ускорение ферми

В 1929 году Эдвин Хаббл навёл телескоп на далёкие галактики и обнаружил: они разбегаются. Девяносто лет спустя два измерения скорости этого разбегания — по древнему свету и по близким звёздам — упрямо не сходятся. Расхождение в 9% не спишешь на погрешность. Словно Вселенная в детстве и в зрелости живёт по разным часам. Представьте детские качели.

Световая ловушка удерживает атом почти неподвижно — как шарик на мягкой пружинке. Но стоит появиться ускорению, например силе тяжести, и равновесие смещается. Атом сдвигается в стоячей световой волне, и это меняет темп, с которым он обменивается энергией с полем. Частота такого обмена становится прямым индикатором ускорения.

Печь раскалена добела, но керамический порошок остаётся рыхлым. Включают электрическое поле — и за несколько секунд материал оседает, твердеет, превращается в прочный монолит. Этот приём называют flash-спеканием (от английского «вспышка»), и он экономит часы обжига и гигаватты энергии. Но что именно происходит с атомами в момент вспышки, оставалось загадкой.

В центре далёкой галактики, где вращается сверхмассивная чёрная дыра массой в сто миллионов солнц, пространство пронизано магнитными полями. Они закручены в тугие вихри — словно воронка в раковине, только вместо воды там плазма, разогнанная до околосветовых скоростей.

Пятнадцать лет наблюдений гамма-телескопа Fermi вскрыли трещину в полу Галактики. Южнее скопления Westerlund 1 — самого массивного молодого звёздного скопления в Млечном Пути — обнаружено протяжённое свечение, совпадающее с полостью в атомарном водороде. Это не просто ещё один пузырь, выдутый ветрами и сверхновыми.

Тёмная энергия — таинственная субстанция, ответственная за ускоренное расширение Вселенной, — возможно, ведёт себя не как постоянный фактор, а как переменчивая сила.

Вспышка длится тысячную долю секунды, но за это мгновение выбрасывает столько энергии, сколько Солнце излучает за день. Такие сигналы — быстрые радиовсплески — ловят телескопы с 2007 года, а их источник остаётся загадкой. Новая работа предлагает элегантный ответ: всё дело в космическом усилителе.

В огромных облаках разреженного газа, заполняющих пространство между звёздами, постоянно что-то бурлит. Взрывы сверхновых, сталкивающиеся потоки — всё это встряхивает плазму. И в этой ряби, как выяснилось, прячется механизм рождения магнитных полей. Плазма — это газ, в котором электроны оторваны от атомов.

Космос пронизан магнитными полями. Они есть у галактик, звёзд и даже в почти пустых войдах (огромных пустотах между скоплениями галактик). Обычно считается, что поля усиливаются из слабых «затравочных» полей благодаря турбулентности — как динамо-машина. Но природа самих затравочных полей оставалась загадкой. Новая работа предлагает неожиданный механизм.

Загадка быстрых радиовсплесков (FRB) — это не просто вопрос «что там взорвалось?». Это драма передачи энергии в экстремальных условиях, где малейшая заминка оборачивается крахом.

Почти полтора десятилетия назад гамма-телескоп Fermi зарегистрировал загадочные «пузыри» — гигантские сгустки плазмы, словно надутые невидимыми лёгкими, вздымающиеся на десятки тысяч световых лет от центра Галактики.

Массивная звезда не просто гаснет — она взрывается сверхновой, оставляя расширяющийся остаток и бешено вращающуюся нейтронную звезду — пульсар. В этой космической буре рождаются удивительные узоры, и система «Нимбус» — «Гром» стала их ослепительной иллюстрацией.

Когда электрический заряд движется с ускорением, он испускает электромагнитное излучение, то есть свет — это привычное явление в физике. Однако исследователи обнаружили, что при движении по специально подобранной траектории излучение приобретает необычные свойства.

В 1920-х Эдвин Хаббл заметил, что галактики разбегаются, — так было открыто расширение Вселенной.

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?

Когда массивная звезда взрывается сверхновой, её внешние слои разлетаются в пространство со скоростью тысячи километров в секунду. Возникает ударная волна — гигантский невидимый вал, который сгребает межзвёздный газ и пыль, как бульдозер.

Межзвёздное пространство не пустое: оно заполнено разреженным газом, который местами тёплый, местами холодный. Границы между такими областями напоминают стенки между мыльными пузырями. Когда сверхэнергичная частица — космический луч — налетает на такую стенку, магнитное поле там резко меняется, и частица отскакивает, как мячик от бортика.

Электронный пучок в ускорителе похож на стаю птиц: летит плотной группой, но со временем разлетается. Чтобы удержать частицы вместе, обычно ставят тяжёлые магниты. Здесь обошлись без них — пучок сам себя сжал. В эксперименте на установке FACET-II пучок из 10 миллиардов электронов (заряд 1 нКл) с энергией 10 ГэВ пропустили через стопку тонких металлических фольг.

Ударная волна в короне Солнца похожа на звуковой удар от самолёта, только вместо воздуха — раскалённая плазма, а вместо звука — скачок плотности и магнитного поля. 10 марта 2024 года такая волна прошла по западной части солнечного диска.

Мощный лазер бьёт по крошечной мишени — и та мгновенно превращается в облако раскалённого газа, плазмы. В этом облаке сами собой рождаются магнитные поля. Они, как невидимые руки, мешают теплу свободно уходить из горячего центра.

Гамма-всплеск — это как выстрел из космической пушки: короткая, но ослепительная вспышка, которая на несколько секунд затмевает целую галактику. Но если смотреть на неё в самый жёсткий гамма-диапазон (фотоны с энергией выше гигаэлектронвольта), то сигнал часто теряется в шуме — как тихий шёпот в шумном зале.

Физики заперли облачко атомов лития в оптический резонатор — между двумя зеркалами. Свет мечется внутри, словно в эхо-комнате, многократно отражаясь, и заставляет атомы синхронно излучать. Возникает сверхизлучение — коллективное испускание фотонов, подобное хору, где отдельные голоса сливаются в единый гром.

Когда массивная звезда умирает и взрывается, она выбрасывает не только свет, но и невидимые лёгкие частицы. Они разлетаются во все стороны почти со скоростью света. До Земли доходит лишь малая часть, но от каждой вспышки — свой сгусток.

В кузнечном горне струя воздуха раздувает жар углей, и ударные волны выдувают пузыри раскалённого газа. В центрах галактик аналогичный процесс запускает сверхмассивная чёрная дыра — объект с гравитацией столь мощной, что даже свет не может её покинуть.

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.

В 1961 году Станислав Улам предложил простую модель: частица мечется между неподвижной стенкой и стенкой, которая колеблется по кусочно-линейному закону. Казалось бы, бильярд как бильярд. Но за этой простотой скрывался вопрос, который не давал покоя физикам десятилетиями: может ли частица разгоняться до бесконечности? Ответ оказался парадоксальным. В классической версии — почти никогда.