sly1

Мурчисонский метеорит, упавший в Австралии несколько десятилетий назад, содержит звёздную пыль, возраст которой превосходит возраст Солнца

Сверхновая в представлении художника

Учёные обнаружили самый старый из когда-либо найденных на Земле материалов внутри космического камня, упавшего в Австралии более полувека назад. Этот метеорит оказался заполненным крохотными гранулами древней звёздной пыли, появившейся за два миллиарда лет до формирования Солнца и нашей солнечной системы – так утверждается в работе, опубликованной в январе 2020 в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

“Досолнечные” гранулы удалось датировать при помощи зонда “Вояджер-1”, собравшего необходимые данные при выходе в межзвёздное пространство в 2012 году. Звёздная пыль стала уникальной капсулой времени из эпохи в нашей галактики, предшествующей возникновению нашей Солнечной системы.

“К такому я никогда не смогу привыкнуть, ведь это так потрясающе”, – сказал ведущий автор работы Филипп Хек, куратор Филдовского музея естественной истории и адъюнкт-профессор Чикагского университета. “Просто взять лежащий в лаборатории камень, извлечь из него минералы и узнать что-либо об истории галактики – потрясающе, что природа дала нам возможность изучать подобные пробы”.

Гранулы имеют размер всего несколько мкм в поперечнике (для сравнения, толщина человеческого волоса составляет 100 мкм). На Землю их принёс Мурчисонский метеорит, большой кусок космического камня, обломки которого упали рядом с городом Мурчисон в Австралии в 1969 году. Падение стало событием в истории города, но местные жители передали большую часть 100-киллограммового камня в Филдовский музей в Чикаго.

“Жители Мурчисона, сельские жители, собрали фрагменты метеорита, понимая, что он важен для науки, и отдали науке большую часть собранного, – сказал Хек. – Без этого не было бы нашего исследования и многих других тоже”.

Гранулы звёздной пыли внутри метеорита сформировались умирающими звёздами миллиарды лет назад. В конце жизненного цикла [некоторые] звёзды начинают сдувать одни из самых тяжёлых элементов наружу, в окружающее пространство, после чего материал охлаждается и формирует пылевые частицы.

“После формирования гранулы она начинает улетать в межзвёздное пространство под давлением излучения звезды, и путешествует по галактике, – пояснил Хек. – В процессе формирования солнечной системы, начавшегося 4,6 млрд лет назад, эта досолнечная пыль комковалась в объекты, из которых затем появились Земля, Солнце, астероиды, кометы – всё, что появилось в Солнечной системе, содержит эти досолнечные гранулы”.

Туманность Яйцо, возможный источник крупных досолнечных гранул карбида кремния, обнаруженных, в частности, в Мурчисонском метеорите. В углу включено изображение пылинки размером 8 мкм

Хотя ранняя Земля была усыпана такими пылинками, такие геологические процессы, как внутренний разогрев, тектоника плит и вулканизм уничтожили их. Однако эти гранулы выживают внутри пяти процентов астероидов и комет, находящихся в нашей Солнечной системе. Множество метеоритов приносило досолнечные гранулы на нашу планеты, хотя Мурчисонский метеорит – единственный, принёсший нам достаточно большие гранулы для того, чтобы можно было определить их возраст.

Порядка 30 лет назад учёные Чикагского университета извлекли эту звёздную пыль, раздробив кусочек метеорита в порошок и используя химические реагенты, измельчили их до крохотных крупинок карбида кремния.

“Нам известны и другие типы досолнечной пыли, однако, карбид кремния – наиболее прочный и долговечный, – сказал Хек. – По прочности он сравним с алмазом. Это, по сути, очень плотный кристалл”.

Учёные уже знали, что возраст гранул превосходит возраст Солнечной системы, но в новом исследовании удалось гораздо более точно оценить их возраст, и чрезвычайно сильно отодвинуть в прошлое оценку даты их появления. В частности, этот прорыв Хеку и коллегам удалось совершить благодаря зонду “Вояджер-1”.

“Теперь у нас есть данные с космического корабля, покинувшего нашу Солнечную систему и измерившего космические лучи за её пределами, – сказал Хек. – И эти лучи являются основой нашего метода датировки”.

Когда эти гранулы летали в межзвёздном пространстве миллиарды лет назад, они постоянно сталкивались с космическими лучами – частицами высоких энергий, заполняющими галактику. Сталкиваясь с гранулами, лучи порождали изотопы неона внутри пылинок.

Этот процесс позволяет учёным оценить возраст гранул, поскольку более старые из них дольше подвергались воздействию космических лучей, и, следовательно, имеют более высокий уровень изотопов неона. Хек с коллегами использовали масс-спектрометр для измерения содержания изотопов неона в гранулах.

“Мы можем использовать данные по космическим лучам, полученные “Вояджером”, и определить, воздействию какого рода космических лучей и с каким уровнем энергии подвергались гранулы миллиарды лет назад, – пояснил Хек. – Ещё 10 лет назад таких данных у нас просто не было”.

Исследователи не только обнаружили, что возраст некоторых гранул составляет около семи миллиардов лет, что делает их самым старым материалом из найденных на нашей планете – они ещё обнаружили, что примерно две трети из изученных гранул имеют возраст от 4,6 до 4,9 млрд лет.

Это намекает на “бэби-бум в процессе формирования звёзд”, сказал Хек. В Млечном Пути, вероятно, перед самым формированием Солнечной системы появилось огромное количество звёзд, которые выгорели и умерли за период порядка 300 млн лет.

И теперь жизнь и смерть этих исчезнувших звёзд записана в гранулах, застрявших в Мурчисонском метеорите, удачно упавшем к нам на Землю. Эти результаты соответствуют теориям о смене у Млечного Пути периодов активного появления и быстрого сгорания звёзд, в отличие от варианта с постепенным их формированием.

Всё это, конечно, поражает воображение, и Хек с коллегами ожидают, что на основе этих досолнечных гранул в будущем можно будет сделать ещё много открытий. Команда планирует продолжать извлекать и датировать звёздную пыль, к тому же теперь они смогут включить в исследование результаты, полученные зондом “Вояджер-2”, вышедшим вслед за своим близнецом в межзвёздное пространство в 2018 году.

“Такого проекта хватит на целую карьеру, но я также обучаю и своих студентов, поэтому надеюсь, что в последующие годы и десятилетия мы получим ещё много данных по возрасту материала”, – сказал Хек.

Источник / Мои переводы

Любой удалённый источник гравитации может испускать гравитационные волны и отправлять сигнал, деформирующий ткань пространства-времени, проявляющий себя как гравитационное притяжение

Одно из тех свойств окружающего мира, с которыми мы просто примиряемся, заключается в ослаблении физических эффектов при отдалении от их источника. Источники света кажутся тусклее, гравитация ослабляется, магниты действую слабее, и т.п. И наиболее часто этот эффект подчиняется закону обратных квадратов – то есть, при удвоении расстояния до источника эффекта он становится в четыре раза слабее. Однако для гравитационных волн это не так, что и удивляет читателя, спрашивающего меня:

Вы утверждали, что:

1) Сила гравитации изменяется по квадратичной зависимости от расстояния.

2) Сила гравитационных волн, обнаруженных LIGO, изменяется прямо пропорционально расстоянию.

Как это сочетается друг с другом?

Это удивляет практически всех людей, впервые сталкивающихся с этим, даже некоторых профессиональных физиков. Но это так! И вот, почему.

Закон всемирной гравитации Ньютона (слева) и закон Кулона для электростатики (справо) почти идентичны. И оба следуют закону обратных квадратов.

Находясь рядом с любой массой Вселенной, мы обычно представляем себе, что она действует на нас гравитационной силой. Вы, конечно, тоже действуете на неё с такой же по величине и противоположной по направлению силой, однако нас больше интересует величина этой силы. По Ньютону, эта сила меняется, как 1/r^2 – ослабляясь с удалением от источника.

Увеличьте расстояние в два раза, и от силы останется только четверть; увеличьте расстояние в 10 раз, и от неё останется только 1%. Мы зовём это законом обратных квадратов – сила уменьшается, как квадрат расстояния. И на больших расстояниях, даже при переходе от Ньютоновского тяготения к Эйнштейновской общей теории относительности, это остаётся верным.

Искривление пространства-времени гравитационными массами в рамках мировоззрения общей теории относительности. На удалении от массы сила изменяется на величину 1/r^2.

Так работает большинство взаимодействий, распространяющихся на большие расстояния. Так работает гравитация. Так работает электрическая сила. И ещё одно явление, с которым вы можете быть знакомы: свет. Любой источник света по Вселенной имеет присущую ему светимость: внутреннюю яркость. Однако то, что мы видим в качестве яркости объекта – и называем видимой яркостью – зависит от расстояния до источника света.

Как зависит яркость от расстояния? Так, как вы могли подозревать: как 1/r^2. Источник испускает фиксированное количество фотонов, квантов света, и количество перехваченных вами фотонов определяет воспринимаемую вами яркость. И хотя наши органы чувств ощущают яркость логарифмически, а не по такому закону, физический показатель яркости ведёт себя именно так.

Взаимосвязь яркости с расстоянием и убывание светимости по закону обратных квадратов

Можно ожидать, что гравитационные волны будут вести себя точно так же. Когда две массы вращаются вокруг друг друга, сближаясь по спирали, сливаясь или как-то ещё двигаясь в изменяющемся гравитационном поле, рождается гравитационное излучение (или гравитационные волны). Эти волны, как и свет, распространяются наружу, покрывая всё пространство, как и следовало ожидать от любой формы излучения.

Гравитационные волны переносят определённое количество энергии, фиксированное при их перемещении. Если вы находитесь на определённом расстоянии, вы испытаете определённую величину воздействия гравитационной волны.

Когда две массы вращаются вокруг друг друга, сближаясь по спирали, сливаясь или как-то ещё двигаясь в изменяющемся гравитационном поле, рождаются гравитационные волны

Но вот, в чём загадка: зависимость этого сигнала от расстояния вовсе не будет равной 1/r^2. Он будет просто обратно пропорционален расстоянию: 1/r. Если вы отдалитесь от источника волн на удвоенное расстояние, сигнал будет слабее в два раза, а не в четыре. Если вы отодвинетесь на расстояние в 10 раз больше, сигнал составит 10% от начального, а не 1%.

Преимущества этого видны сразу: сигнал, подчиняющийся обратному закону, остаётся гораздо сильнее сигнала, подчиняющегося закону обратных квадратов. Это даёт нам надежду на обнаружение сверхдальних гравитационных волн, а если мы построим в 100 раз более чувствительный детектор, мы сможем заглянуть в 100 раз дальше, в отличие от случая со светом, когда в 100 раз более чувствительный детектор позволяет нам заглядывать всего в 10 раз дальше.

Дальность возможностей Advanced LIGO и его способности обнаруживать слияние чёрных дыр. Слияние нейтронных звёзд можно обнаружить на расстоянии в десять раз меньше, и его объём составляет всего 0,1%, однако это событие должно случаться чаще слияния чёрных дыр. Увеличение чувствительности детектора в 10 раз увеличивает расстояние, на которое мы можем заглянуть, в 10 раз, что даёт нам увеличение объёма в 103 – 1000 раз.

Вот, что происходит. Но описание явления не объясняет, почему оно происходит именно так. Конечно, здорово иметь возможность заглядывать так далеко, и что эффект убывает гораздо меньше с расстоянием, чем можно было ожидать. Это увеличивает ваши возможности по дальности, что жизненно важно, если учесть, что гравитационные волны изначально очень слабы.

Но если представить себе свет – электромагнитное излучение – как набор частиц, разброс которых растёт при удалении от их источника, можно представить себе, что его яркость связана с количеством частиц, попадающих в телескоп.

Почему же нельзя представить себе гравитационное излучение в виде набора частиц (к примеру, гравитонов), которые излучаются и таким же образом отдаляются друг от друга? Почему они не будут масштабироваться, как свет?

Иллюстрация слияния двух нейтронных звёзд. Справа показана материя звёзд, слева – искажение пространства-времени вблизи точки столкновения. В случае чёрных дыр сигналов, связанных с материей, не ожидается, однако благодаря LIGO и Virgo, мы можем обнаруживать гравитационные волны.

Во-первых, свет и гравитационные волны фундаментально похожи по следующим причинам. Они:

- переносят энергию,

- распространяются на неограниченные расстояния,

- расходятся наружу в пространство, сохраняя по мере удаления от источника примерно сферическую форму,

- поддаются обнаружению на определённом расстоянии пропорционально величине сигнала.

Геометрия пространства для света и гравитации одинакова, поэтому разница в их поведении должна заключаться в природе сигнала.

Чтобы разобраться в этом, нам нужно понять, в чём гравитация фундаментально отличается от электромагнетизма. Это позволит нам лучше понять, почему гравитационное излучение (наши гравитационные волны) ведёт себя не так, как электромагнитное излучение (свет), при распространении по бескрайним просторам межгалактического пространства.

Анимация, показывающая, как пространство-время реагирует на движение сквозь него массы, демонстрирует, что искривляется не просто какая-то ткань пространства, а всё трехмерное пространство.

Как мы можем создать электромагнитное или гравитационное излучение? Самый простой способ из тех, что можно придумать – спонтанно создать или уничтожить заряд в каком-то участке пространства (спойлер: это не сработает). Внезапное появление или исчезновение заряда создаст излучение весьма определённого типа: монопольное. Монопольное излучение появляется при изменении количества заряда.

Однако сделать этого ни для электромагнетизма, ни для гравитации не получится. В электромагнетизме сохраняется заряд; в гравитации сохраняется масса/энергия. Отсутствие монопольного излучения важно для стабильности Вселенной. Если бы заряд или масса спонтанно появлялись бы или исчезали, то наш мир был бы совершенно другим!

В электромагнетизме при наличии двух типов зарядов движение одного из них или разделение зарядов нейтральной системы порождает дипольное излучение. Гравитация работает по-другому.

Если заряд и масса/энергия сохраняются, тогда следующим шагом будет либо быстро двигать заряды (или массы) туда и сюда, или взять заряды разного знака и изменить расстояние между ними. Это породит то, что мы называем дипольным излучением, изменяющим распределение заряда без изменения его общего количества.

В электромагнетизме это порождает излучение, поскольку движение электрического заряда туда и сюда меняет сразу и электрическое, и магнитное поля. А это важно, поскольку электромагнитная волна – это на самом деле и есть изменение синфазных электрического и магнитного полей, перпендикулярных друг другу. Это простейший способ получить свет, и излучается он привычным вам способом. Свет переносит энергию, и её мы и обнаруживаем – и поэтому объекты кажутся в r^2 раз тусклее, чем есть на самом деле.

Электромагнитная волна и есть изменение синфазных электрического и магнитного полей, перпендикулярных друг другу. Мельчайшая единица (квант) электромагнитного излучения – это фотон. Это разновидность дипольного излучения, возможного в электромагнетизме, но запрещённого в гравитации.

Но в случае гравитации свободно движущаяся масса не порождает гравитационного излучения, поскольку существует правило сохранения для движущихся масс: сохранение импульса. Разделение масс тоже не порождает гравитационного излучения, поскольку центр масс остаётся постоянным. Также существует правило сохранения для масс, движущихся на определённом расстоянии от центра масс: сохранение углового импульса.

Поскольку энергия, импульс и угловой импульс сохраняются, нужно выйти за рамки монопольного и дипольного импульсов; необходимо определённое изменение распределения масс вокруг общего центра масс. Проще всего представить это – взять две массы и закрутить их вокруг общего центра масс, что даст нам то, что мы называем квадрупольное излучение.

Гравитационные волны распространяются в одном направлении, сжимая и расширяя пространство в перпендикулярных направлениях, определяемых поляризацией гравитационной волны.

Амплитуда гравитационного квадрупольного излучения падает как 1/r, что означает, что общая энергия падает, как 1/r^2, как и в случае электромагнитного. Однако тут срабатывает фундаментальное отличие гравитации и электромагнетизма. Есть большая разница между тем, что можно физически обнаружить при квадрупольном или дипольном излучении.

При электромагнитном (дипольном) излучении, когда фотоны сталкиваются с детекторами, они поглощаются, вызывая изменение уровня энергии, и это изменение – которое падает, как 1/r^2 – и есть наблюдаемый сигнал. Поэтому объекты выглядят тусклее по закону обратного квадрата.

Гравитационное (квадрупольное) излучение не поглощается детектором напрямую. Оно заставляет объекты сдвигаться или расходиться пропорционально амплитуде волны. И хотя энергия падает, как обратный квадрат, амплитуда падает, как 1/r. Поэтому гравитационные волны ослабляются по закону, отличному от электромагнитных.

Детектор гравитационных волн Virgo. Это гигантский лазерный интерферометр Майкельсона с плечами в 3 км длиной и двумя четырёхкилометровыми детекторами LIGO.

Поэтому нам требуется такая невообразимая чувствительность, когда мы пытаемся измерять гравитационную волну. Хотя она переносит огромное количество энергии, её амплитуда чрезвычайно мала. Первая обнаруженная нами гравитационная волна была испущена в результате слияния двух чёрных дыр, произошедшего за 0,2 сек и кратковременно испустившего больше энергии, чем все звёзды в обозримой части Вселенной, вместе взятые.

Но полученная нами амплитуда сжала и расширила всю Землю на величину порядка трёх диаметров протонов. Энергия была огромной и падала, как 1/r^2, но мы не можем обнаружить энергию гравитационных волн. Мы можем обнаружить только их амплитуду, которая к счастью падает только как 1/r, что очень хорошо.

Когда два плеча сохраняют абсолютно одинаковую длину и через них не проходят гравитационные волны, сигнал равен нулю, а картина интерференции не меняется. С изменением длин плеч сигнал колеблется, а интерференция предсказуемым образом меняется со временем.

Будущее гравитационно-волновой астрономии стало ярким с тех пор, как мы смогли улавливать эти крохотные амплитуды. Уже сейчас LIGO и Virgo готовятся к третьему эксперименту с гораздо более чувствительными параметрами. Мы ожидаем, что они будут выдавать не менее одной новой гравитационной волны в неделю, и возможно, по одному новому источнику в день.

Но если бы мы как-то смогли обнаруживать не амплитуду, а энергию, это произвело бы революцию. Даже самый слабый источник гравитационных волн из всех, что мы видели, слияние нейтронных звёзд в 2017 году, передало к нам больше энергии, чем передаёт электромагнитного излучения самая яркая звезда в нашем небе, Сириус.

Гравитационные волны – совершенно новый тип астрономии, и наибольшее значение для нас имеет их амплитуда. Излучение может фундаментально отличаться по своей природе от привычного нам света, но как только мы выяснили, как его обнаруживать, назад поворачивать уже не стоит. Теперь мы можем исследовать всю Вселенную через совершенно новую форму энергии.

Источник / Мои переводы

Участвую в двух АДМ-обменах, отправил свои посылочки заранее, и все уже всё получили.. А мне никак всё не отправляют.. Жду, надеюсь, волнуюсь!

И вот! Тот самый момент! "Вам отправлен подарок".

Отслеживаю по трекинг-номеру почты. Подарок летит из солнечного дождливого Питера. Что там? Поребрик? Кура? Пышки?

Интрига.

И вот, день Д. "Посылка находится в вашем отделении". Бегу. О чудо - коробка нашлась!

Что же там внутри?

Коробка хитроумной новой конструкции от почты РФ. Как она раскрывается? Непонятно. Рву зубами.

А внутри - ...

Книга - лучший подарок (тм). Чипсы - вот, что я люблю (тм). Шоколадки - а кто их не любит?? (Шоколадки, прилетевшие из Питера в Москву, сделаны в Люберцах :))

Новогодняя открыточка. Поставил на каминную полку, пусть создаёт праздник.

Медиаторы - а значит, Дедушка читал мой текст "о себе". Приятно.

И что забавно - по цвету подходят к гитаре :))

Итог: праздник к нам приходит!