CERN, Gran Sasso и неутриното

Преди няколко дни Катя ми подсказа за една статия в Нетинфо с източник Physorg. Става дума за експеримент на CERN и Италианския институт за ядрена физика, при който физиците са успяли да запечатат частица неутрино на фотографски филм. За неутриното писах скоро по повод "Най-странните неща във Вселената" тук. И преди това тук. Ето какво представлява самият експеримент:

CNGS — CERN Neutrinos to Gran Sasso

От инсталациите в CERN се изстрелват протони, които бомбардират графитена мишена. Полученият поток от пиони и каони (вид елементарни частици) се насочва с помощта на магнити към италианската Национална лаборатория под планината Gran Sasso (Голям камък) до Рим. Във Physorg и съответно в превода на Нетинфо е объркано със San Grasso — Света мазнина :). По пътя пионите и каоните се разпадат до мюони и мюонно неутрино и накрая специален филтър пропуска само неутриното. То започва 2.4-милисекундно пътешествие в земната кора и след около 730 км стига подземните детектори в Gran Sasso.

Схема на пътя на неутриното, източник CERN-CNGS

От пристигащите милиони неутрина само няколко от тях биват засечени. Засичането на неутрино не е новост — това се прави от десетки години на различни места по света. Новост е фактът, че единият от детекторите в Gran Sasso — OPERA — ще бъде въоръжен със 150000 малки "тухли" от два пласта олово и фотографски филм между тях. Всяка от тези тухли е нещо като фотоапарат, който може много по-прецизно да измери характеристиките на каскадата от частици, които изникват при взаимодействието на неутриното с тухлата. Когато било "фотографирано" първото неутрино на 2 октомври вече е имало 60000 инсталирани тухли. Последвали още десетина сблъсака, като "ударените" тухли веднага били свалени и изпратени за микроскопски анализ.

Целта на експеримента е да бъде засечено тау-неутрино — един от трите "аромати", които неутриното може да има. Понеже изстреляните от CERN неутрина са само мюонни, откриването на тау-неутрино ще е пряко доказателство за свойството му да се променя, което пък значи, че има маса.

Най-странните неща във Вселената: енергия на вакуума

В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)

Тази събота (всъщност неделя) е денят на енергията на вакуума. Вакуумът по принцип се възприема за празно пространство, но дори в него винаги има някаква енергия. Според квантовата механика тази енергия е дискретна, т.е. състои се от "кванти" (порции). Всичко това може да се представи като мислено приемем, че във всяка точка от пространството има по един квантов хармоничен осцилатор [wiki]. Този сложен модел на вакуума е странен, защото от ежедневния ни опит знаем, че в него няма нищо. Учените смятат, че квантовите хармоничните "трептения" просто се унищожават взаимно и сумарно дават нула. Едно от изключенията на това нулиране е енергията на вакуума.

Енергията на вакуума може да се обясни и по друг начин: като спонтанно раждане на двойка виртуални частици от нищото, които много бързо след това се унищожават (анихилират) — процес, известен като вакуумни флуктуации. Понякога обаче тези виртуални частици взаимодействат с други преди да анихилират, и любопитното е, че точно това е причината за съществуването на фундаменталните сили в природата (като електромагнитната, слабото и силното ядрено взаимодействие, и може би гравитацията).

Какви са последствията от тази странна енергия? Само няколко от тях са:

• ефектът на Казимир [en] — мистериозна сила на привличане, действаща на много малки разстояния;
• предсказаното от Хокинг, но недоказано "изпарение" на черните дупки;
• според общата теория на относителността енергията е еквивалентна на масата, следователно тази енергия на вакуума би трябвало да упражнява гравитационно привличане; това може да окаже влияние на космологичната константа и разширението на Вселената;
  

Енергията на вакуума се счита, че съществува реално и е част от странностите на Вселената, които все още очакват да бъдат обяснени от учените. Докато това стане факт, тя остава загадка.

________
Изображение: PMA Caltech

STS-120 Discovery

Днес за пръв път гледах изстрелване на совалка live по NASA TV. Когато започнах да гледам предаването, то вече вървеше от 3 чáса и оставаха още 3 до старта. Тогава точно транспортираха астронавтите до чакащата ги совалка с едно сребристо автобусче без прозорци. От "бялата стая" (последното място преди да влезнат в кабината на совалката) някои от тях изпратиха видео послания до близките си, след което ги закопчаха на седалките им. След бая време проверки на системи и т.н. всички се изнесоха от стартовата площадка, коридорът за достъп до совалката се разкачи (от NASA увериха, че при нужда от евакуация коридорът може да се върне за секунди), изключиха външното захранване и Дискавъри премина на собствено такова. Около 30 секунди преди старта компютрите поеха автоматичното управление, след което:

Тридесет и петото излитане на совалката Дискавъри премина като по учебник без никакви проблеми. Само по едно време заговориха за някакво парче лед, но се оказа безобидно. Тази мисия (STS-120) има за задача да достави европейския модул Harmony на Международната космическа станция, към който през следващите две мисии ще прикачат един европейски и един японски модул.

Препоръчвам на всеки, който не е гледал изстрелване на живо, да го направи следващия път, защото тръпката от това да си свидетел на най-голямото човешко постижение е огромна :)

________
Видео: CNN от NASA TV

Космосът

"Космосът е всичко това, което е, или е било, или някога ще бъде. И най-вялите ни размишления върху Космоса могат да ни развълнуват — по гърба ни полазват тръпки, гласът ни секва, спохожда ни едва доловимо усещане, сякаш от далечен спомен, за пропадане от високо. Знаем, че се доближаваме до най-великата загадка."

— Карл Сейгън, "Космос"

Най-странните неща във Вселената: квазари

В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)

Тази събота е денят на квазарите. Това са космически обекти, които за пръв път са наблюдавани с радиотелескопи в края на 1950-те години и силно озадачавали астрономите. Едва по-късно те осъзнали, че квазарите са на огромни разстояния от нас, понеже имат голямо червено отместване. Колкото по-голямо червено отместване има един космически обект, толкова по-бързо той се отдалечава от нас, а колкото по-бързо се отдалечава, толкова по-далеч е той. Квазарите са на края на видимата Вселена и се отдалечават от нас със скорости от порядъка на десетки хиляди километри в секунда поради разширението на тъканта на пространство-времето.

След като са толкова далеч и все пак ние ги виждаме, това може да означава само едно: квазарите са едни от най-мощните източници на лъчение във Вселената. Дори най-мощните. Според изчисленията мощта им е сравнима с тази на стотици галактики, взети заедно!

Днес астрономите считат, че квазарите всъщност са активни ядра на млади галактики. В центъра на почти всяка галактика се предполага, че има свръхмасивна черна дупка, която поглъща феноменално количество материя, но не всичката наведнъж. Материята, която не може да бъде погълната, се върти с огромна скорост на прага на хоризонта на събитията и от вътрешното триене се нагорещява до милиони Келвини. Това е причината активните ядра да излъчват мощни електромагнитни потоци, които пътуват през Космоса вече 13 милиарда години (най-далечният квазар е на 13 млрд св.г.). Поне това е най-добрата теорията, която имаме засега.

________
Изображение 1: Рисунка на квазара GB1508, NASA

Изображение 2: Рентгенова снимка на квазара PKS 1127-145, отдалечен от нас на 10 млрд св.г., Chandra X-Ray Observatory, NASA

Глобалното затопляне

Може би най-дискутираната тема тази година е за глобалното затопляне. Това от една страна е добре, защото вниманието на обществото се насочва към редица трудно обратими негативни процеси, но от друга страна е лошо, защото други важни проблеми биват пренебрегвани. Все още не знаем със сигурност какво и как причинява регистрираното повишаване на средната температура, поради което има доста хипотези, които и в момента се тестват и анализират.

Тук ще се спра на една от тези хипотези: Слънцето. Енергията от термоядрения синтез на водород в недрата му поддържа почти всяка форма на живот на Земята — ето колко важно е то.

Снимка на Слънцето от космическата обсерватория SOHO

От векове хората знаят, че по повърхността на Слънцето има петна. И докато все още механизмите на образуването им не са изцяло ясни, то едно нещо е сигурно: съществува явление, наречено слънчев цикъл — редуване на периоди с малко и с много петна.

При слънчев максимум се наблюдават много и големи петна по цялата повърхност на нашата звезда. Те се проявяват като източници на слънчеви избухвания, при които се отделят големи количества енергия. При слънчев минимум петната са малко и предимно в полярните зони. Максимумите и минимумите се редуват през приблизително 11 години.

Този цикъл оказва силно влияние върху климата на Земята. Тя е сравнително близо до Слънцето и при избухвания потоци от частици (слънчев вятър) се изстрелват към нея. Счита се, че при минимум температурата по-скоро се понижава, а при максимум има тенденция да се увеличава.

През 17 век слънчев минимум се установил за няколко десетилетия и, случайно или не, тогава се случва и т.нар. Малка ледена епоха, когато в Европа температурите спаднали значително. Тук също има разногласия, но остава фактът, че Слънцето може да влияе на климата ни.

Съвременна теория твърди, че има и друг цикъл, който е с много по-голям период — десетки хиляди години — и евентуално може да обясни древните ледени епохи, когато ледовете са покривали многократно по-големи територии. Но и за тази теория липсват преки доказателства.

Земният климат несъмнено се влияе от Слънцето. Докато не бъде научно доказано обаче, че то е причината за глобалното затопляне, е вредно да се правят каквито и да е уж сигурни изказвания. Истината просто е не знаем. Но междувременно нищо не пречи хората да се възпитават да живеят по-природосъобразно, защото всички ние сме част от биосферата, която се крепи на деликатен баланс. Колкото и малко да е влиянието ни, нека поне е положително. Това е личното ми мнение :)

Залез над Арктика. Image credit: Jeremy Harbeck

Още една загадка?

Спомняте ли си проекта GalaxyZoo? Учените помолиха обикновени интернет потребители да им помогнат със сортирането на милион галактики, защото човешкото око е по-добро от компютрите що се отнася до анализа на сложните форми на галактики от дълбокия Космос. Оказва се, че повече от 100 000 души са откликнали на тази молба и като резултат вече имаме интересни данни.

Доскоро астрономите смятаха, че посоката на завихряне на галактиките е произволна — т.е. еднакво вероятно е да намерим въртяща се по часовниковата или обратно на часовниковата стрелка галактика. Но получените данни сочат друго: гледани от Земята, повечето галактики се въртят обратно на часовниковата стрелка. Ако този факт бъде потвърден, то това ще се превърне в още една загадка на Вселената.

За повече информация: Telegraph.co.uk
________
Снимка: Whirlpool Galaxy (M51), HubbleSite

Най-странните неща във Вселената: неутрино

В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)

Тази събота е денят на неутриното. За тази елементарна частица е ставало дума преди. Тя е загадка за съвременната физика, защото е много трудно да бъде засечена и е една от най-мистериозните частици. Образува се на много горещи места — например в недрата на Слънцето — където действат процеси на термоядрен синтез. Смята се, че при всеки сблъсък на две водородни ядра (т.е. два протона) се отделя по едно неутрино, но проблемът е, че нашите детектори не успяват да засекат съответстващият на процесите в Слънцето брой неутрина. Това отчасти е така, защото те имат свойството да преминават с много, много висока скорост през познатата ни материя без да взаимодействат с нея. Но това не е цялата истина.

Теорията казва, че има три типа (аромати): електронно, мюонно и тау-неутрино. Оказва се, че неутриното има необичайната способност с времето да преминава от един аромат в друг. А нашите детектори, които разчитат на гигантски обеми от течности (или чист полярен лед), където неутрино се удря в частица материя и може да бъде видяно, са чувствителни само към един от тези аромати (най-лекото — електронното).

Това явление ни подсказва още нещо: неутриното има маса, защото иначе няма как да се превръща от един тип в друг. Въпреки това може би най-голямата загадка във Вселената — тъмната материя — не може да бъде обяснена с фантомното неутрино. Науката тепърва прохожда в тези вълнуващи насоки, а ние ще следим с интерес.

В английската Уикипедия има доста подробна статия за неутриното.

Схема на IceCube Neutrino Detector. Концепцията е да се спуснат хиляди оптични детектори в ледовете на Антарктида, които да улавят редките изблици на излъчване на Черенков (дъжд от вторични частици — своеобразна следа от взаимодействие на неутрино с материята). Защо там и защо толкова дълбоко? Защото само неутриното може да проникне в тези ледове и резултатите няма да бъдат "замърсени" от други частици.

________
На малката снимка: вътрешността на Liquid Scintillator Neutrino Detector в Националната лаборатория Лос Аламос, САЩ. При работа вътре е имало близо 170 тона масло, а засичането е ставало благодарение на 1200 фото-тръби. Този детектор е работил до 1998 г.

Нобелова награда за физика, 2007

Днес беше присъдена Нобеловата награда за физика на Албер Фер и Петер Грюнберг за откриването на гигантското магнито- съпротивление (giant magnetoresistance), което стои в основата на съвременните твърди дискове. Откритието нямаше да бъде възможно преди напредъка на иновативните нанотехнологии, защото то разчита на квантово-механични свойства на електроните (като тунелиране). Това се счита и за първото реално приложение на нанотехнологиите в света.

За повече информация:

Блог за наука на Капитал
Official Press Release
Information for the Public [en]

________
Снимки: Nobelprize.org
1. Албер Фер (Albert Fert), Франция
2. Петер Грюнберг (Peter Grünberg), Германия

Laser Interferometer Space Antenna (LISA)

Това е името на първата специализирана космическа обсерватория за пряко засичане на гравитационни вълни от бинарни системи в Млечния път и свръхмасивни черни дупки в други галактики. Тя е съвместен проект на ESA и NASA и планираното изстрелване е през 2015 г. В същността си тя представлява огромен майкълсонов интерферометър [Wiki].

LISA ще се състои от три идентични апарати с формата на хокейни шайби (но по-големи), разположени във върховете на гигантски мислен (приблизително) равностранен триъгълник със страна 5 млн км. Евентуална гравитационна вълна би трябвало да предизвика слаба промяна в разстоянията между "тестовите маси" — по две 4-сантиметрови кубчета във всеки апарат, носещи се в безтегловност и полирани до съвършенство. Кубчетата ще играят роля на огледала и ще отразяват лазерните лъчи от другите два апарата, за да бъде измерена промяната.

От огромно значение ще е предотвратяването на каквито и да е паразитни смущения в относителното местоположение на кубчетата. Смущенията може да са:

• външни: предизвикани от Слънцето (слънчев вятър, магнитно поле — корпусът ще предпазва кубчетата от тях) и от Земята и Луната (гравитационно въздействие — за да е минимално LISA ще следва Земята по орбитата й на 20° зад нея);
  
• вътрешни: електромагнитни полета и термично въздействие при работата на компютъра, както и остатъчно газово налягане.

Позицията на кубчетата спрямо апарата ще бъде постоянно измервана от гравитационен сензор и при нужда микродвигатели ще компенсират смущенията с точност до 10 нанометра. Като резултат LISA ще може да засича нискочестотни гравитационни вълни, които са недостъпни за наземните обсерватории като LIGO, Virgo и др. Но те няма да се конкурират взаимно, а ще се допълват.

Предизвикателствата пред тази бъдеща мисия са много. Тя трябва да се справи със смущенията, с променливите дължини на страните на триъгълника (защото трите уреда няма да могат да ги поддържат перфектни), с влиянието на междупланетните магнитни полета и др.

Препоръчвам ви да посетите страницата на NASA за проекта LISA, която е много подробна и информативна.

________
Изображения: LISA @ NASA

Закъсняли гама-лъчи — доказателство за квантова гравитация?

От време на време астрономите се натъкват на изненадващи открития, които се оказват предизвикателство за съществуващите теории. Когато това стане и някава работа бива публикувана в някое от престижните издания, тогава научната общност започва да работи в новите насоки. Изказват се хипотези, търсят се обяснения, наблюденията се повтарят (ако е възможно) и общо взето бавно, бавно се търси логично обяснение.

През 2005 година екип от астрономи наблюдавали такова събитие. Те насочили телескопа MAGIC към блейзара Markarian 501 и засякли поток от високоенергийни гама-лъчи. След като анализирали данните, те стигнали до странни резултати: според изчисленията им високоенергийните гама-фотони пристигнали 4±1 минути по-късно от нискоенергийните фотони. Въпросът е защо едните фотони са закъсняли (т.е. са се движели по-бавно от скоростта на светлината) и засега няма отговор.

Има няколко възможни варианта:

• Понеже тези лъчи идват от далеч (500 млн св.г.), от недрата на свръхмасивна черна дупка, която не може да погълне всичката материя, падаща върху нея, и понеже механизмите на действие на такива екзотични обекти все още не са ни изцяло ясни, то може високоенергийните лъчи да са се образували 4 минути по-късно. Учените-автори на преработената работа, пусната в arXiv обаче твърдят, че това е малко вероятно.
• Не е изключено разликата да е възникнала по време на дългото пътуване на лъчите из Космоса, защото не се знае през какво са преминали преди да достигнат нашите детектори.
• Едно по-екзотично обяснение е предвиденото от някои теории на квантовата гравитация забавяне в зависимост от енергията (честотата) на фотоните, направено преди десетина години.
  

Докато първите две обяснения са по-обикновени и може би очаквани, то третото е по-особено. Това е така, защото досега няма преки доказателства за която и да е теория на квантова гравитация. Теоретиците се надяват да получат такова доказателство възможно най-скоро, и идеята е, че това може да е дългоочакваното доказателство. Сега, ако наистина е така, то това действително ще предизвика експлозия във физиката. Може би затова редица учени са въодушевени, но само бъдещи наблюдения и изследвания ще покажат каква е истината.

Та да се върнем на "абстрактното" обяснение. (В този параграф ще пропускам изрази като "може би", "предполага се" и т.н. Ясно е, че говорейки за "квантова гравитация" всичко е на ниво непроверени хипотези.) Основната идея е, че високоенергийните фотони причиняват микроскопични флуктуации в тъканта на пространство-времето, които играят ролята на субатомни "лещи". Колкото по-висока енергия има фотонът, толкова по-големи флуктуации ще причинява, т.е. толкова по-трудно ще минава през пространство-времето, следователно ще се забави. Според някои изчисления 4-минутното закъснение за тези 500 млн св.г. се вписват прилежно в тази хипотеза. Четири минути са много, много, много кратко време отнесено към половин милиард години, но не бива да очакваме, че флуктуациите (известни още като "квантова пяна") ще имат голям ефект върху фотоните. По принцип квантовите ефекти действат на субатомно ниво (планкова дължина), което ги прави изключително трудни за откриване. Интересно също е, че от това закъснение може да се определи на какво ниво квантовата гравитация започва да действа. Според някои модели това са около 5×10^17 GeV, според други — 6×10¹º GeV.

Това обяснение на закъсняването на фотоните е по-нестандартно и съответно учените са предпазливи. Самите автори на работата се подсигуряват като твърдят, че са нужни още наблюдения на други мощни източници на гама-лъчи, както и проверка на по-конвенционални хипотези. Едно е сигурно: учените ще имат доста работа.

Относно подробности за използвания телескоп, методите и други неща: статията в блога за наука на Капитал. Допълнително попаднах на интересни нови (за мен) блогове, в които е писано по въпроса, но ще ги прегледам друг път: the reference frame, ars technica.

"Космическата ера на 50 години"

Така е озаглавена статията на Гай Гуглиота в октомврийския брой на National Geographic България.

В нея авторът прави кратък обзор на славното минало на космическата надпревара, както и на това, което може би ни очаква от тук нататък. Прочетох я на един дъх и въпреки че тия дни много се изписа и изговори за космоса, то пак ми беше доста интересно. Завладяващо е когато изведнъж се обръща по-голямо внимание на така специализирани неща, които често остават незабелязани от обременените българи. Дори да е за кратко :)

Този блог досега не се е фокусирал върху изследването на Слънчевата система от роботи или хора, нито върху технологиите за извеждане на апарати в открития космос, но това не значи, че те са по-малко вълнуващи. Напротив, без тях надали щяхме да сме стигнали въобще до тук, до способността ни да надзъртаме милиарди години назад в историята на Вселената и да достигаме нови хоризонти.

Препоръчвам на всеки да прочете статията в NG България, както и да се абонира за 2008 г, защото освен 12-те броя от списанието без аналог в България, ще получи подарък "колекционерско издание с уникални снимки от Космоса" :)

Най-странните неща във Вселената: галактически канибализъм

В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)

Тази събота е денят на галактическия канибализъм. Това е може би нещото с най-зловещо име, включено в класацията. Вселената съдържа стотици милиарди галактики, които непрестанно се движат из междугалактическото пространство. Астрономите са наблюдавали редица случаи на сблъсъци между отделни галактики и имат причини (поне теоретично) да предполагат, че такива мащабни събития се случват по-често отколкото сме смятали.

Галактически канибализъм се нарича процес, при който голяма галактика (като Млечния път) привлича с гравитацията си малка галактика (джудже), разкъсва я и я поглъща. Разкъсването става поради галактическите приливни сили [Wiki], които на определено разстояние от голямата галактика (граница на Роше) вече са толкова силни, че преодоляват привличането между отделните звезди в галактиката-джудже и тя се разпада.

Приетият модел на еволюцията на галактиките твърди, че подобни катастрофи трябва да са често срещани, но астрономите са наблюдавали само малък брой такива събития, защото малките галактики са прекалено бледи и трудно се забелязват. Това е снимка на канибализъм в действие, заснета с помощта на японския телескоп Subaru.


Учените смятат, че чрез галактически канибализъм някои галактики може би растат. В нашия Млечен път има звезди, които се предполага, че някога са принадлежали на съседна галактика-джудже. В Андромеда също има следи от малки галактики. В момента е възможно да действа такъв процес между Млечния път и малките му сателити (Магелановите облаци).

При подобни междугалактически взаимодействия много рядко се случват сблъсъци на звезди. Разстоянията между звездите в галактиките са достатъчно големи, че те не само да се разминават, но и може би почти да не усещат случващото се събитие. Това е обнадеждаващо за хората от бъдещето, защото се предполага, че след 4 милиарда години Млечният път и Андромеда ще се сблъскат. Как ли ще изглежда нощното небе тогава ;)


________
Снимка 1: Hubble Space Telescope
Снимка 2: Subaru Telescope (източник)