сверхвысокоэнергичный гамма-квант

На столе лежит кусок графита, выращенный из газа, как налёт на стенке реактора. Обычно такой материал не годится для превращения тепла в электричество: внутри него электроны и дырки бегут в разные стороны и гасят друг друга. Но если этот кусок поместить в магнитное поле и нагреть с одного края, заряды начинают двигаться в одну сторону, как толпа, которую регулировщик направляет в один выход.

Конвейер на заводе выплёвывает детали строго по одной за такт. Если такт короткий, а брака мало, линия работает быстро. В квантовой оптике роль такого конвейера играет источник одиночных фотонов: он должен выдавать ровно один квант света за каждый цикл, и чем чаще циклы, тем больше фотонов уходит в оптоволокно.

Картограф получает лист с расстояниями между сотнями безымянных островов. Ни один остров не подписан, но расстояния повторяются, складываются в треугольники и четырёхугольники. По этим повторам картограф восстанавливает карту архипелага — не зная, какой остров как называется. Примерно так устроена новая работа по молекулярной спектроскопии.

Газовая мишень похожа на воронку: чем круче её стенки, тем сильнее поток. Только в этой воронке течёт не вода, а ультрафиолетовый свет, который рождается, когда мощный лазерный импульс проходит сквозь облако аргона. Эффективность такого преобразования обычно ничтожна — около 0.001%: из тысячи фотонов лазера лишь один превращается в полезный ультрафиолет.

Голубое свечение в воде вокруг ядерного реактора — это свет, который рождается, когда заряженная частица обгоняет свет в этой среде. Эффект открыл Павел Черенков в 1934 году, а теорию дали Игорь Тамм и Илья Франк. С тех пор черенковское излучение стало рабочим инструментом: от детекторов частиц до астрофизики.

В 1054 году в созвездии Тельца вспыхнула звезда. Свет от её гибели был так ярок, что её видели днём почти месяц — китайские астрономы записали это в хроники. Сегодня на том месте расползается Крабовидная туманность, и её клешни — это облака газа, которые до сих пор разгоняет мёртвая звезда в центре.

Представьте огромный стадион, заполненный людьми в чёрном. Вы стоите снаружи и пытаетесь понять, что там внутри, хотя не видите ни одного человека. Но если двое столкнутся и обменяются яркими футболками — вы заметите вспышку цвета. Именно так астрономы ищут тёмную материю — гипотетическую форму материи, которая не излучает и не поглощает свет, но проявляет себя через гравитацию.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стадию стремительного расширения — инфляцию. Даже физический вакуум тогда не был спокоен: квантовые флуктуации раскачивали фундаментальные поля, словно ветер колосья в поле.

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 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.

Гигантское скопление галактик Abell S1063, лежащее в 4 миллиардах световых лет, работает не просто линзой, а гравитационным колодцем времени.

Гравитационные волны — это колебания самой ткани пространства-времени, подобные вибрациям гигантской космической струны. Обычные детекторы, такие как LIGO и Virgo, улавливают низкочастотные «ноты» — возмущения от слияния массивных чёрных дыр звёздных масс.

Кузнечные меха раздувают огонь, резко выталкивая воздух. В космосе роль таких мехов играет ударная волна от сверхновой — взрыва массивной звезды, термин для которого ввёл Фриц Цвикки.

В сердце Галактики, на расстоянии около 7 тысяч парсеков, скрывается настоящий природный ускоритель. Это нейтронная звезда с бешеным вращением — пульсар PSR J1849-0001, оставшийся после взрыва сверхновой.

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.

Эллиптические галактики — тихие звёздные мегаполисы на пенсии. По всем законам их свет должен быть спокойным, красноватым, как закат. Но спектры кричат об обратном: в далёком ультрафиолете эти старушки полыхают, словно новогодние гирлянды. Три десятилетия астрономы ломали голову над этим «ультрафиолетовым подъёмом» (UV upturn).

Тёмная материя — невидимая субстанция, проявляющая себя лишь через гравитационное воздействие: она искривляет свет далёких галактик, подобно незримому окну, меняющему ход лучей.

Прожектор светит всё ярче, но на каком-то пределе лампочка вдруг перегорает — и дальше свет не идёт. Нечто похожее увидели астрофизики у далёкого блазара Маркарян 421. Это активная галактика, чья струя раскалённой плазмы (джет) смотрит почти точно на Землю, как луч космического маяка.

Космические лучи — это элементарные частицы и атомные ядра, приходящие из глубин космоса и ускоренные до энергий, недостижимых в земных лабораториях. Когда такая частица врезается в атом земной атмосферы, рождается широкий атмосферный ливень — каскад вторичных частиц, который, в свою очередь, генерирует радиоволны.

Детектор, заполненный сверхтекучим гелием-4, похож на идеально тихое озеро. Жидкость не плещется, не пузырится — она замерла в едином квантовом состоянии. Сквозь неё пролетает невидимый гость — частица тёмной материи. Сама она не светится и не оставляет следа. Но иногда задевает ядро атома гелия. Ядро получает слабый толчок и сдвигается.

Альфа-частица — это ядро гелия, которое вылетает при распаде тяжёлых атомов. Попадая в кристалл нитрида галлия, она отдаёт ему свою энергию и рождает электрический импульс. По высоте импульса можно узнать, сколько энергии было у частицы.

Обычный лазер светит узкими линиями, как струна, которая звучит только на одной ноте. Для спектроскопии это неудобно: если вещество поглощает свет между линиями, его можно не заметить. Терагерцовый квантово-каскадный лазер — это полупроводниковый чип размером с ноготь, который излучает волны с частотой от 1 до 6 терагерц (триллионов колебаний в секунду).

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?

Скорость света в вакууме — фундаментальный метроном физики, задающий темп всем процессам во Вселенной. Малейший сбой этого ритма способен разрушить привычную гармонию законов природы.

В далёкой галактике, на расстоянии, которое свет преодолевает за 11 миллиардов лет, что-то вспыхнуло. Рентгеновский телескоп Einstein Probe заметил короткий, как укол иглы, всплеск — он длился всего несколько десятков секунд. Но самое интересное началось потом: через несколько дней в обычном, видимом свете объект снова плавно засиял ярче.

Гамма-всплеск GRB 221009A полыхнул так ярко, что его назвали «ярчайшим за всё время». Обсерватория LHAASO поймала от него гамма-кванты с энергией вплоть до 13 ТэВ — это в тысячи раз больше, чем энергия частиц в рентгеновском кабинете.

В кристаллической решётке электроны иногда ведут себя подобно толпе на стадионе, порождающей «волну»: области с повышенной плотностью заряда чередуются с почти пустыми зонами. Эта волна, известная как волна зарядовой плотности, блокирует свободное движение носителей — при обычных условиях материал не является сверхпроводником.

Ночное небо кажется неподвижным, но многие звёзды дрожат, как барабан после удара. Спутник TESS семь лет подряд смотрел на одни и те же участки неба и уловил эту дрожь у 19 151 красного гиганта — старых раздувшихся звёзд. Раньше таких «звучащих» гигантов было известно куда меньше, а теперь список вырос сразу на 80%.

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.

Свет в оптоволокне — это поток фотонов, и для квантовой связи нужны одиночные фотоны, которые можно отправлять по одному. Но сделать так, чтобы они вылетали быстро и при этом были неотличимы друг от друга, — сложная задача.

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.

Семнадцать лет подряд космический телескоп Fermi записывал свет далёкой галактики 4C 76.03. Большую часть времени она вела себя тихо, как ночной город, где горят лишь редкие окна. Но в архиве наблюдений нашлись два коротких мгновения, когда галактика вспыхивала в гамма-лучах — самом энергичном свете во Вселенной.

Чёрная дыра в системе V4641 Стрельца ведёт себя как пылесос, который работает в полную силу, но соседи видят лишь слабый огонёк индикатора. Телескопы LHAASO и HAWC поймали от неё гамма-лучи с энергией до 0,8 ПэВ — это в миллионы раз больше, чем у рентгеновских лучей в больнице.

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.

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.

Лучевая терапия похожа на стрельбу из очень крупнокалиберного ружья по маленькой мишени: даже точный выстрел задевает большое пространство вокруг. Толщина «следа» — её называют полутенью — у стандартных аппаратов составляет 2–3 миллиметра. Для опухоли в лёгком это полбеды, но рядом с нервом или сосудом такие миллиметры решают, останется ли человек здоровым.

Двадцать восемь секунд — столько времени понадобилось автоматической камере, чтобы навестись на вспышку в созвездии, до которого свет шёл больше девяти миллиардов лет. Телескоп в чешской обсерватории Ондржейов сработал как пожарная сигнализация: едва спутник засёк гамма-всплеск, робот развернул трубу и начал фотографировать небо каждые несколько секунд.

Двойная система SS433 известна тем, что чёрная дыра в ней сдирает вещество со звезды-соседки. Часть газа падает в дыру, а часть выбрасывается двумя узкими струями, которые крутятся, как юла. Эти струи видны в радиодиапазоне и в рентгене.

Обычный лазер на свободных электронах похож на музыкальный инструмент с одной струной: он может играть только одну ноту, пока не изменишь его конструкцию. Чтобы получить другую длину волны, приходится перенастраивать магниты или разгонять электроны сильнее. Это дорого и громоздко.