sly1

Может показаться, что американские горки – довольно современный тип развлечения, и они становятся всё больше, быстрее и страшнее благодаря развитию технологий. Однако на самом деле они возникли ещё в середине XIX века. В будние дни по железной дороге под воздействием гравитации перевозили уголь, с верхней части гор до стоящего у их подножия города в Пенсильвании, а в выходные их арендовали пассажиры, чтобы покататься просто для развлечения.

Сегодня парки развлечений – это большой бизнес. Однако бывает, что очереди на некоторые аттракционы растягиваются вплоть до восьми часов, при том, что среднее время проезда по горке – всего около двух минут, не говоря уже о периодических инфарктах, деформации мозга и серьёзных увечьях из-за аварий. Так зачем же мы идём на это? Чего такого есть в этих аттракционах, что нравится нам так сильно, однако чем мы старше, тем нравится меньше?

Удовольствие от американских горок связано с поиском острых ощущений – тенденцией к получению удовольствия от разных, новых и сильных физических ощущений, типа альпинизма или прыжков с парашютом. Однако какое настолько привлекательное ощущение предлагают аттракционы? На первый взгляд может показаться, что всё дело в ощущении скорости. Однако свидетельства, связывающие скорость с острыми ощущениями, не убедительны. К примеру, многие люди, а не только любители острых ощущений, водят автомобиль со скоростями, превышающими разрешённые.

Возможно, притягательность аттракционов состоит в ощущении страха, как при просмотре фильма ужасов. Такие физические признаки страха, как учащённое сердцебиение, дыхание, и прилив энергии, вызванный выделением глюкозы, известны, как "реакция бей или беги". Мы знаем, что поездка на американских горках с большой вероятностью вызовет такую реакцию их работ исследователей, измерявших сердцебиение пассажиров на аттракционе с двойной спиралью Coca Cola Roller в Глазго в 1980-х. Сердцебиение увеличивается более чем в два раза, от средних 70 ударов в минуту до поездки до 153 вскоре после её начала. Некоторые пожилые пассажиры неприятно близко подошли к той черте, которая считается небезопасной с медицинской точки зрения в их возрасте.

Во время ещё одного времяпрепровождения с выделением адреналина, любители <a href="https://ru.wikipedia.org/wiki/Банджи-джампинг">банджи-джампинга</a> сообщали не только об улучшении самочувствия, обострении восприятия и эйфории сразу после прыжка – у них также был повышен уровень эндорфинов в крови, отвечающих за ощущение удовольствия. Что интересно, чем больше был уровень эндорфинов, тем сильнее была эйфория прыгуна. Это явно свидетельствует о том, что люди получают удовольствие от реакции "бей или беги" в безопасных условиях.

Хороший и плохой стресс

Однако, что парадоксально, эти же любители банджи-джампинга демонстрировали высокий уровень гормона кортизол, который появляется в результате стресса. Как же человек может одновременно испытывать стресс и удовольствие? Ответ состоит в том, что не каждый стресс – плохой. Эйстресс, или позитивный стресс (от греческой приставки eu [эй], означающей "хорошо", как в слове "эйфория") – это стресс положительного типа, который пытаются испытать люди.

Мы знаем, что поездка на аттракционе может оказаться "эйстрессовой" благодаря интересному исследованию, проведённому двумя нидерландскими психологами. Их интересовала связь астмы со стрессом. Отметив результаты предыдущих исследований, из которых следовало, что стресс заставляет страдающих астмой людей воспринимать её симптомы, как более серьёзные, они заинтересовались, нельзя ли достичь противоположного эффекта с применением эйстресса.

Во имя науки несколько страдающих астмой студентов отправились в парк аттракционов и катались на американских горках, в то время, как их дыхательные функции подвергались замерам. Исследователи обнаружили нечто удивительное. Функционирование лёгких предсказуемо ухудшилось из-за криков и общего напряжённого состояния, однако также уменьшилось и ощущение нехватки дыхания. Это говорит о том, что искатели острых ощущений, катаясь на аттракционах ощущают этот стресс в позитивном ключе.

Роль дофамина

Однако аттракционы нравятся не всем. Можно ли объяснить стремление к поиску острых ощущений различиями в биохимии мозга? Из эксперимента с банджи-джамперами следует, что люди с повышенным уровнем эндорфинов чувствуют повышенную эйфорию. Однако нет свидетельств того, что уровень эндорфинов в покое может объяснить стремление к поиску острых ощущений – скорее, это реакция на ощущения, чем предсказатель того, получим ли мы от них удовольствие.

В недавнем обзоре вместо этого изучали роль дофамина, ещё одного химиката, переносящего информацию в мозге, и важного для работы нейрологических путей вознаграждения. Было обнаружено, что люди с более высоким уровнем дофамина чаще увлекаются поиском острых ощущений. И хотя это корреляция, а не обязательно причина и следствие, ещё одно исследование выявило, что принятие галоперидола, нарушающего работу дофамина в мозге, приводит к измеряемому уменьшению желания острых ощущений.

Эти исследования выдвигают интересное предположение, согласно которому получение удовольствия от сильных физических ощущений, типа поездки на аттракционе, может отражать индивидуальные особенности биохимии мозга. Люди с повышенным уровнем дофамина могут быть чаще подвержены стремлению к острым ощущениям, от безвредных аттракционов до приёма наркотиков или магазинных краж.

Вопрос того, сохраняется ли приверженность к аттракционам по мере старения человека, не изучался напрямую, но недавно людей опрашивали, насколько им интересно будет заниматься в отпуске тем, что приносит острые ощущения – например, альпинизмом. Из опроса видно, что пик интереса к такому виду отдыха приходится на начало взрослого периода, и с каждым десятилетием падает. Это говорит о том, что пожилые люди менее заинтересованы в том, чтобы проводить время за занятиями вроде поездок на аттракционах. Возможно, когда тебе за 50, тебе уже не так интересно ощущать, как твой пульс близко подобрался к опасной отметке.

Хотя это сложно описать на 100%, но людям нравится кататься на аттракционах благодаря комбинации из скорости, овладения страхом и положительных эффектов, связанных с физиологическим приливом эмоций. Поездка на американских горках законный, обычно безопасный и относительно недорогой способ ощутить естественную эйфорию. Естественно, люди с удовольствием платят деньги в обмен на это развлечение уже много лет, и признаков увядания в наслаждении небольшим количеством эйстресса не видно.

У чёрной дыры полно энергетических ресурсов, способных помочь жизни закрепиться. Но учёный из НАСА определил, что, несмотря на то, что показывают в кино, возникновение пригодных для жизни условий вблизи неё маловероятно.

Фильм “Интерстеллар” занимает особое место в сердцах любителей научной фантастики. Исполнительным продюсером фильма и его научным консультантом был Кип Торн, физик, получивший нобелевскую премию, пообещавший, что ничто в этом кино не будет нарушать законы физики, а любые выводы будут сделаны на основе науки.

Сюжет его строится на том, что Земля становится непригодной для жизни, и людям приходится искать новый дом. На удачу астрономы открыли червоточину рядом с Сатурном, служащую туннелем через пространство-время, ведущим к сверхмассивной чёрной дыре Гаргантюа.

Вокруг неё вращается множество планет. НАСА отправляет несколько миссий для изучения планет, надеясь найти среди них обитаемую.

По поводу научной достоверности фильма было написано довольно много статей, в частности, касательно того, как там изображена чёрная дыра, и солидная их часть была хвалебной. Физик Митио Каку сказал, что этот фильма стал золотым стандартом, с которым необходимо будет сравнивать будущие НФ-фильмы.

Однако остаётся разобраться с ещё одним вопросом: может ли обитаемая планета в принципе вращаться вокруг сверхмассивной чёрной дыры? И сегодня мы получили на него ответ благодаря научной работе Джереми Шнитмана из Центра космических полётов Годдарда НАСА в Гринбелте, Массачусетс.

Шнитман просто подошёл к вопросу, подсчитав, могут ли пригодные для жизни условия существовать на планете, вращающейся вблизи сверхмассивной чёрной дыры. И его выводы оказались неожиданными.

Для начала немного истории. Астробиологи давно уже спорят о том, каковы могут быть необходимые для жизни условия на землеподобных планетах. Существует общепризнанное мнение о том, что одним из фундаментальных требований будет наличие жидкой воды, что налагает определённые ограничения на температуру обитаемых планет.

Подход Шнитмана состоит в том, чтобы определить, какие источники энергии могут привести к появлению таких температур на планете, вращающейся вокруг чёрной дыры. Такой источник энергии должен был бы кардинально отличаться от того, что есть у Земли.

Температура нашей атмосферы сохраняется в результате баланса приходящей энергии Солнца, разогревающего атмосферу, и уходящей энергии. Это взаимодействие породило целую научную дисциплину, климатологию.

Тем не менее, без Солнца приходящий свет исчезнет, и почти вся энергия с Земли улетучится. “Без постоянной подпитки температуры океаны, скорее всего, замёрзнут за несколько дней”, – говорит Шнитман.

Но, оказывается, что у планеты, вращающейся вокруг сверхмассивной чёрной дыры, могут быть и другие источники энергии. Самый очевидный состоит в том, что сверхмассивные чёрные дыры вовсе не чёрные. “Большая часть полученных нами знаний о чёрной дыре основана на электромагнитном излучении, испускаемом газом, который в результате аккреции падает на чёрную дыру, – говорит Шнитман. – Можно представить, что замена Солнца поглощающей материю чёрной дыры не станет концом жизни на Земле”.

Однако сверхмассивные чёрные дыры не просто яркие; это самые яркие из постоянных источников излучения во Вселенной, в особенности в ультрафиолетовом диапазоне, где излучение достигает пика. Они окружены горячим аккреционным диском, падающим в чёрную дыру.

Условия внутри такого диска слишком экстремальны для существования жидкой воды, но Шнитман говорит, что их можно сделать более комфортными, представив, что скорость аккреции чёрной дыры составляет крохотную долю от наблюдаемых значений.

В итоге любая планета, вращающаяся вокруг сверхмассивной чёрной дыры, будет находиться в облаке горячего газа. В фильме планета вращается вблизи горизонта событий чёрной дыры, где, по подсчётам Шнитмана, она была бы окружена полем излучения температурой в 6000 градусов. “Вряд ли это окружение дружелюбно для жизни”, – отмечает он.

На больших расстояниях газ был бы более холодным. Для достижения комнатной температуры планете нужно было бы находиться на расстоянии в 100 раз большем гравитационного радиуса чёрной дыры.

Реликтовое излучение вокруг чёрной дыры

Так что на первый взгляд жидкая вода могла бы существовать на такой планете. Смогла ли бы там развиться жизнь – вопрос более сложный. “Всем известным формам жизни для выживания требуется энергетический градиент, поэтому всепроникающее излучение абсолютно чёрного тела чёрной дыры было бы, вероятно, не очень удобным для сложной жизни”, – говорит Шнитман.

В фильме есть одна проблемка – планета явно вращается за пределами аккреционного диска, что, по словам Шнитмана, было бы динамически нестабильной системой.

Более серьёзная проблема – с уменьшением скорости аккреции должна уменьшиться и плотность диска, и тогда ему было бы тяжелее излучать энергию. А без этого излучения он бы просто разогрелся, выйдя за температурные пределы, в которых существует жидкая вода. Это приводит нас к парадоксу.

Но не всё потеряно. Существует ещё один источник энергии – реликтовое излучение, эхо Большого взрыва [реликтовое излучение не является эхом Большого взрыва, как часто неправильно пишут авторы. Это тепловое излучение первичной рекомбинации Вселенной / прим. перев.]. Астрономы измерили его и получили температуру в 2,7 К, чего вряд ли хватит для поддержания воды в жидком виде.

Однако тут вступает в игру магия относительности. Из фильма видно, что время для на планете замедляется для наблюдателей, в результате чего свет испытывает синее смещение и нагревается. И чем ближе планета к чёрной дыре, тем сильнее будет этот эффект.

Шитман подсчитал, что планета, вращающаяся сразу за гравитационным радиусом, могла бы достаточно разогреваться реликтовым излучением. “Это было бы похоже на орбиту вокруг белого карлика радиусом 0,2 а.е.”, – говорит он. Этого было бы достаточно для наличия жидкой воды, но при этом планета купалась бы в опасно высоком уровне ультрафиолета.

А есть ещё свет других звёзд. На Земле ночное небо тёмное, поскольку мы находимся в относительно разреженном рукаве галактики. Но сверхмассивные чёрные дыры обычно находятся в центре галактик, где плотность звёзд значительно больше. У планеты, летающей вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики, ночное небо было бы в 100 000 раз ярче, чем на Земле.

Это обеспечило бы значительный фон из ультрафиолета и рентгеновского излучения. Шнитман представляет себе цивилизацию, достаточно продвинутую для создания чего-то вроде “сферы Дайсона наизнанку”, отражающей эту энергию. “Это сделало бы планету обитаемой гораздо ближе к сверхмассивной чёрной дыре, даже перед лицом чрезвычайно сильного ультрафиолетового или рентгеновского фонового излучения”, – говорит он.

“Но и такой защитный экран не спасает от природного безмолвного убийцы: нейтрино”, – говорит он. Нейтрино почти не взаимодействуют с материей. Но когда их много, они могут значительно влиять на неё.

Некоторые учёные думают, что массовое вымирание на Земле было вызвано вспышками расположенных неподалёку сверхновых, выдававших значительное количество нейтрино. А сверхмассивная чёрная дыра сможет создать достаточное количество этих частиц, чтобы прекратить вечеринку на любой планете.

Однако нейтрино также могут вызвать геотермальный разогрев. “И, в отличие от вредоносного ультрафиолета или рентгена этого электромагнитного излучения с синим смещением, разогревание недр планеты нейтрино могло бы привести к процветанию форм жизни похожих на те, что мы находим у себя в глубинах океанов”, – говорит Шнитман, немного выдавая желаемое за действительное.

Однако это ощущение быстро проходит, когда он переходит к другим причинам быть пессимистом. Рядом с чёрной дырой постоянное гудение гравитационных волн будет вызывать разрушительные вибрации. Также на всё это мрачным покровом ляжет тёмная материя (если она существует).

Шнитман всё же не отметает полностью возможность того, что обитаемая планета может вращаться вокруг сверхмассивной чёрной дыры. Но смысл его объяснений понятен – в такой обстановке уютного мало. Если люди и должны где-то искать обитаемые планеты, то скорее всего, как можно дальше от сверхмассивной чёрной дыры.

Источник / Мои переводы

Аромат

В физике частиц аромат никак не связан с запахом [по-английский flavour – это и вкус, и запах / прим. перев.]. Вместо этого этот термин обозначает частицы различных типов. Всего есть шесть “ароматов”, или вариаций, кварков: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Лептонов тоже есть шесть видов: электрон, мюон, тау, и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино).

Цвет

Уберите вашу коробку мелков. Цвет [точнее, цветной заряд / прим. перев.], как и аромат – это ещё один способ обозначать различные субатомные частицы, однако основан он не на оттенках. Кварки можно назвать красными, зелёными или синими, однако эти именования обозначают лишь абстрактные характеристики заряда частиц по отношению к сильным (а не электромагнитным) взаимодействиям, и не связаны с реальными цветами. Есть даже целая область физики, посвящённая цветным зарядам: квантовая хромодинамика.

Поле

На физических полях не колосится пшеница, не растут травка и цветочки. В физике поля оказываются более монотонными, и обычно простираются в бесконечность. Они проницают Вселенную, и становятся видны только при встрече с чем-то, что может с ними взаимодействовать. Электрически заряженные частицы могут взаимодействовать с электромагнитным полем; частицы с массой могут взаимодействовать с гравитационным полем, а массу этим частицам придаёт поле Хиггса.

Струи

Внимание, говорит ваш капитан: струи физики частиц не связаны с самолётами [в английском это jet, реактивная струя / прим. перев.]. Струи – это потоки адронов (частиц, состоящих из кварков и глюонов), часто появляющиеся в результате столкновений с высокой энергией в ускорителях типа Большого адронного коллайдера. Порождают их кварк или глюон с высокой энергией, решившие побыть самостоятельными. Обычно кварки и глюоны не любят существовать по отдельности, поэтому эти высокоэнергетические частицы привлекают своих друзей из вакуума, создавая поток частиц, направленных примерно в одном направлении. И так появляется струя.

Триггер

Триггер для нас – это устройство, запускающее какой-то процесс. В физике частиц триггер – это система, сообщающая компьютеру о необходимости записи данных какого-либо столкновения. Это способ концентрироваться только на самых интересных и нужных взаимодействиях частиц в эксперименте, выдающем гораздо больше данных, чем мы можем записать, сохранить и проанализировать.

Фон

Фон бывает не только на картинах и фотографиях. В физических экспериментах фон обозначает все дополнительные сигналы, которые может зарегистрировать детектор, находящийся в поисках чего-либо уникального. К примеру, детектор, собранный для изучения пучков нейтрино, порождаемых ускорителем, также может зафиксировать частицы, приходящие из космоса. Фильтрация нужного сигнала с отделением его от фона – это важнейшая часть экспериментов физики частиц.

WIMP

По-английски wimp – это слабохарактерный человек, “тряпка”. Аббревиатура WIMP обозначает одного из главных кандидатов на роль тёмной материи. WIMP – это акроним для “слабо взаимодействующих массивных частиц”: гипотетических частиц, достаточно массивных для того, чтобы объяснить загадочные гравитационные эффекты, которые космологи наблюдают во Вселенной, но достаточно редко реагирующих с обычной материей для того, чтобы объяснить, почему их до сих пор никто не видел. Это одна из нескольких идей объясняющих тёмную материю – невидимую субстанцию, которой, тем не менее, во Вселенной гораздо больше, чем обычной материи.

Инфляция

Инфляция заставляет вас вспомнить об удешевлении денег или о том, как раздувается шарик [англ. inflation – надувание]. Однако это же слово относится и к самому началу Вселенной. Физики называют инфляцией период сразу после Большого взрыва [тут в оригинале ошибка – это период непосредственно перед Большим взрывом / прим. перев.], когда пространство расширялось с экспоненциальной скоростью во всех направлениях, из-за чего малые квантовые флуктуации разрослись до космических масштабов. Это привело к появлению крупномасштабных структур материи во Вселенной, которые мы сегодня наблюдаем – к примеру, скопления галактик.

Запутанность

Мы сталкиваемся с запутанностью, пытаясь совладать с кабелем от наушников. В физике частиц запутанность обозначает то, что Эйнштейн называл “пугающим дальнодействием”: две частицы могут быть разделены огромным расстоянием, но “объединены” таким образом, что воздействие на одну из них оказывает мгновенное воздействие на другую.

Свеча

Ваша стандартная свеча, скорее всего, сделана из фитиля и парафина. Стандартные свечи астрофизиков – это астрономические объекты известной [собственной] яркости (или светимости), которые можно измерить для измерения расстояний на огромных масштабах. Среди примеров стандартных свечей – рентгеновские вспышки и различные типы звёзд, например, переменные цефеиды или сверхновые (взрывающиеся звёзды). Измеряя скорость расширения Вселенной со временем с использованием стандартных свечей, учёные сделали удивительное открытие: Вселенная расширяется с увеличивающейся скоростью.

Источник / Мои переводы

Активные галактики – одни из самых ярких и впечатляющих объектов на небе. Они обычно бывают массивными и удалёнными, и излучают чрезвычайно большое количество энергии в процессе, когда материя падает на сверхмассивные чёрные дыры, скрывающиеся в их центре. Астрономы недавно обнаружили, что некоторые из них скрыты от наших глаз огромными количествами газа и похожей на дым пыли. Однако неизвестно, как эти редкие объекты формируются и “питаются”.

Но теперь наша команда астрономов разузнала больше данных по поводу происхождения самой яркой галактики Вселенной: квазара под названием W2246. Наши открытия, опубликованные в журнале Science, раскрывают явные признаки того, что W2246 формируется путём слияния нескольких галактик.

Впервые W2246 нашли во время инфракрасного сканирования всего неба, проведённого космическим телескопом WISE в 2010-м. Однако мы видим объекты не такими, какие они сегодня. Заглядывая во Вселенную, мы получаем свет, которому на то, чтобы дойти до нас, потребовалось приличное время. И эта галактика находится настолько далеко от нас, что мы видим её такой, какой она была, когда возраст Вселенной составлял лишь 8% от её текущего возраста.

Этот объект чрезвычайно ярок – он примерно в 10 000 раз ярче нашей Галактики, Млечного Пути. Предыдущие исследования, проведённые на различных передовых телескопах – включая Атакамскую большую антенную решётку миллиметрового диапазона (ALMA), и космические телескопы Хаббл и Гершель – в 2016 году подтвердили, что W2246 держит рекорд по яркости среди всех галактик во Вселенной.

Большая часть энергии, присущей W2246, испускается относительно небольшим участком в её центре, в несколько раз меньшим по сравнению с Млечным Путём. Также изображения показывают, что там находится очень горячий газ под высоким давлением, который начинает расширяться во всех направлениях в виде пузыря.

Новые наблюдения

Последние наблюдения делали мой коллега Танио Диаз Сантоз в Чили и ещё 11 астрономов, использовавших телескопы ALMA и Сверхбольшую Антенную Решётку (VLA) имени Карла Янского, находящиеся в Чили и Нью-Мексико, соответственно. Благодаря этой работе мы смогли увидеть смог из газа и пыли внутри W2246 с беспрецедентной детализацией.

Изображение W2246-0526 и его компаньонов, подпитывающих его через трансгалактические потоки материи, с телескопа ALMA

То, что объект W2246 может быть таким ярким, не питаясь материей близлежащих галактик, давно было загадкой для астрономов, и вероятным вызовом нашим теориям формирования галактик. Однако новые результаты показывают, что у него действительно есть несколько галактик-компаньонов, которые он поглощает. Тому свидетельством являются пылевые мосты из богатого углеродом твёрдого материала, напоминающего дизельную сажу. Они отмечают пути, по которым материя из галактик-компаньонов движется в направлении засасывающей её сверхмассивной чёрной дыры.

Наличие сажи важно, поскольку она состоит из элементов, появляющихся только в результате ядерных реакций, происходящих внутри массивных звёзд, а потом распространяющихся по галактике, когда эти звёзды взрываются во вспышках сверхновых. Это говорит о том, что газ вокруг W2246 уже прошёл через жизненные циклы звёзд в прошлом – возможно, в окружающих галактиках – до того, как принять участие в текущем взрыве активности. Таким образом, новые фотографии дают нам представление не только о происходящей в этой галактике активности, но и о её ранней истории.

Чтобы ALMA смогла увидеть эту пыль, последняя должна активно разогреваться. Это могут делать молодые звёзды, также находящиеся в пылевых мостах, или же излучение чрезвычайно яркого ядра W2246. Состояние газа в мостах говорит о том, что даже если W2246 и является основным источником тепла, газ в мостах всё равно способен схлопываться под своей собственной тяжестью, и формировать в плотных облаках новые звёзды; поэтому центральная чёрная дыра, подпитывающая W2246, может этот газ поглощать.

На основе относительной скорости и разделения галактик-компаньонов можно представить себе, сколько массы они содержат. Мы также можем оценить длительность текущих взаимодействий примерно в 200 млн лет. Всё вместе позволяет нам оценить скорость поглощения газа чёрной дырой, и сделать выводы о том, что этого действительно должно хватать для такого выброса энергии, который мы наблюдаем у этого объекта.

Антенны ALMA

Однако нам не видно подробностей того, что происходит внутри яркого и компактного ядра галактики, когда в него падает материал, попадающий в чёрную дыру (которая разогревает его и заставляет часть материала улетать прочь). Для того, чтобы понять, что происходит в самом центре W2246, потребуются наблюдения на более крупных масштабах.

К счастью, последующие наблюдения при помощи телескопа ALMA и готовящегося к запуску космического телескопа имени Джеймса Уэбба (JWST), запуск которого запланирован на 2021 год, помогут точно определить, как именно газ и пыль распределены в галактиках и как они движутся, и как этот газ превращается в звёзды и поглощается чёрной дырой.

Эти наблюдения не только дадут нам новые сведения по этой экстремальной галактике, но и помогут нам понять процессы возникновения обыкновенных галактик, и условия, которые требуются для запуска наиболее ярких фаз существования галактик.

Было здорово наблюдать за W2246. Примерно через 100 млн лет она определённо закончит пожирать близлежащие галактики. После этого она потеряет свою яркость, и следующий объект примерит на себя титул ярчайшей галактики во Вселенной. Ничто не вечно.

Источник / Мои переводы

UPD: видео с похожего(!) мероприятия