Маркус Чаун - Твиты о вселенной

Рентгеновские и гамма-лучи открывают высокоэнергетическую Вселенную ищущим острых ощущений астрономам: горячие, самые яростные и самые взрывоопасные события в природе.

Это не лучи, а быстрые заряженные частицы из космоса, происхождение которых еще плохо изучено.

В 1912, летая на воздушном шаре на высоте 5300 м, австрийский физик Виктор Гесс обнаружил, что атомы в воздухе на больших высотах лишены большей части электронов.

Американский физик Роберт Милликен ошибочно полагал, что такая «ионизация» вызвана высокой энергией фотонов. Он ввел термин «космические лучи».

Около 90 % частиц в космических лучах являются протонами (ядра атома водорода); 9 % — альфа-частицы (ядра гелия), 1 % — более тяжелые ядра.

При столкновении с молекулами воздуха космические лучи производят потоки вторичных частиц и очень слабое свечение, известное как излучение Вавилова — Черенкова.

Наземные детекторы частиц, расположенные на большой площади, регистрируют атмосферные потоки. Сверхчувствительные детекторы света регистрируют излучение Вавилова — Черенкова.

Самой мощной обсерваторией космических лучей на сегодняшний день является обсерватория Пьера Оже в Аргентине: 1600 детекторов, распределенных более чем на 3000 км 2.

К сожалению, заряженные частицы отклоняются магнитным полем Млечного Пути, так что направление прихода на Землю не связано с местом их рождения.

Космические частицы сверхвысоких энергий (КЧСВЭ) — это протоны, движущиеся почти со скоростью света и переносящие каждый столько же энергии, сколько теннисный мяч при сильной подаче.

Эти КЧСВЭ могут быть в 50 млн раз более быстрыми, чем частицы самых высоких энергий, образующиеся в любом искусственном ускорителе частиц.

КЧСВЭ очень редки. Они не легко отклоняются. Могут быть созданы в относительно близких активных галактиках, скрывающих центральные черные дыры.

Космические лучи с меньшими энергиями, вероятно, ускоряются в ударных волнах от взрывов сверхновых, но точный механизм пока не ясен.

Нейтрино — субатомные частицы, практически не имеющие массы. Они редко взаимодействуют с другими частицами, что затрудняет их обнаружение.

Нейтрино были постулированы в 1930 Вольфгангом Паули для объяснения экспериментов с частицами. Впервые были зарегистрированы в ядерном реакторе в 1956.

Нейтрино заполняют Вселенную. Около 400 триллионов нейтрино пронзают ваше тело каждую секунду почти со скоростью света.

Многие нейтрино возникли во время Большого взрыва. Другие рождаются в ядерных реакциях в звездных ядрах и при взрывах сверхновых.

Нейтрино могут быть обнаружены путем наблюдения за большими объемами воды: очень редко они взаимодействуют с атомами, создавая крошечные вспышки света.

Детекторы построены под землей, чтобы защитить их от космических лучей. Некоторые крупные нейтринные детекторы: Super-Kamiokande (Япония), Sudbury (Канада).

Крупнейшим на сегодняшний день является IceCube Neutrino Observatory на Южном полюсе: 1 кубический км льда, содержащий тысячи световых детекторов.

Большинство нейтрино прибывает на Землю, приходя из ядра Солнца. В 1987 были неожиданно обнаружены нейтрино от близкого взрыва сверхновой.

Во время путешествия через пространство нейтрино изменяет «аромат» (электронное/мюонное/тау-нейтрино). Это возможно только при наличии у нейтрино сверхмалой массы.

Однако, несмотря на многочисленность реликтовых нейтрино, возникших в Большом взрыве, они настолько легки, что не могут отвечать за существование темной материи.

Нейтрино являются только «посланниками», которых мы получаем непосредственно из ядра Солнца. Изучение космических нейтрино может также пролить свет на взрывы сверхновых.

Тем не менее основная цель нейтринной астрономии узнать больше о фундаментальных свойствах природы, может быть, даже о тайне темной материи.

Гравитационные волны являются гипотетическими волнами в структуре пространства-времени, движущимися со скоростью света, как рябь на поверхности пруда.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, жесткое 4-мерное пространство-время должно быть деформировано/искривлено наличием массы.

Кроме того, ускоряющиеся массы создают рябь, распространяющуюся в пространстве-времени, которая уносит энергию. Это называется гравитационным излучением.

В 1974 Рассел Халс и Джо Тейлор обнаружили, что орбита двойного пульсара В1913 +16 теряет энергию и сокращается на 3,5 м/год.

Потери энергии находятся в точном согласии с предсказаниями общей теории относительности. Двойной пульсар, видимо, излучает гравитационные волны.

Прямая регистрация очень сложна, так как амплитуда волны чрезвычайно мала. Детекторы используют лазерные пучки в многокилометровых изолированных трубах.

Даже чувствительные детекторы LIGO в США ни разу ничего не обнаружили. Обновление в 2014 для повышения чувствительности может изменить эту ситуацию.

Ожидаемые источники гравитационных волн: орбитальное движение массивных тел, взрывы сверхновых, гамма-всплески, поглощение звезд черными дырами.

Будущие космические детекторы могут также обнаружить высокочастотные гравитационные волны, которые являются остатками Большого взрыва.

Гравитационно-волновая астрономия открывает совершенно новые окна Вселенной. Может выявить явления, прежде никогда не наблюдаемые людьми. Разве это не здорово?

Говерт хотел бы поблагодарить пользователей — посетителей его Твиттера — за их интерес к еженедельным астрономическим «твитам», которые привели к созданию этой книги. И Маркуса — за его энтузиазм в сотрудничестве при работе над Твитами о Вселенной (Twitting the Universe).

Маркус хотел бы поблагодарить Нейла Белтона, Генри Воланса, Стивена Пейджа, Фелисити Брайан и Карен Чилвер (Neil Belton, Henry Volans, Stephen Page, Felicity Bryan and Karen Chilver) за веру и поддержку. И, конечно, Говерта.

Со времени выхода первого издания «Tweeting the Universe» до публикации книги на русском языке прошло достаточное время, за которое успели произойти многие события, о которых говорится в «Твитах о Вселенной» в будущем времени. В частности, «конец света», назначенный на 21 декабря 2012 г., как мы заметили, не состоялся. Некоторые явления, о которых упоминается в оригинале «твитов», такие как солнечные или лунные затмения 2012 года, уже произошли, и т. д. и т. п. Поэтому в русском издании мы вынуждены были сделать связанные с этим изменения или пометки, которые помещены в сносках. Кроме того, в примечаниях переводчика поясняются непонятные читателю термины, географические названия или литературные реминесценции, а также приводятся некоторые пояснения физико-технического характера.