Samknot

После 80-летних безуспешных поисков физикам, наконец, достоверно удалось получить металлический водород. Именно в такой форме он существует в недрах гигантских планет – и может использоваться в технологиях будущего.

Исаак Силвера (Isaac Silvera) и Ранга Диас (Ranga Dias) из Гарвардского университета использовали алмазные наковальни, создав сверхвысокое давление, превышающее давление в центре Земли. Это позволило сблизить атомы водорода в образце настолько тесно, что их электроны «обобществились» и стали двигаться по свободным траекториям, обеспечивая электропроводность и другие свойства металлов. О долгожданном событии авторы рассказывают в статье, опубликованной журналом Science.

Еще в 1935 г. физик и теоретик, будущий лауреат Нобелевской премии Юджин Вигнер предсказал, что при давлении выше 25 ГПа (250 тыс. атмосфер) молекулярный водород должен совершать фазовый переход и становиться металлическим. Такое давление в сотни раз выше, чем на дне Бездны Челленджера в Тихом океане, так что воспроизвести нужные условия долгое время не было никаких возможностей.

Более того, по мере развития физики и квантовой механики стало ясно, что металлический водород требует еще более высоких давлений: 400–500 ГПа, выше, чем в центре Земли. За последние 20 лет было сделано несколько сообщений о его получении в лаборатории, но данные экспериментов оказались не слишком надежными и не раз подвергались критике. Летом 2016 г. Исаак Силвера и его коллеги добились нужного перехода – но всего на доли секунды – и намерены были подтвердить достижение еще раз.

В новых экспериментах команде Силверы удалось получить давление 495 ГПа, сжав образец между заостренными и тщательно обработанными концами пары искусственных алмазов. Дополнительную прочность этой «наковальне» придало напыление из оксида алюминия, непроницаемого даже для мельчайших атомов водорода. Ученые зафиксировали, что при сравнительно низких давлениях образец водорода оставался прозрачным (и непроводящим), затем потемнел, а при 495 ГПа стал блестящим, отражая свет, как самый настоящий металл.

Dias & Silvera, 2017

Металлический водород интересует ученых с самых разных сторон. Его крайне интересно изучить, поскольку именно в этой форме водород существует в недрах крупных небесных тел, таких как Юпитер. Но он же может найти применение и на Земле – в качестве компонента нового поколения ракетного топлива и просто электроники. Теория предсказывает, что металлический водород должен быть высокотемпературным сверхпроводником, за которым так давно охотятся физики.

Более того, согласно некоторым моделям, металлический водород можно будет использовать в самых обычных условиях. Предполагается, что огромное давление требуется лишь для его образования, а впоследствии он сохранит это состояние даже при комнатной температуре и давлении в одну атмосферу. Выяснить это мы можем уже довольно скоро.

Источник

Статья в Science

Гибкий термочувствительный материал сделает кожу роботов будущего органом инфракрасного зрения, который сможет фиксировать малейшие перепады температуры.

Гремучие змеи – одни из самых опасных в мире. Между глазами и ноздрями у них расположена пара ямок, играющих роль дополнительного органа инфракрасного («теплового») зрения. Итальянские и швейцарские ученые решили создать его искусственный аналог. В статье, представленной на сервисе препринтов arXiv, ученые отмечают, что их прототип примерно вдвое чувствительнее температурных рецепторов нашей собственной кожи.

Рафаэлле ди Джиакомо (Raffaele Di Giacomo) и его коллеги использовали гибкие и прозрачные пленки из пектинов – широко распространенных в природе полисахаридов. Тонкие пектиновые мембраны погружали в хлорид кальция, и включение ионов кальция делало их чувствительными к изменениям температуры. Пленки реагировали на нее движением ионов, меняя сопротивление. Это регистрировали подключенные к ним микроэлектроды, сумев заметить перепады всего в 0,001 К.

По словам разработчиков, это позволяет зарегистрировать теплое тело размером с кролика на расстоянии до метра, что ученые и продемонстрировали, нагрев плюшевого мишку в микроволновке и разместив на нужной дистанции от системы.

Джиакомо и его соавторы поясняют, что их устройство намного проще и дешевле в изготовлении, чем любые аналоги, и чувствительно к большему диапазону температур. Авторы надеются, что в будущем такая пленка станет основой для роботов, действующих в тесном контакте с людьми, в толпе, ведущими поиск и разведку. Она даст им не просто «змеиное» инфракрасное зрение, но и сделает его всенаправленным – на все 360°.

Источник

Одна из практических задач, которую решает современная астрофизика, это поиск ответа на вопрос «Как появилось все вокруг?» То есть как образовалась планета Земля, как и когда появилось Солнце, что привело к формированию нашей галактики? Сейчас человечество знает о существовании миллионов галактик, но наш дом — это Млечный Путь и поэтому ученые стремятся как можно лучше понять механизмы, которые сделали нашу Галактику такой, какой мы ее видим. Мы не можем непосредственно посмотреть на то, каким был Млечный Путь в прошлом, но — спасибо конечной скорости света — мы видим далекие галактики такими, какими они были миллионы и миллиарды лет назад. Поэтому логичным шагом будет попытаться найти галактики, которые могут напоминать нашу в молодости. И изучая их, понять, как она выглядела и формировалась на ранних этапах своей эволюции.

Мы уже много знаем про Млечный Путь — его размеры, массу, сколько новых звезд в нем образуется (около 1,7 в год). Но это все «статичные» цифры, они говорят о том, что есть сейчас, а интереснее и полезнее для науки узнать динамику — как галактика набирала массу со временем, сколько лет у нее на это ушло, были ли периоды, когда появлялось особенно много звезд?

Именно этой проблеме посвящена статья, принятая к публикации в январском выпуске журнала Nature Astronomy. Группа ученых под руководством Кейси Паповича наблюдала четыре некрупные молодые галактики, свет от которых шел до нас 9 миллиардов лет. Найти еще более древних предков Млечного Пути, которому от 10 до 13 миллиардов лет, трудно, потому что чем галактика меньше, тем она обычно тусклее и тем труднее ее обнаружить и тем более измерить ее характеристики.

Галактики, ставшие предметом исследования, известны уже давно — их наблюдали телескоп Хаббла в 2011 году и один из двух 6,5-метровых Магеллановых телескопов в 2014-м. Что же привлекло к ним внимание ученых в 2016-м? Дело в том, что в этом году в рамках проекта изучения галактик на больших красных смещениях ZFOURGE Магелланов телескоп исследовал более 24 тысяч галактик, часть из которых была уже известна, и оказалось, что семь из них по своим характеристикам напоминают Млечный Путь в далеком прошлом. У них примерно в пять раз меньше звезд, а скорость звездообразования, наоборот, в 20 раз выше, нет признаков активных ядер или последствий недавних столкновений с компаньонами. Эти семь галактик были отобраны для более детальных наблюдений с помощью радиотелескопа ALMA, но позже их число сократилось до четырех — работая с крупнейшими мировыми телескопами, всегда приходится мириться с недостатком выделяемого на наблюдения времени.

Отдельно надо заметить, что такой детальный анализ удаленных маломассивных галактик раньше требовал более 25 часов непрерывного наблюдения крупнейших одиночных радиотелескопов. Комплекс ALMA позволяет добиться того же качества данных всего за 40 минут!

Изображения двух галактик, полученные телескопом Хаббла. Белыми контурами обозначен обнаруженный телескопом ALMA угарный газ. В правом нижнем углу указан масштаб картинки в килопарсеках.

C.Papovich et al, 2016

Почему для изучения галактик понадобился именно радиотелескоп? Дело в том, что видимый свет, который приходит к нам от них, как ни странно, говорит о галактике очень мало — часть света поглощается пылью и газом, которых в достатке в молодых формирующихся галактиках, часть звезд слишком маленькие и тусклые, чтобы быть заметными. К тому же на таком удалении, из-за расширения Вселенной и эффекта Доплера, регистрируемая длина волны будет примерно в два раза больше той, что мы получили бы, будь галактика рядом с нами. Это значит, что часть оптического света перейдет в инфракрасную область, где чувствительность телескопов намного ниже. Кроме того, даже пересчитав все звезды, мы не определим очень важный параметр — сколько в галактике холодного молекулярного водорода, строительного материала для звезд. А это очень важная характеристика.

Вообще, нейтральный холодный водород — это молекула, которую чрезвычайно трудно наблюдать. Она симметрична и не имеет собственного дипольного момента — то есть почти не излучает электромагнитные волны из-за вращательных или колебательных переходов. Вращательные моменты более высоких порядков — мультиполи — у молекулы водорода присутствуют, а значит, возможно спонтанное излучение фотона. Но, во-первых, это маловероятное событие (время жизни молекулы в таком состоянии может составлять 100 лет), а во-вторых, такие переходы возможны только при высоких температурах (порядка 100 кельвин), и это наиболее печально. Получается, что прямых способов обнаружить холодный молекулярный водород почти нет. Однако, можно использовать какой-нибудь другой элемент или молекулу, которая будет присутствовать в водородных облаках и излучать на удобных нам длинах волн. Следующие по распространенности элементы в космосе после водорода — это гелий, углерод и кислород. Гелий не подходит — это одноатомный газ, который почти не излучает в космосе, а вот углерод и кислород образуют несимметричную молекулу CO (угарный газ), которая как раз очень привлекает ученых.

Переход фотонов между вращательными уровнями молекулы CO соответствует инфракрасному излучению, эти переходы происходят при температурах всего в несколько кельвин. Из-за сравнительно малой плотности этих молекул в космосе не происходит явления самопоглощения (то есть фотон, испущенный одной молекулой, имеет мало шансов поглотиться другой такой же молекулой). Да, утверждать в одном абзаце, что молекул CO и много и мало одновременно — это очень по-астрофизически, но вывод тут однозначен: свойства молекулы угарного газа прекрасно подходят для ее обнаружения в далеких галактиках. А где угарный газ — там и водород, просто потому что если где-то в космосе есть любой газ, то там будет и водород. Причем, что особенно важно, холодный! Важно, потому что только облака холодного водорода могут сжиматься под действием собственной гравитации — если температура облака выше нескольких десятков кельвин, то собственная кинетическая энергия молекул будет слишком большой и оно не сожмется, а значит, и звезда никогда не образуется. Перевести полученные спектры угарного газа в полную массу водорода можно по хорошо проверенным формулам.

Именно для этого нужен радиотелескоп, и тут проявляется все технологическое совершенство телескопа ALMA — он смог обнаружить линии излучения фотонов в угарном газе четырех галактик, удаленных от нас на 8,5 миллиарда световых лет. И это первый раз, когда подобные измерения сделаны для столь маленьких галактик.

Связь между долей водорода в галактике (вертикальная шкала) и массой галактики (горизонтальная шкала). В левом верхнем углу красным обозначены 4 галактики из статьи. Снизу по центру — галактики современной Вселенной, которые похожи на Млечный Путь. В течение следующих восьми миллиардов лет молодые галактики исчерпают свои запасы водорода и мигрируют вправо и вниз, присоединившись к большой группе современных спиральных галактик средней массы.

C.Papovich et al, 2016

Оказалось, что эти молодые галактики уже на такой ранней стадии своей эволюции имеют колоссальные запасы строительного материала для звезд — масса газа превышает массу всех звезд в них, в то время как в нашей Галактике масса звезд в десять раз больше массы газа. Теперь понятно, как им удается поддерживать такой высокий темп звездообразования!

Это открытие важно само по себе — оно дает представление о молодом Млечном Пути, его массе и составе, но статья этим не ограничивается: одним из выводов работы стало разрешение противоречия между двумя теориями образования галактик. Согласно одной, галактики образуются, уже имея достаточные запасы водорода, чтобы сразу начать звездообразование. Вторая же утверждает, что, по мере роста галактики, на нее падает все больше и больше водорода из межгалактического пространства и это помогает поддерживать высокий темп формирования новых звезд в первые несколько миллиардов лет. Четырем галактикам из этой статьи уже больше трех миллиардов лет, и такие запасы водорода однозначно указывают на «подпитку» галактики снаружи. Если посчитать, что весь накопленный к этому моменту газ будет использован для «постройки» звезд (это упрощенный подход, обычно КПД галактики намного ниже), то эти галактики уже почти набрали достаточно газа, чтобы в будущем сравняться с Млечным Путем по количеству звезд. Это поможет ученым установить, на каком этапе жизни нашей Галактики иссякли запасы водорода и из очень бурного и неспокойного места для обитания она стала такой тихой и предсказуемой, какой мы наблюдаем ее сейчас.

Еще одним результатом группы Паповича было то, что спектры угарного газа, полученные ALMA, обнаруживают признаки вращения галактик, по крайней мере у трех из четырех. Это важно, потому что позволяет лучше понять динамику формирования галактики — чем раньше она начинает вращаться, тем быстрее у нее появятся спиральные рукава, как у Млечного Пути.

Распределение скоростей газа по диску одной из галактик. По горизонтальной оси отложено расстояние от центра, по вертикальной — скорость газа. Желтым выделена центральная область, которая лучше всего описывается красной двугорбой функцией, — это явное свидетельство вращения галактики.

C.Papovich et al, 2016

Недавно авторы статьи получили наблюдательное время на телескопе ALMA в 2017-м году. В их планах — измерить температуру и плотность газа, из которого формируются звезды. Это должно позволить ученым построить карту очагов звездообразования — тех областей, в которых из холодного водорода под действием гравитации образуется плотный горячий кокон, где начинает идти термоядерная реакция — и зажигается звезда.

Источник

Обычные жертвы южноамериканских летучих мышей-вампиров – это птицы, в том числе домашние куры. Лишь недавно ученые продемонстрировали переход одной из их популяций к питанию человеческой кровью.

Слава кровососущих летучих мышей куда обширнее их реального распространения и тем более – опасности. Сегодня известно всего три вида крошечных рукокрылых вампиров, все они обитают в Центральной и Южной Америке и предпочитают кровь птиц млекопитающим, а тем более человеку. Однако 20-граммовые мохноногие Diphylla ecaudata, живущие на севере Бразилии, демонстрируют стремительную адаптацию к питанию кровью людей. Отчет об этом зоолог Энрико Бернард (Enrico Bernard) и его коллеги опубликовали в журнале Польской академии наук Acta Chiropterologica.

Из всех трех видов вампировых летучих мышей только десмоды (Desmodus rotundus) более-менее регулярно питаются кровью млекопитающих, но и для них люди совсем необычная цель: сообщения об укусах человека крайне редки. Ну а мохноногие Diphylla ecaudata питаются почти исключительно птичьей кровью, часто посещая курятники, но никак не их владельцев.

В самом деле, расширение источников пищи для них совсем непросто и требует серьезных адаптаций. В крови млекопитающих, в сравнении с птицами, меньше воды и жиров, но больше белковых компонентов, и десмоды развили способность лучше усваивать белки, которые считались недоступными двум другим видам вампировых летучих мышей, в том числе и мохноногим. Да и те переходят на питание кровью свиней и коз, как считается, лишь в случае серьезной нехватки более подходящей им птичьей крови. Тем неожиданнее оказалась находка, сделанная Бернардом и его коллегами.

Ученые собрали 15 образцов экскрементов D. ecaudata в тропическом листопадном редколесье (каатинге) на севере Бразилии. Проанализировав присутствующую в них ДНК, они с удивлением обнаружили смесь генов – и птичьих, и человеческих, что явно указывает на смешанное питание этих летучих мышей.

Авторы отмечают, что эта адаптация могла развиться в ответ на вырубку лесов и сокращение численности их жителей, обычных жертв мохноногих вампиров, местных птиц – пенелоп (Penelopinae), тинаму (Tinamidae) и темнохвостых голубей (Patagioenas). По мнению ученых, это заставило вапмиров активнее охотиться на домашнюю птицу и все теснее сближаться с человеком. «Жилищные условия здесь обычно крайне бедны, люди живут в тесном контакте с домашними животными», – объяснил Энрико Бернард в интервью The New Scientist.

Необычный случай представляет большой интерес для ученых. Им еще предстоит выяснить, какие именно изменения произошли с желудочно-кишечным трактом и со слюной D. ecaudata, дав им возможность эффективно питаться человеческой кровью. Они ожидают найти как минимум новые механизмы для эффективного переваривания белков в условиях нехватки жиров – а возможно, и мощные антикоагуляционные средства, адаптированные для нашей крови.

У обычных же людей находка вызывает серьезную обеспокоенность: летучие мыши известны своей способностью переносить поразительное количество опасных для людей вирусов. И если обычно для передачи болезни требуется третий участник – например, комар, кусающий и людей, и рукокрылых, – то в новой ситуации инфекции смогут распространяться куда проще и быстрее.

Источник

Как известно, антиматерия невероятно нестабильна, а потому ее детальное изучение практически невозможно даже в лабораторных условиях. Команда физиков из ЦЕРН смогла не только стабилизировать антивещество на сравнительно долгое время, но еще и произвести необходимые измерения, которые в будущем могут пролить свет на парадокс Большого взрыва.

Антиматерия, «зеркальный близнец» обычного вещества, является весьма привередливым материалом. За последние 20 лет ученым удалось создать лишь простейшие атомы антивещества, которые можно поддерживать в сравнительно стабильном состоянии. Теперь же они пошли дальше и сделали первые измерения внутренней структуры антиводорода.

Водород — первый элемент в периодической таблице, который состоит из одного протона и одного электрона, вращающегося на его орбите. Соответственно, антиводород состоит из антипротона и антиэлектрона, т.н. позитрона. Если позитрон и электрон сталкиваются, они аннигилируют друг друга, в результате чего высвобождается энергия. Тот же принцип работает и при взаимодействии пары протон-антипротон. Поскольку наша Вселенная буквально переполнена различными сочетаниями протонов и электронов, сохранять античастицы продолжительное время весьма проблематично даже в лабораторных условиях.

Именно эту задачу хотят решить физики из Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA), одного из подразделений ЦЕРН. Они создают вакуум в намагниченной емкости, а затем внедряют в нее позитроны и антипротоны. В идеале, при таком сочетании колба будет удерживать систему в стабильном состоянии, после чего ученые смогут внимательно изучить ее с помощью лазерных технологий. Несколько лет назад им уже удавалось «запереть» антиводород на целых 15 минут — дольше, чем все предыдущие эксперименты. Во время последнего опыта, команде ALPHA все-таки удалось провести исследование, и результаты были опубликованы на портале Nature.

Джеффри Хангст, представитель ALPHA, считает, что ученые совершили то, что раньше считалось практически невозможным. В самом деле, он и его коллеги впервые провели спектроскопические измерения антиводорода. Спектроскопия — это методика, позволяющая выявить внутреннюю структуру атомов. Мы привыкли представлять отношения электрона и протона как нечто вроде планеты, которая вращается по фиксированной орбите вокруг звезды, но на самом деле электрон может занимать «орбиту» одного из нескольких энергетических уровней. Когда вы освещаете атом, электрон использует энергию фотонов, чтобы подняться на более высокий уровень, а потом снова спускается вниз, высвобождая избыток энергии в форме светового излучения.

Так выглядит ловушка для антиматерии

Поскольку энергетические уровни располагаются на определенном, фиксированном расстоянии, электроны всегда поглощают и излучают вполне конкретное количество энергии. В результате это отражается на цветовой гамме светового излучения. К примеру, если вы хотите возбудить одинокий электрон атома водорода и перевести его с базового состояния до следующего уровня, то вам нужно осветить атом лазерным лучом со строго определенной длиной волны.

Для того, чтобы выполнить тот же тест с участием антиводорода, исследователи из ALPHA для начала должны были синтезировать и стабилизировать его, что, как мы помним, уже является подвигом само по себе. После этого на него необходимо воздействовать лазером, но вот проблема: если в экспериментах с водородом ученые располагали примерно триллионом атомов, то в данном случае их было всего… 15. Разумеется, при таких обстоятельствах работа становится гораздо сложнее и требует куда более тонкого, точечного подхода.

В будущем физики надеются произвести точные измерения энергетических уровней антиводорода и, сравнить их с обычным водородом, выяснить, чем еще может отличаться материя от антиматерию. Это может стать одним из ключевых факторов для понимания феномена Большого взрыва. Согласно современным теориям, во время этого события было произведено равное количество как материи, так и антиматерии. Поскольку эти вещества взаимно уничтожают друг друга во время контакта, в результате должно было образоваться огромное количество энергии и совершенно пустая, лишенная какого-либо вещества Вселенная. Если наука сможет ответить на вопрос, почему этого не произошло, возможно, нам придется полностью пересмотреть даже некоторые фундаментальные понятия физики.

Источник