астрофизическая поляриметрия

Ночное небо кажется спокойным, но на самом деле сквозь нас постоянно пролетают невидимые частицы — космические лучи. Среди них есть электроны и их античастицы — позитроны. Когда они сталкиваются с детекторами на спутниках или воздушных шарах, приборы фиксируют их энергию.

На стене — чередование светлых и темных полос. Это классическая интерференционная картина, где свет, складываясь, гасит сам себя. Ещё в XVII веке Христиан Гюйгенс выдвинул гипотезу: свет — это волна. Однако решающий эксперимент поставили Араго и Френель в начале XIX века.

Свет от самого начала мироздания летит к нам 13,8 миллиарда лет. За это время его поляризация — направление колебаний электромагнитной волны — могла испытать поворот, словно стрелка компаса, которую незаметно подкрутили.

Обычный фонарик даёт свет, волны которого колеблются во всех направлениях сразу. Но если пропустить свет через специальный фильтр, можно получить луч, колеблющийся строго в одной плоскости — это поляризованный свет. Когда такой луч проходит сквозь биологическую ткань, её внутренняя структура слегка меняет ориентацию колебаний.

В центре многих галактик вращаются космические волчки невероятной мощи — сверхмассивные чёрные дыры. Их природу первым описал Шварцшильд сразу после того, как Эйнштейн подарил миру общую теорию относительности. Спин — такой же фундаментальный параметр, как масса, но куда более неуловимый.

Вселенная звучит тишиной. Львиная доля материи — около 85% — остаётся невидимой, проявляясь лишь через гравитацию. Ещё Вера Рубин показала, что галактики вращаются так, будто их окутывает незримая масса.

Чёрная дыра — не просто тёмный силуэт на фоне звёзд. Её тень окружена тонким светящимся кольцом из фотонов, которые наматывают круги вокруг горизонта событий, прежде чем улететь к наблюдателю. Обычно эта картина не зависит от поляризации света — то есть от того, в каком направлении колеблется электрическое поле волны.

В тесной двойной системе горячая звезда, словно прожектор, освещает своего более холодного спутника. Часть света рассеивается на свободных электронах в его атмосфере — это томсоновское рассеяние — и приобретает линейную поляризацию. По мере того как звёзды движутся по орбите, эта поляризация разворачивается, подобно стрелке причудливого космического метронома.

Волчок, который крутится так быстро, что заставляет свет вокруг себя заворачиваться в спирали, — удачный образ того, что происходит у горизонта черной дыры. Раскаленная плазма падает в нее и испускает радиоволны. Их поляризация (то, в какой плоскости колеблется волна) становится стрелкой, указывающей направление потока энергии.

Красные гиганты — это раздувшиеся стареющие звёзды, исчерпавшие водород в ядре. В их недрах бурлит океан плазмы: тепло пробивается от ядра к поверхности, рождая волны, похожие на могучий прибой. Магнитное поле внутри звезды работает как невидимый подводный рельеф — оно направляет эти волны, меняет их высоту и скорость.

Гравитационные волны — это колебания самой ткани пространства-времени, предсказанные общей теорией относительности.

Луч фонарика скользит по неровному стеклу. Стекло — это массивные скопления галактик, а фонарик — древний свет, рождённый вскоре после Большого взрыва. Проходя мимо таких скоплений, свет не просто огибает их, как вода камень. Его траектория слегка смещается вбок, и величина сдвига зависит от того, как свет «закручен» — вправо или влево.

Когда две чёрные дыры сливаются, они встряхивают саму ткань пространства-времени. Новорождённый гигант не успокаивается мгновенно — он звенит, словно космический колокол, испуская характерный рисунок затухающих гравитационных волн — так называемый рингдаун.

Рукав звёздной реки огибает центр далёкой галактики, словно светящаяся лента на невидимой оправе. Эта оправа — тёмное гало: огромное облако невидимой тёмной материи, которое своим притяжением удерживает звёзды и газ. Если гало сплюснуто, как тыква, или вытянуто, как дыня, звёздный поток будет изгибаться по-разному.

Нейтронная звезда 4U 1735-44 заглатывает вещество соседней звезды. Вещество закручивается в плоский диск, как вода, уходящая в слив ванны. Но этот диск светится в рентгеновских лучах, и астрономы впервые смогли измерить, насколько эти лучи «причесаны» — то есть поляризованы. Три телескопа — IXPE, NICER и NuSTAR — смотрели на объект одновременно.

Столкновение частиц на огромной скорости рождает целый ливень новых частиц. Среди них — антипротоны, близнецы обычных протонов, только с противоположным зарядом. У каждой такой частицы есть собственное вращение, как у теннисного мяча, посланного с подкруткой. Но закручены ли антипротоны при рождении — до сих пор никто не проверял.

Вокруг молодых звёзд кружатся диски из газа и пыли — строительный материал для будущих планет. Внутри этих дисков пылинки не просто летают как попало: они выстраиваются вдоль невидимых линий, по которым течёт газ. Недавно астрономы заметили, что пылинки в таких дисках ведут себя как воланы для бадминтона — всегда разворачиваются длинной стороной по ветру.

Луч света можно заставить выглядеть как цветок с несколькими лепестками. Если такой луч пропустить сквозь облако холодных атомов рубидия и включить магнитное поле, лепестки начнут поворачиваться. Угол поворота напрямую связан с силой поля.

Луч фонарика в тумане распадается на тысячи слабых пятнышек. Каждое из них — это свет, который много раз отразился от капель воды и лишь потом попал в глаз. Чтобы разобраться в этом беспорядке, физики составляют особую таблицу — матрицу рассеяния. В ней записано, как каждый входящий луч превращается в набор выходящих. Авторы новой работы взяли не туман, а одиночный стеклянный шарик — самый простой рассеиватель.

Свет от лазера — как идеально ровный ряд солдат на параде: все волны колеблются в одной плоскости. Такой свет называют поляризованным. В новой работе физики впервые получили поляризованные гамма-лучи, сталкивая электроны с мощным лазерным импульсом. Спектроскопия здесь не нужна — поляризацию измерили по разлёту нейтронов из дейтериевой мишени.

Нейтронная звезда размером с город крутится быстрее кухонного блендера и швыряет вокруг себя частицы. Вокруг неё возникает светящееся облако — его называют пульсарным гало. Форма этого облака зависит от невидимых магнитных полей, которые, как течения в океане, направляют частицы.

Солнце — не спокойный шар. Внутри него постоянно гуляют волны, как в колоколе после удара. Эти колебания выходят на поверхность и выдают, что происходит на обратной, невидимой стороне. Астрономы давно умеют «слушать» этот звон и находить там большие группы пятен. Но до сих пор не могли сказать главного: где у пятна северный магнитный полюс, а где южный.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, массивные объекты вызывают искривление пространства-времени — подобно тому, как тяжёлый шар прогибает натянутую резиновую плёнку. При ускоренном движении таких объектов рождается рябь — гравитационные волны, расходящиеся, словно круги от брошенного в пруд камня.

Бросьте в пруд горсть камешков — и расходящиеся круги пересекутся, создавая всплески и затишья. Примерно так же ведут себя гравитационные волны — колебания метрики пространства-времени, предсказанные Эйнштейном в общей теории относительности. Только колеблется не вода, а само пространство-время.

В огромном ускорителе частиц, где протоны на скорости, близкой к световой, врезаются в неоновую мишень, рождаются очарованные барионы — частицы, которые живут меньше миллиардной доли секунды. Учёные из коллаборации LHCb впервые сумели измерить, как эти частицы «крутятся» — точнее, как направлен их спин, — и обнаружили неожиданную разницу между частицами и их зеркальными двойниками.

В тёмном облаке L43, где рождаются звёзды, пылинки кружатся, как крошечные компасы. Свет от молодой звезды толкает их, а магнитное поле выстраивает в определённом направлении. Когда пылинка повёрнута к нам боком, её тепло приходит к нам поляризованным — как свет, прошедший сквозь узкую щель.

Свет от звезды HD 163296 проходит сквозь окружающий её газопылевой диск, как луч фонарика сквозь мутную воду. Частицы диска рассеивают свет, и он приобретает особое свойство — поляризацию: волны начинают колебаться в одной плоскости, словно верёвка, которую встряхивают строго вверх-вниз.

Терагерцовое излучение лежит между микроволнами и инфракрасным светом. Оно проходит сквозь одежду, бумагу и пластик, но задерживается водой и металлом. Поэтому такие волны используют в сканерах безопасности и для контроля качества материалов. Но у этого излучения есть ещё одно свойство — поляризация, то есть направление колебаний волны.

Реликтовое излучение — это слабое свечение, оставшееся после Большого взрыва, как остывающий след от костра. В нём зашифрованы гравитационные волны, которые могли возникнуть в первые доли секунды, когда Вселенная раздувалась быстрее света. Но между нами и этим древним светом висит пыль нашей Галактики.

Свет от далёких галактик проходит через линзы телескопа, как через стопку оконных стёкол. Каждое стекло покрыто тонкой плёнкой, чтобы меньше бликовать. Но эта плёнка работает как поляризационный фильтр: одна составляющая световой волны проходит чуть свободнее, другая — чуть хуже. В результате волна слегка поворачивается, и телескоп видит не ту картину, что была в небе.

Бросьте горсть камешков вдоль тесного ряда столбиков: они рикошетом разлетятся плотным веером. Бросьте под углом — и они рассеются. Гамма-лучи в кристалле ведут себя сходным образом: они порождают каскады вторичных частиц, которые расползаются в стороны, если атомные ряды кристалла не выстроены идеально. Но стоит совместить их с точностью до толщины волоса — и каскад стягивается в узкий направленный пучок.

Солнце — не просто раскалённый шар, а магнитный особняк. Его невидимые силовые нити, словно электропроводка, пронизывают пространство и управляют космической погодой. Но до сих пор мы видели эту «проводку» только с лестничной площадки — из плоскости земной орбиты. Роль чердака и подвала, то есть магнитных полюсов, оставалась тайной.

Чёрная дыра не просто поглощает материю — она, подобно гигантскому космическому водовороту, искривляет саму ткань пространства-времени, заставляя лучи света огибать себя и собираясь в фокус.

Вселенная заполнена невидимой массой — тёмной материей, которая проявляет себя только через гравитацию. Одна из гипотез предполагает, что тёмная материя состоит из первичных чёрных дыр — объектов, образовавшихся в экстремальных условиях сразу после Большого взрыва. Эти чёрные дыры могут иметь массу, сравнимую с астероидом, и размер меньше атомного ядра.

В обычном ферромагнетике спины электронов — их внутренние «магнитные стрелки», существование которых постулировал Вольфганг Паули, — ориентированы в одном направлении.

В ночь с 9 на 10 марта 2024 года облако плазмы, выброшенное Солнцем, неслось прочь от звезды. Оно уже миновало расстояние в пять солнечных радиусов, когда наземная решётка из 352 антенн в калифорнийской долине Оуэнс поймала от него короткий радиосигнал. Сигнал этот не был всплеском или шумом — он имел форму, по которой физики узнают почерк магнитного поля.

Телескоп ACT в чилийской пустыне Атакама всматривался в небо с 2007 по 2022 год. Его цель — реликтовое излучение, свет, который путешествует к нам 13,8 миллиарда лет. Этот свет поляризован: волны колеблются в определённых плоскостях, как струны, натянутые в разных направлениях. В идеально симметричной Вселенной эти плоскости оставались бы неизменными.

Спектр космических электронов — это как отпечатки пальцев на месте преступления. Частицы, прилетающие из глубин Галактики, несут в своих энергиях следы тех, кто их породил. Долгое время картина была смазанной: приборы с широкими энергетическими бинами, словно размытые фотографии, не давали рассмотреть детали.