космический ускоритель

Лазерный импульс врезается в облако газа и выбивает из него электроны, оставляя за собой пузырь — полость, где почти нет частиц. Этот пузырь летит сквозь плазму почти со скоростью света, а его стенки тянут за собой попавшие внутрь электроны, как быстроходный катер тянет за собой водного лыжника.

Ночное небо в нейтринном свете напоминает холст, над которым трудятся две руки. Одна держит широкую мягкую кисть — это остатки сверхновых, оболочки, оставшиеся после взрывов звёзд. Другая сжимает тонкое жёсткое перо — микроквазары, двойные системы, где чёрная дыра закручивает вещество в узкие струи.

Три дня подряд лазер бил в струю газа, и каждую секунду рождался пучок электронов с энергией, как у маленькой молнии. Раньше такие пучки получали только в огромных залах, где ускоритель занимает целое здание. Теперь вся установка уместилась в комнате и проработала без сбоев 72 часа.

В южном небе, за плотной завесой космической пыли, прячется источник гамма-лучей — самого энергичного света во Вселенной. Он светит так ярко, что его излучение пробивается даже сквозь эту завесу, но сам объект остаётся невидимым для оптических телескопов. Астрономы направили на соседние облака газа радиотелескоп ALMA и увидели узор, который выдал невидимку.

Обычный лазерный луч распространяется прямолинейно, подобно свету фонарика. Однако свет можно закрутить в спираль, напоминающую нить штопора. Такой луч несёт орбитальный угловой момент (ОУМ) — свойство, при котором свет не просто освещает, но и вращает всё, что встречает на пути. Физики направили этот закрученный свет в плазму, чтобы разогнать электроны.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стремительное расширение — инфляцию. Движущей силой этого процесса было гипотетическое поле инфлатона, чья энергия расталкивала пространство подобно тому, как дрожжи заставляют подниматься тесто.

Бильярдный шар щёлкает о другой в полной темноте. Звук удара и стук упавших в лузу шаров — вот и всё, что слышно. Примерно так физики изучают взаимодействия элементарных частиц при энергиях, которые ни один земной ускоритель не способен воспроизвести. В новой работе астрофизики превратили целые галактики в гигантские лаборатории, а детекторами стали кубические километры антарктического льда и воды Средиземного моря.

В недрах нейтронной звезды вещество сжато так сильно, что привычные протоны и нейтроны уступают место новым игрокам. Там рождаются гипероны — частицы, внутри которых живёт странный кварк. Вопрос о том, сколько энергии нужно, чтобы выдавить такой гиперон из ядерной среды, не праздный: от ответа зависит, устоит ли звезда или схлопнется в чёрную дыру.

Долгое время астрономы искали «фабрики» самых энергичных космических лучей — частиц, несущих в себе макромир, сжатый до размеров атомного ядра. Под подозрением были колоссальные области звездообразования вроде Лебедя OB2, где сталкиваются ветры молодых гигантов. Но природа, как фокусник, спрятала сердце ускорителя в ином месте — внутри тесной двойной системы.

В 1933 году Фриц Цвикки впервые заговорил о невидимой массе, удерживающей скопления галактик. Спустя десятилетия Вера Рубин нарисовала карту галактического вращения, выявив призрачное присутствие тёмной материи. Сегодня мы знаем, что она пронизывает космос, но её частичная природа остаётся неуловимой.

В конце 1990-х звёздное небо преподнесло сюрприз: Сол Перлмуттер и Адам Рисс обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. С тех пор главной загадкой остаётся тёмная энергия — субстанция, составляющая почти 70% космоса, но ускользающая от лабораторного изучения.

В созвездии Орла, на расстоянии около 40 тысяч световых лет от нас, работает один из самых мощных природных ускорителей в Галактике. Это микроквазар GRS 1915+105 — пара из обычной звезды и черной дыры. Черная дыра перетягивает на себя вещество звезды и выбрасывает его в виде двух узких струй, разогнанных почти до скорости света.

Гравитационные волны — рябь пространства-времени, порождённая далёкими катастрофами вроде слияния чёрных дыр, — настолько слабы, что зарегистрировать их напрямую всё равно что различить шёпот посреди урагана. Однако чёрная дыра способна многократно усилить этот сигнал.

Заводской лазер, который на производстве режет и сваривает металл, впервые заставили работать ускорителем частиц. Физики взяли стандартный иттербиевый лазер — его сердцевина из кристалла размером с ладонь — и превратили его вспышки в инструмент для разгона электронов почти до скорости света.

Космос полон невидимых спринтеров — частиц, мчащихся почти со скоростью света. Их ловят в солнечном ветре, у нейтронных звёзд и даже в межгалактической пустоте между галактиками. Но что разгоняет их там, где нет ни ударных волн, ни магнитных пересоединений?

Почти век космологи бьются над загадкой: что заставляет Вселенную расширяться всё быстрее? Стандартный ответ — тёмная энергия — порождает чудовищное расхождение между теоретической плотностью вакуума и наблюдениями. Но есть иной, переворачивающий причинность путь.

В жаркий полдень над городом нависает душное марево, а на горизонте ни облачка. Обычно в такую погоду остаётся только ждать, когда природа смилостивится и пошлёт прохладу. А что, если бы тень и дождь можно было включать по расписанию, как свет в комнате? Группа исследователей предлагает необычный инструмент для такой «погодной кнопки» — воздушный ускоритель протонов.

Камень падает в пруд, и по воде расходятся круги. Так и свет от далёких галактик расходится во все стороны — спокойно и размеренно. Но в центре некоторых галактик прячется не камень, а настоящая пушка: она выстреливает частицами с чудовищной силой. Астрономы называют такие объекты HSP BL Lac.

Сразу после Большого взрыва в космосе могли плавать сгустки весом в триллион солнц и с электрическим зарядом колоссальной силы — как триллионы наэлектризованных шариков.

Сразу после Большого взрыва пространство раздувалось с немыслимой скоростью — этот процесс называют инфляцией. Сегодня расширение Вселенной замедлилось, но галактики разбегаются всё быстрее.

В глубине Средиземного моря, где вода давит с силой сотен атмосфер, сеть светочувствительных шаров ждала редкого гостя. И он пришёл — нейтрино, которое пронесло через толщу Земли энергию, сравнимую с ударом летящего кирпича. Только вместо кирпича — крохотная частица, почти неосязаемая, но способная рассказать о самых бурных уголках космоса. Эту частицу назвали KM3-230213A.

Каждую секунду нас прошивают невидимые снаряды из глубин космоса. Это космические лучи — ядра атомов, разогнанные до скоростей, почти неотличимых от скорости света. Их энергия в сотни миллионов раз превышает ту, что доступна нашим самым мощным ускорителям. Откуда берётся эта чудовищная сила?

Воздушный шарик надувается сам по себе, хотя никто не дует. Примерно так выглядит ускоренное расширение Вселенной — и чтобы его объяснить, обычно привлекают тёмную энергию, невидимую и непонятную силу. Но что, если шарик раздувается потому, что внутри него непрерывно появляются новые молекулы воздуха?

Вселенная расширяется с ускорением, и причиной этого астрофизики считают тёмную энергию — загадочную субстанцию, создающую отталкивающий эффект в масштабах космоса.

Гамма-лучи с энергией выше ста триллионов электронвольт — как камни, брошенные с невероятной силой. Долгое время считалось, что запустить такие «камни» могут только протоны — тяжёлые частицы, разогнанные в космических ускорителях. Но новая работа показывает: иногда хватает и лёгких электронов.

В глубине созвездия Орла спрятана туманность, похожая на раздувающийся пузырь. Её надувает крошечная звезда размером с город — пульсар, который делает несколько оборотов в секунду и теряет энергию вращения. Обычно такие пузыри светятся ровно настолько, насколько силён их пульсар. Но этот пузырь, получивший имя «Ускоритель Орла», оказался ярче, чем положено.

Подобно тому как дрожжи превращают муку в пышное тесто, радиоактивная «приправа» от сверхновой — взрыва массивной звезды в конце её жизни — помогает слепить каменистую планету. Ключевой ингредиент здесь — алюминий-26, радиоактивный изотоп, который, распадаясь, выделяет тепло.

В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются друг от друга — Вселенная расширяется, подобно поднимающемуся тесту. Сегодня мы знаем, что это расширение ускоряется, и загадочный ускоритель принято называть тёмной энергией.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро коллапсирует, а внешние слои выбрасываются в пространство со скоростью в тысячи километров в секунду. Так рождается остаток сверхновой — расширяющееся облако ударно-сжатого газа, простирающееся на световые годы.