва (микроволнового фонового излучения). Также у исследователей появились карта полярных кратеров Луны, карта ее южного полюса и карта распределения лунного водорода.

Немало озадачило астрономов Солнце. Новый 11-летний цикл активности должен был начаться на звезде еще в мае. Однако светило отказалось работать по графику: несмотря на то, что признаки нового цикла появлялись на Солнце несколько раз, оно до сих пор остается в минимальной фазе.

Масштабная физика

Главным физическим ньюсмейкером, как и год назад, был Большой адронный коллайдер. Его повторный запуск состоялся 20 ноября. Ровно 14 месяцев инженеры и ученые ремонтировали БАК после крупной аварии, произошедшей в сентябре 2008 года. С момента начала новой жизни ускорителя эксперименты на нем несколько раз прерывались из-за незначительных неполадок. Впрочем, они не помешали работающим на БАК физикам установить мировой рекорд энергии столкновений - 2,36 тераэлектронвольта. Максимально возможная энергия столкновений, при которой ученые ожидают рождения загадочного бозона Хиггса, составляет 14 тераэлектронвольт. Последним рабочим днем БАК в 2009 году стало 16 декабря. Возобновить работу коллайдера физики пообещали после рождественских каникул, но не раньше февраля.

Приблизительно так в настоящее время выглядит площадка, где должен быть построен реактор ITER. Фото с сайта проекта

Пока Большой адронный коллайдер приходил в себя, его младший брат - второй по размерам ускоритель элементарных частиц Тэватрон - вовсю производил научные данные. В январе работающие на Тэватроне физики зарегистрировали возможное появление неизвестной частицы в ходе столкновений протонов и антипротонов, а в марте сообщили о рождении одиночного кварка - субатомной частицы, входящей в состав других элементарных частиц. На Тэватроне было зафиксировано появление t-кварка - самого тяжелого и одного из самых интересных для ученых кварка. На волне успеха "тэватронщики" даже заявили, что надеются обнаружить бозон Хиггса раньше коллег с БАК. Попутно огромная группа ученых из 18 стран рассчитала самое точное на сегодняшней день значение массы знаменитого бозона.

Работы над еще одним крупным проектом - международным термоядерным реактором ITER - в 2009 году продвинулись незначительно. При помощи ITER ученые рассчитывают изучить процесс термоядерного синтеза в плазме, при котором выделяется огромное количество энергии, и приспособить его для промышленного использования. Несмотря на оптимизм председателя совета директоров ITER Канаме Икеды (Kaname Ikeda), за прошедшие 12 месяцев перспективы развития проекта стали более туманными. В октябре начало строительство реактора было отложено до апреля 2010 года, а в ноябре страны-участницы проекта приняли решение перенести начало экспериментов с 2018 года на неопределенный срок. На этой грустной ноте мы закончим рассказ о больших физических проектах и перейдем к перечислению открытий 2009 года.

Много малого

Еще один коллектив физиков теоретически доказал, что магнитные монополи могут возникать в конденсате Бозе-Эйнштейна - состоянии, в которое вещества могут переходить при температурах всего на несколько миллионных градуса отличающихся от температуры абсолютного нуля. Это состояние интересно тем, что в нем квантово-механические эффекты проявляются на макроуровне. В 2009 году ученым удалось получить конденсат Бозе-Эйнштейна на основе атомов кальция. В отличие от полученных ранее конденсатов на основе щелочных металлов, свойства кальциевого конденсата, теоретически, подходят для использования в практике.

В сентябре физики сообщили об обнаружении аналогов знаменитых магнитных монополей Дирака - гипотетических частиц, обладающих ненулевым магнитным зарядом. Очень приближенно магнитный монополь можно представить как одиночный полюс магнита, существующий без своего "напарника". В новой работе монополи были получены в спиновом льду. Этим термином обозначают вещество, в котором носители магнитного заряда организованы так же, как протоны в обычном водяном льду. При температурах, близких к абсолютному нулю (минус 273,15 градуса Цельсия), спины атомов выстраиваются таким образом, что часть из них "смотрит" в одну сторону, а часть - в другую. В результате в спиновом льду образуется заряд, не привязанный к определенному физическому носителю.

Спустя месяц после публикации статьи с описанием технологии создания магнитных монополей появилась новая работа, в которой физики сообщили, что им удалось изучить их свойства. Ученые показали, что магнитные монополи могут двигаться так же, как обычные заряженные частицы, и измерили их заряд. По аналогии с движением электронов новое явление было названо магнетричество.

Магнетричество пока интересует, в основном, физиков, изучающих фундаментальные законы. Но некоторые из прорывов 2009 года вполне годятся для внедрения в практику (хотя бы и в будущем). К таким прорывам можно смело отнести диод из одной молекулы и микроволновый диод. Диод - это устройство, пропускающее электрический ток только в одном направлении. Диоды лежат в основе работы транзисторов, без которых невозможно создание компьютеров, телевизоров, магнитофонов и так далее. Кстати, транзисторы в 2009 году также уменьшились до размеров одной молекулы. Чем меньше транзистор, тем больше их уместится на кристалле электронной микросхемы и тем быстрее будет работать компьютер, внутри которого эта микросхема находится. В 1965 году будущий основатель компании Intel предсказал, что каждые два года число транзисторов на кристалле будет удваиваться. С тех пор эта закономерность, получившая название закон Мура, неукоснительно выполнялась. В прошлом году группа исследователей предсказала, что в обозримом будущем закон Мура нарушится и причиной этого станут фундаментальные физические законы.

Кстати, о фундаментальных законах. Некоторые из них в 2009 году получили очередное подтверждение. Ученые удостоверились в постоянстве скорости света, проведя самый точный на сегодняшний день опыт Майкельсона, а измерения отклонения лучей света вблизи массивных объектов подтвердили общую теорию относительности. Идея вновь доказывать основополагающие закономерности кажется странной, и все же в ней есть некоторый смысл. Дело в том, что основополагающие и незыблемые физические законы могут выполняться, например, только для макрообъектов. В микромире могут работать другие законы (хотя природа законов макро- и микромира может быть единой). Кроме того, если физикам удастся обнаружить явление, не укладывающееся в рамки существующих теорий, этот факт может стать основой для разработки новых теоретических предсказаний.

В минувшем году физики продвинулись в изучении интересного квантового эффекта, известного как эффект Казимира. Коротко его суть заключается в следующем: незаряженные тела, находящиеся в вакууме и поднесенные друг к другу очень близко, способны притягиваться. Причина эффекта Казимира - рождение и уничтожение в вакууме виртуальных частиц, являющихся переносчиками магнитного заряда, и вызываемые этими процессами колебания виртуального электромагнитного поля. В январе исследователи заявили, что им удалось обнаружить обратный, то есть отталкивающий, эффект Казимира. Описанное физиками явление имеет иную природу, нежели природа притяжения объектов в вакууме, поэтому за ним закрепилось название ложного эффекта Казимира. В декабре другой коллектив ученых предсказал что истинный обратный эффект Казимира может возникать у метаматериалов - материалов, свойства которых зависят преимущественно от их структуры, а не от химического состава.

Эти необычные материалы интересны ученым не только в связи с эффектом Казимира. Изучение метаматериалов, а точнее, одного из их типов, в первую очередь связано со способностью таких метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления особым образом искривлять пути лучей света. В 2000 году была разработана теория маскирования объектов с использованием таких метаматериалов. Предмет, который необходимо сделать невидимым, следует поместить рядом с конструкцией из метаматериала или за ней. Свет, направляемый метаматериалом, будет путешествовать таким образом, что лучи, отраженные от маскируемого предмета, никогда не достигнут наблюдателя. А это значит, что ни человеческий глаз, ни детектор не смогут зафиксировать наличие предмета. Пока большинство работ, посвященных метаматериалам с отрицательным коэффициентом преломления, являются теоретическими. Например, ученые предложили конструкцию зонта-невидимки и объяснили, как при помощи метаматериалов превратить чашку в ложку. Но кое-что физикам удалось реализовать на практике.

Электронные облака атома углерода. Фото Харьковского физико-технического института

На данный момент ученые не могут похвастаться метаматериалами широкого спектра действия, которые могли бы маскировать объекты от излучения различных длин волн. Тем не менее, в 2009 году был создан метаматериал, делающий объекты невидимыми для инфракрасного излучения. Помимо маскировки объектов у метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления есть еще одна важная область применения - с их помощью исследователи научились создавать суперлинзы. Линзы на основе метаматериалов позволяют преодолеть основное проклятье микроскопистов - дифракционный предел. Другими словами, они позволяют видеть объекты, размеры которых меньше длины волны используемого излучения. В 2009 году физики сконструировали самособирающуюся оптическую суперлинзу, а также акустическую суперлинзу.

Впрочем, микроскописты научились получать фотографии беспрецедентного разрешения и без суперлинз. В ушедшем году исследователям удалось в деталях разглядеть отдельные атомы в молекуле и даже сфотографировать электронные облака.

Продолжение следует

Разумеется, в 2009 году физики и астрономы совершили гораздо больше открытий, чем перечислено выше. Всем, кто добрался до этих строк, а также тем, кто не смог прорваться сквозь рассуждения о галактиках, темной материи и кварках, хочется пожелать в будущем году прочитать еще много новостей об увлекательных и значимых открытиях и достижениях. А уж физики и астрономы постараются обеспечить соответствующие поводы.