Найважливіші відкриття 2019 року
з астрофізики
Від фотографії горизонту подій чорної діри до перевірки теорії про неможливий двигун EmDrive, від створення квантових комп'ютерів - до вирішення дилеми кота Шредінгера. Це все про найважливіше з фізики у 2019 році. Проте найшвидше розвивається астрофізика, що і підтверджують дані повідомлення...
1. Світлини чорної діри
Насправді побачити чорну діру неможливо, оскільки ці надважкі об'єкти є буквально невидимими і поглинають будь-які види електромагнітного випромінювання. Тому вчені отримали зображення тільки її обрисів — так званого обрію - горизонту подій. Втім, це одне з найгучніших наукових відкриттів не тільки в 2019-му, але й узагалі за всю історію досліджень.
Прорив стався завдяки роботі восьми телескопів проекту Event Horizon Telescope (EHT) або «Горизонт подій», які останні кілька років досліджували найближчі до Землі чорні діри.
Вчені аналізували дані про спостереження за надмасивними чорними дірами в галактиці M87 і Стрілець А* у галактиці Чумацький шлях, що розташовані на відстані приблизно 55 млн і 26 тис. світлових років від Землі відповідно.
Після розшифрування приблизно 500 терабайтів даних на початку квітня 2019-го керівники проекту EHT вперше показали фотографію відображення горизонту подій чорної діри в центрі галактики Messier 87 у сузір'ї Діви. Горизонт подій — це умовна лінія за зовнішніми кордонами чорної діри, після якої будь-яке світло, що потрапляє туди, назавжди зникає з нашого поля зору.
«Сфотографувати тінь, яку відкидає горизонт подій чорної діри — це все одно, що сфотографувати DVD-диск на поверхні Місяця з Землі» — казав астрофізик з Університету Арізони Дімітріос Псалтіс. Відображення горизонту подій демонструє викривлене світло і все навколишнє середовище, яке поглинає чорна діра, у прямому сенсі змінюючи відомі людині закони фізики.
Незважаючи на отримання зображення горизонту подій, сьогодні існують тільки гіпотези про природу формування і характеристики чорних дір, оскільки наблизитися до них практично неможливо. «Для мене велике питання, чи зможемо ми коли-небудь подолати цю межу. Можливо, ні. Це засмучує, але ми маємо прийняти це», — заявив голова наукової ради проекту EHT Хейно Фальке.
2. Таємниці темної матерії
Дотепер вченим невідомо, чому швидкість обертання зовнішніх об'єктів у космосі постійно збільшується, незважаючи на те, що відстань між ними зростає. Кілька десятків років тому фізики списали це протиріччя в загальній теорії відносності Ейнштейна на темну матерію — гіпотетичну речовину, яка нібито формує приблизно чверть прихованої маси Всесвіту і відповідає за високу швидкість обертання віддалених об'єктів.
Темна матерія не бере участі в електромагнітній взаємодії і є практично невидимою для нас, тому фізики шукають різні частки, які могли б з нею взаємодіяти. Цьогоріч група вчених з німецького Інституту хімічної фізики твердих тіл суспільства Макса Планка і кількох університетів США і Китаю опублікувала дослідження, яке може значно наблизити нас до розгадки таємниці темної матерії.
Завдяки експериментам з високими енергіями і конденсованим станом, вчені визначили, що електрони вейлівського напівметалу поводяться так, ніби у них немає маси: вони не взаємодіють один з одним і розділені на два типи, — ліві і праві. Ця хімічна властивість називається хіральність, і вона дозволяє молекулам вейлівского напівметалу не збігатися в просторі зі своїм дзеркальним відображенням.
Охолоджуючи їх до мінус 11 градусів Цельсія, вчені змусили незвичайні електрони взаємодіяти і конденсуватися в кристалічні версії самих себе. Отримані частки цих кристалів проявляли ті ж властивості, які має виявляти гіпотетична темна матерія — аксіон.
Виявилося, що кристали хіральних електронів напівметалу складаються з квазічастинок — фононів, які одночасно являють собою хвилі вібрацій. Внаслідок експерименту вчені виявили такі фонони, які реагують на електричні та магнітні поля так само, як і запропоновані 40 років тому аксіони.
Це означає, що автори дослідження не тільки виявили, де можна шукати аксіони, але й, можливо, відкрили довгоочікувану темну матерію, яка взаємодіє з видимою нам речовиною.
3. Простір не нескінченний
Прийнято вважати, що Всесвіт нескінченний. Однак, це твердження має фізичний і математичний доказ: згідно з чинними космологічними теоріями, весь простір навколо нас поступово розширюється у всіх напрямках, і в ньому дотримується Евклідова геометрія (паралельні прямі будь-якої довжини ніколи не перетнуться, а сума кутів будь-якого трикутника дорівнюватиме 180 градусам).
Вчені також доводять рівномірне розширення Всесвіту в усіх напрямках за допомогою визначення щільності речовини в ній: концентрація всієї матерії й енергії, зокрема поки не виявлені нами темні матерію/енергію, має врівноважувати енергії зовнішнього розширення і внутрішнього гравітаційного тяжіння.
На початку 2000-х дослідники визначили критичну щільність матерії у Всесвіті — 5,7 атомів водню на квадратний метр. Цей показник підтверджує, що Всесвіт є відкритим, пласким і нескінченним. У листопаді 2019-го вчені з Римського університету Ла Сапієнца з Паризького інституту астрофізики заявили, що реальна щільність матерії у Всесвіті може бути на 5% більшою, ніж чинний показник критичної щільності.
Таким чином, в інфляційній моделі Всесвіту має переважати гравітація, а весь простір навколо нас в якийсь час мав закритися через його позитивну кривизну. Іншими словами, Всесвіт може бути не нескінченним, а мати форму замкнутої сфери. Астрофізики впевнені, що їхні розрахунки позитивної кривизни Всесвіту правильні «більш ніж на 99%».
Гіпотетично, таке дослідження дозволяє нам навіть визначити розміри Всесвіту, і означає, що подорожуючи з будь-якої точки в одному напрямку тривалий час, ми все одно повернемося в самий початок. Така заява ставить під загрозу теорії про розширення Всесвіту і вміст у ньому темних енергії та матерії.
«Припущення про плаский Всесвіт може приховувати космологічну кризу, коли непорівнянні спостережувані властивості Всесвіту здаються взаємно несумісними. Наступні дослідження допоможуть з'ясувати, чи є спостережувані розбіжності наслідком непоміченої систематики, нової фізики або просто статистичної похибки», — зазначено в роботі астрофізиків.
4. Порожнечі не існує
Головною загадкою сучасної фізики є пояснення процесів, які відбуваються з частинками на субатомному рівні. НВ не раз писав про гіпотетичну теорію всього, що могла б пояснити, чому в макро- і мікромасштабах діють різні закони фізики.
Але, на початку 2019-го вчені з Швейцарської вищої технічної школи в Цюрихху додали в це рівняння ще більше невідомих. Дослідники провели експеримент, який не вдавалося здійснити фізикам у всьому світі кілька десятків років: вперше в історії вони виміряли енергію в умовах абсолютної порожнечі — вакуумі.
Так, виявляється, що вакуум також може впливати на елементарні частинки, тому точність експериментів, які проводять нібито в ідеальних умовах, можна поставити під сумнів. У цьому випадку фізики використовували частки світла — фотони, — щоб виміряти, як потенційна енергія у вакуумі може взаємодіяти з ними.
Дослідники пропустили два лазерні імпульси завдовжки трильйонну частку секунди через суперохолоджений оптичний кристал, і порожній простір між елементарними частинками у вакуумі незначно впливав на світло. Пучки фотона запускали кілька разів у різних місцях і в різний час, щоб переконатися, що на них дійсно щось впливає.
Вчені припустили, що такі незначні спонтанні зміни в порожнечі зумовлені законом невизначеності Гейзенберга. Цей закон передбачає деякі відхилення від правила збереження енергії. Незважаючи на те, що виявлена енергія у вакуумі дуже слабка — відкриття може довести, що деякі постійні, які використовують у сучасній фізиці, є хибними.
«Вакуумні флуктуації електромагнітного поля мають чітко видимі наслідки і, серед іншого, вони призводять до того, що атом може мимовільно випромінювати світло», — пояснювала одна з авторів експерименту фізик Ілеана-Крістіна Бенея-Хелмус.
5. Структура Всесвіту
Подібно до експериментів з порожнечею у вакуумі, нещодавно астрофізики з Японії, Європи і США визначили, з чого складається весь порожній простір у Всесвіті. Вчені підтвердили на практиці існування галактичних ниток або філаментів, — найбільших структур, які об'єднують різні галактики.
Фундаментальні космологічні теорії свідчать, що філаменти почали формуватися одночасно з розширенням Всесвіту одразу після Великого вибуху. Ці нитки складаються з газоподібного водню, і, по суті, є поживними трубопроводами для всіх спостережуваних нами галактик. Ба більше, на перетині філаментів з'являються чорні діри, що робить галактичні нитки найбільшою відомою нам космічною структурою, яка є джерелом життя для всього у Всесвіті.
У новому дослідженні вчені підтвердили існування філаментів, які пов'язують галактики у кластері SSA22 в сузір'ї Водолія. Виявлені величезні водневі структури простягаються в довжину на відстань у три мільйони світлових років (більше одного мегапарсека). Оскільки вони розташовані на відстані приблизно 12 млрд світлових років від нас, це означає, що нитки були сформовані відразу ж після Великого вибуху.
Відкриття стало можливим завдяки спектрометру MUSE, який встановлено на телескопах VLT у Чилі. Астрофізики вперше зафіксували галактичні нитки за допомогою ультрафіолетового випромінювання, яке дозволяє побачити процес іонізації нейтрального газоподібного водню. Цей ефект називають випромінювання Лайман-альфа, і саме воно дало можливість уперше в історії побачити дуже тьмяні галактичні нитки.
«Спостереження найтьмяніших і найбільших структур у Всесвіті є ключем до розуміння того, як Всесвіт еволюціонував у часі, як галактики розвиваються і дозрівають, і як мінливе середовище навколо галактик створило те, що ми бачимо зараз», — казала астрофізик з університету Арізони Еріка Хамден.
Як пояснив провідний автор дослідження Хідекі Умехата з Токійського університету, їхнє відкриття підтверджує, що джерелом утворення надмасивних чорних дір, галактик і відомої нам структури Всесвіту є газ, який піддається впливу гравітації в галактичних філаментах.
За підрахунками вчених, не менше 60% газу у Всесвіті має перебувати саме в таких філаментах. Тому виявлення галактичних ниток також може стати відправною точкою для вирішення проблеми нестачі матерії у Всесвіті.
