Специална теория на относителността

Специалната теория на относителността (СТО) е една от фундаменталните теории във физиката. Създадена е от Алберт Айнщайн през 1905 г. като опит да се разрешат противоречията, изникващи при прилагане законите на Нютон при скорости близки до тази на светлината. СТО се основава на принципа на относителността:

Принцип на относителността

Нека си представим космонавт в открития космос, далеч от всякакви звезди и планети – сам в нищото. Той счита себе си за неподвижен, защото не усеща никакво движение. По едно време вижда в далечината друг космонавт, който се движи равномерно праволинейно към него. След няколко минути вторият космонавт задминава първия и изчезва в необятния космос.

А сега да разгледаме същата случка, но от гледната точка на втория космонавт: Той също е в открития космос, не усеща движение (или ускорение), и му се струва, че е неподвижен. По едно време вижда в далечината друг космонавт, който се доближава равномерно праволинейно към него, след няколко минути двамата се разминават и другият космонавт изчезва в необятния космос.

Това събитие изглежда по един и същи начин, независимо от гледната точка: всеки космонавт смята себе си за неподвижен, защото не усеща никакво ускорение, а приема другия за движещ се. И двамата са прави, защото във Вселената важи принципът на относителността: Всяка координатна система, която не се ускорява (т.е. не променя големината и посоката на скоростта си) може да се приеме за неподвижна. При това всички физични закони важат по един и същи начин във всяка такава координатна система. 

Специална теория на относителността

Според СТО скоростта на светлината (c) е еднаква независимо от движението на наблюдателя спрямо източника на светлина. Този удивителен факт е доказван многократно с експериментални измервания, като с годините точността на уредите се е увеличавала, но скоростта на светлината винаги е била 299 792 458 m/s. Всъщност, дефиницията за метър е неразривно свързана със скоростта на светлината: 1 m е разстоянието, което светлина във вакуум изминава за 1/299 792 458 s. Скоростта на светлината е абсолютна константа на Вселената.

В ежедневието ни работим със скорости многократно по-ниски от тази на светлината, затова е трудно да разберем какво се случва при високи скорости. При ниските скорости важат законите на Нютон, но при високите се получават големи отклонения и не можем да ги прилагаме. Съществуват редица следствия от СТО. 

Следствие І

Мисловен експеримент: Човек стои в средата на движещ се вагон. Точно когато влакът минава покрай друг човек на перона, той включва лампа. Човекът във вагона вижда как светлината от лампата достига едновременно вратите в двата края на вагона, понеже лампата е точно в средата. Човекът на перона обаче вижда друго – от момента на пускане на лампата до момента на достигане на светлината до задната врата влакът е изминал някакво разстояние, съответно светлината изминава по-къс път, отколкото до предната врата, която се е отдалечила. Обаче понеже скоростта на светлината е еднаква независимо от гледните точки, то излиза, че лъчът, движещ се назад, трябва да измине по-късо разстояние, т.е. достига задната врата по-рано от другия лъч. Следствие І гласи, че не винаги двама движещи се един спрямо друг наблюдатели регистрират дадено събитие по един и същи начин. Още повече, че и двамата наблюдатели са прави. 

В това видео може да видите подобен на описания експеримент.

Следствие ІІ

Дефинирането на времето е трудна задача. Ще направим мисловен експеримент, при който приемаме, че времето е това, което измерва най-простият часовник – светлинния часовник. Той представлява две идеални и абсолютно успоредни огледала, закрепени на фиксирано разстояние L едно от друго, и един единствен фотон, който се отразява от огледалата със скорост c и извършва „цикли”. В нашия експеримент ще ни трябват два такива часовника – единият стои неподвижно на масата, а другият се движи равномерно праволинейно по нея. В неподвижния часовник фотонът ще се движи вертикално и за един цикъл ще изминава разстояние 2L. В подвижния часовник фотонът ще се движи диагонално и за един цикъл ще изминава по-голямо разстояние 2D (по хипотенузата; виж диаграмите). След като и в двата случая скоростта му е еднаква, то при подвижния часовник продължителността на един цикъл ще е по-голяма, т.е. времето ще тече по-бавно. 

Поради принципа на относителността обаче същото ще важи и от гледна точка на подвижния часовник. За него той е неподвижен, а другия се движи и измереното време по другия часовник е забавено. Става ясно, че измерването на интервал от време зависи от относителното движение на часовника спрямо наблюдателя. Така, ако гледаме човек, движещ се спрямо нас, ще видим как времето при него тече по-бавно, как той се движи по-бавно, говори по-бавно, диша по-бавно, сърцето му бие по-бавно, но това не значи, че живее по-дълго от нас. И при нас, и при него сърцето му ще бие (средно) 2.5 милиарда пъти през целия живот.

В това видео може да видите подобен на описания експеримент.

Други следствия 

Лоренцовото скъсяване – при движение на тяло спрямо неподвижен наблюдател се вижда как физическите размери на тялото намалят, т.е. тялото се скъсява. Това става само в посока на движението. Причината е неразривно свързана с горните следствия.

E = mc² – масата и енергията са свързани чрез константната скорост на светлината поради симетриите на времето и пространството. 

Движение през времепространството – всички частици се движат през времепространството с постоянна скорост – скоростта на светлината. 

Live webcast from LHC

На 10 септември от 9:30 наше време започва живото предаване от ЦЕРН. Може да се гледа на този адрес.

Повече информация за първия лъч, който ще бъде пуснат в Големия адронов колайдер, видео и аудио интервюта, както и новини: LHC First Beam.

EDIT: Живото предаване от сутринта не работи поради големия трафик, но се появиха някои допълнителни източници на жива картина. Ето един от тях.

Плутоиди

На среща на Международния астрономически съюз в Осло е решено планетите-джуджета като Плутон да се наричат плутоиди (news release link [en]).

Дефиницията е:

Плутоидите са небесни тела в орбита около Слънцето, които обикалят на разстояние по-голямо от това между Слънцето и Нептун, имат достатъчно маса, за да може гравитацията им да преодолее вътрешните сили на твърдото тяло и да приемат хидростатично равновесна форма (приблизително сфера), и не са разчистили пространството около орбитата си.

В момента са известни два плутоида: Плутон и Ерида. Очаква се да бъдат открити още.

Международният астрономически съюз (International Astronomical Union - IAU) е организация, в която членуват почти 10000 астрономи от цял свят. Създадена е през 1919 г. с цел да насърчава и пази науката астрономия във всичките й проявления чрез международно сътрудничество. Освен това IAU има правомощия да дава имена на небесните тела и на образуванията по повърхностите им.

България е приета за членство в съюза през 1957 г. и в момента има 48 представители там.

________
Image credit: NASA/ESA Hubble Space Telescope

Защо няма да настъпи краят на света с ускорителя LHC

Често получавам коментари и имейли с въпроси дали предстоящите експерименти в Големия адронов колайдер (LHC) са опасни и могат да направят голяма беля. Дори попаднах на цяла тема по този въпрос в един форум. Искам ми се да систематизирам причините защо това няма да се случи.

Какво ще се случва в LHC?

По време на експериментите физиците ще ускоряват елементарни частици (адрони) в кръгов тунел с помощта на свръхпроводими магнити, които за целта са охладени почти до абсолютната нула. Ще се ускоряват два лъча в противоположни посоки, които ще се сблъскват в огромни детектори. При сблъсъците се създават плеяда от частици, като целта е да се установят характеристиките, траекториите и скоростите им преди да се разпаднат.

Опасни ли са тези сблъсъци?

LHC е най-мощният ускорител на частици, правен някога от човека. Имаме нужда от него, за да можем да надзърнем по-дълбоко в тайните на Вселената. Някои хора се притесняват, но учените ни уверяват, че опасност няма. Основните притеснения са следните:

Много мощни сблъсъци на частици?

Сблъсъците в ускорителя действително ще са най-енергичните, правени някога в лаборатория, но са далеч от мощността на колизиите, ставащи постоянно в природата. При избухване на свръхнови или при раждане на черни дупки се образуват т. нар. космически лъчи. Тези лъчи са с огромни енергии и пътуват от краищата на Вселената почти със скоростта на светлината, прекосяват милиарди светлинни години и се случва да навлезнат в земната атмосфера, при което неминуемо някои от тях се сблъскват с частици от атмосферата. LHC не прави нищо друго, освен да пресъздава подобни естествени събития в лаборатория, но в много по-малък мащаб. Такива сблъсъци са ставали в продължение на 4.5 милиарда години тук на Земята, както и на Луната, Марс, Слънцето и другите планети, и досега не е установено да са им навредили.

Създаване на черни дупки?

Черни дупки се образуват при колапс на масивни звезди, при което огромна маса се концентрира в една точка. Колкото по-малка е масата на звездата (или енергията), толкова по-слабо е привличането. Според някои физици в LHC могат да се създадат микроскопични черни дупки (с големината на протон), но това е възможно само ако съществуват допълнителни измерения. Дори и да е така, енергията на мини черните дупки не може да е по-голяма от енергията на създалите ги адрони. Това значи, че те няма да имат необходимата сила, за да погълнат каквато и да е материя (дори и да са се образували във вътрешността на най-плътните познати ни обекти — неутронните звезди). Нито необходимото време, защото черните дупки губят маса в процес, наречен изпарение. Колкото по-малки са те, толкова по-интензивно се изпаряват. Тези мини черни дупки ще съществуват само за частица от секундата преди да изчезнат. Освен това, ако при сблъсъци в ускорителя могат да се създадат мини черни дупки, то такива са създавани в продължение на милиарди години от космическите лъчи. И все пак досега Земята не е погълната.

Пресъздаване на Големия взрив?

Енергията в ускорените частици е силно концентрирана, но по абсолютна стойност е много по-малка от енергиите в ежедневието ни. Когато физиците казват, че ще пресъздадат Големия взрив те нямат предвид, че ще стане гигантска експлозия, от която ще се роди нова вселена, а че за много кратко време в силно концентрираната зона на сблъсъка (с размер на един протон) плътността на енергията ще бъде като тази моменти след Големия взрив.

Strangelets?

Стрейнджлетите са хипотетични частици, неоткрити досега, които са съставени изцяло от странни (strange) кварки. Те са по-тежки от нормалните кварки, съставляващи нормалната материя, поради което са силно нестабилни. Дори и да съществуват, електромагнитните им свойства ще ги отблъскват от нормалната материя и те просто ще се разпадат за части от секундата.

Радиация?

При ускорителите не може да се елиминира радиоактивното излъчване, понеже то е неизбежна част от изследваните процеси. В ЦЕРН са взети всички възможни мерки, за да се намали до минимум облъчването на персонала и изтичането на радиация в околната среда. Спазени са швейцарските, френските и общите европейски директиви по отношение на допустимата радиация. LHC е разположен в тунел на 100 метра под земята, което значи, че радиацията при работа на ускорителя, както и остатъчната радиация, няма да могат да изтичат. Само изпомпваният въздух ще бъде слабо радиоактивен: с интензитет около 240 пъти по-нисък от този на естествения радиоактивен фон, породен от същите онези космически лъчи и други природни източници.

Всички тези причини да не се притесняваме за безопасността ни не са просто измислени от група хора, а са резултат от десетилетия научни изследвания в държави от цял свят. Разбира се, има много малка вероятност всичките физици по света да са сбъркали, както и има вероятност "LHC да създаде дракони, които да ни изядат" ¹ :)

Без навлизане в неизвестното няма научно-технически прогрес. Все някой трябва да може да прецени дали даден експеримент е рисков и дали може да се извърши, а аз лично съм по-склонен да се доверя на физиците, отколкото на 99% от останалите хора по земята, които и идея си нямат за какво става въпрос.

За допълнителна информация (in English):
Cern.ch: Safety at the LHC
Специализиран доклад, публикуван в САЩ [pdf - 265 KB]
Специализиран доклад, публикуван в Европа [pdf - 172 KB]
Backreaction: Black holes at LHC - again

________
¹ Думи на д-р Аркани-Хамед в статия на NYTimes.

Gamma-Ray Large Area Space Telescope

На 11 юни се очаква NASA да изведе в орбита новия космически телескоп GLAST (Gamma-Ray Large Area Space Telescope). С негова помощ учените ще могат да наблюдават едно небе, коренно различно от това, което сме свикнали да виждаме нощем. Със своите високотехнологични инструменти GLAST ще отвори нов прозорец към едни от най-мощните източници на енергия във Вселената.

Гама-лъчите са най-високо енергичните лъчения в природата, генерирани от свръхмасивни черни дупки, сблъскващи се неутронни звезди, колапсиращи гигантски звезди, джетове от газ, движещ се със скорости близки до тази на светлината и др. Все още не е напълно ясно какво ги предизвиква, понеже източниците най-често са много отдалечени от нас.

Астрофизиците се надяват да получат отговори на много интересни въпроси и да изследват субатомни частици, притежаващи многократно по-високи енергии от тези в най-мощните ускорители на Земята. А космолозите ще имат шанс да се докоснат до нова информация относно раждането и ранната еволюция на Вселената.

Всичко това е благодарение на проект, разработван от NASA в сътрудничество с US Department of Energy, както и с други държави: Франция, Германия, Япония, Италия и Швеция. Телескопът ще бъде изстрелян на борда на ракетата Делта ІІ от Кейп Канаверал, Флорида. Ако няма проблеми, стартът ще е в сряда.

Цели на мисията:

• Да изследва най-екстремните места във Вселената, където се освобождава енергия, несравнима с нищо тук на Земята;
• Да търси признаци за нови закони на физиката, неизвестни за нас;
• Да търси отговор на въпроса от какво е съставена тъмната материя;
• Да обясни как черните дупки ускоряват големи количества газ под формата на джетове до скорости близки до тази на светлината;
• Да помогне да се разбули мистерията относно какво предизвиква тайнствените избухвания на гама-лъчи;
• Да отговори на трудни въпроси, свързани с много сфери на астрофизиката, включително слънчевите изригвания, пулсарите и произходът на космическите лъчи.

Всички ние пожелаваме успех на мисията!

________
За повече информация:
официална уеб страница на мисията,
wikipedia (english - български),
GLAST@Stanford,
GLAST@Sonoma State University,
страница на мисията @ nasa.gov.

Използвани изображения:
1. Симулирано изображение на това, което се очаква да се види с GLAST. Image credit: NASA;
2. Анимирано изображение на GLAST в орбита. Image credit: NASA;

3. Снимки от подготовката на космическия телескоп преди изстрелването. За по-големи изображения (до 1600х1200): тук. Image credit: NASA.

Отново за Големия адронов колайдер

С наближаването на дългоочаквания момент, когато Големият адронов колайдер (LHC) ще заработи, очаквам да започне да се пише и говори все по-често за него. Това безспорно ще е голямо събитие в научните среди и ще предизвика интерес и сред нас — обикновените хора.

Ето вероятният график, който трябва да очакваме при условие, че всичко върви гладко:

• До края на юни магнитите на LHC ще бъдат охладен изцяло. В момента само част от осемте сектора са охладени до необходимата температура от 1,9К.
• През юни ще бъде ограничен достъпът до детекторите и тунелите и ще се провеждат тестове.
• Към края на юли се очаква да бъде пуснат първият лъч от адрони (протони).
• Смята се, че ще са необходими два месеца до достигане на предвидените енергии от 10 TeV.
• Към края на септември ще бъдат проведени първите сблъсъци на частици с енергия 10 TeV. Ръководството на проекта е решило тази година да не се достига проектния максимум от 14 TeV.
• Към края на ноември съоръжението ще бъде изключено за зимния период.
• През 2009 г. ще бъдат осъществени първите сблъсъци с енергия от 14 TeV.

От този предварителен график разбираме, че тази година експерименти ще се извършват в период от два месеца. По-вероятно — 6-7 седмици.

Разбира се, медиен шум ще има само при пускането на първия лъч. След това научните експерименти ще текат скрити от погледите ни, до момента, в който физиците направят важно откритие. Ние ще следим с интерес.

И докато очакваме началото на експериментите, ето десет впечатляващи факти за LHC:

1. Когато 27-километровият кръгъл тунел е бил прокопаван между Женевското езеро и планината Юра, двата му края са се срещнали с разминаване по-малко от 1 cm.
2. Всяка от 6400-те свръхпроводими нишки от ниобиево-титаниева сплав в LHC е около 0.007 mm дебела — 10 пъти по-тънка от обикновен човешки косъм. Ако навържите всички нишки една за друга, получената дължина ще е достатъчна да стигне до Слънцето и обратно 5 пъти, и ще остане и за няколко дължини до Луната.
3. Всички протони, които ще се ускоряват в CERN са получени от обикновен водород. Въпреки че протонните лъчи в LHC са много интензивни, само 2 нанограма водород ще бъде ускоряван на ден. За да ускори 1 грам водород на колайдера ще са му нужни 1 милион години.
4. Централната част на тръбата ще бъде най-големият хладилник в света. При температура по-ниска от тази в дълбокия космос, в нея ще бъдат всички важни свръхпроводими намотки.
5. Налягането в тръбите ще е десет пъти по-ниско от това на лунната повърхност. Това е много дълбок вакуум.
6. Протоните с максимална енергия ще се движат с 0.999999991 пъти скоростта на светлината. Всеки протон ще изминава цялата 27-километрова тръба повече от 11000 пъти в секунда.
7. С максималната енергия всеки от двата лъча протони ще бъде енергийно еквивалентен на 400-тонен влак, движещ се със 150 km/h. Тази енергия е достатъчна за разтопяването на 500 kg мед.
8. Слънцето никога не залязва за екипа, участващ в проекта ATLAS. По експеримента работят учени от всеки континент, без Антарктида.
9. В магнитите на детектора CMS има около 10000 тона желязо. Това е повече от желязото в Айфеловата кула.
10. Данните, записвани при всеки от големите експерименти в LHC ще са достатъчни да запълват по около 100 000 DVD-та всяка година.

________
Информацията, използвана в тази публикация, е взета от различни източници, включително блогът на Tommaso Dorigo, статия във PhysicsWorld.com, и официалният сайт на CERN. Снимката е от галерията на CERN. За повече информация относно ускорителите на частици вижте статиите ми в блога за наука на в. Капитал: част І, част ІІ, част ІІІ.

Написах тази публикация отчасти и като отговор на въпрос, поставен в коментар от Надя Иванова. Искам да се извиня, че чак сега отговарям, и да изразя надеждите си, че в бъдеще ще ми остава повече време за този блог.

Що е то "бяла дупка"?

В предишната публикация споменах накратко за т.нар. "бяла дупка" и сега, в отговор на коментар на Станислав Янков, пускам малко повече информация за това какво е бяла дупка.

Бялата дупка всъщност не е точна противоположност на черната. Това е така, защото бялата се получава от черната като обърнем времето (time reversal). При тази трансформация ускорението не променя знака си (инвариантно е), т.е. и двете дупки привличат материя. Разликата идва при хоризонта на събитията.

Хоризонтът на черната дупка поглъща материя, докато хоризонтът на бялата дупка "излъчва" материя, привличайки я! С други думи, хоризонтът на бялата дупка се отдръпва от падащата към нея материя (което прилича на излъчване). Стига се момент, в който хоризонтът на бялата дупка се свива до сингулярността, при което дупката изчезва. Извод: Там, където има материя, не може да съществуват бели дупки.

Бялата дупка се среща само в абстрактния математически свят, при решение на уравнения, описващи т.нар. червейна дупка на Schwarzschild (или мост на Айнщайн-Розен) във вакуум. Това представлява черна дупка, свързана с бяла дупка чрез тунел през пространство-времето. Това решение на уравненията обаче няма смисъл в реалната Вселена, защото черната дупка никога не е във вакуум: тя се образува при колапс на звезда, т.е. при присъствие на материя. Когато включим материята в уравненията, белите дупки изчезват от уравненията.

Дали съществуват самостоятелни бели дупки? Това не е много вероятно, понеже се нарушава втория закон на термодинамиката.

Съществува обаче теория, според която щом се роди черна дупка някъде във Вселената, вътре в нея става "голям взрив", при което се образува нова вселена. Тази вселена се разширява в други измерения, отвъд нашите и невидими за нас. Материята, която е погълната от черната дупка в нашата вселена става материя, която изгражда новата вселена. Разширението на новата вселена може да се разглежда като "бяла дупка". Тази бяла дупка обаче няма конкретни координати, а хоризонтът на събитията й съвпада с космологичния хоризонт на новата вселена. Интересна теория, която обаче не може да бъде доказана в момента.

Допълнителна информация (на английски):
New Theory: Universe Was Born in a Black Hole (Space.com)
Schwarzschild wormhole (Andrew Hamilton's Homepage)

Бяла дупка

Кое е обратното на черната дупка? Бялата дупка, разбира се!

Бялата дупка е такъв обект, който не позволява на светлината да влиза в него. И досущ като черната, и тя си има хоризонт на събитията. Разликата е, че симулирането му е много лесно (за разлика от хоризонта на събитията на черната дупка).

Както се вижда на снимката, при водната струя се образува гладка кръгла зона, в която водата се движи със скорост по-голяма от тази на вълните, поради което никакви вълни не могат да навлязат там. Вълни се образуват в момента, в който скоростта на водата стане по-малка от тази на вълните. Хоризонтът на събитията е на границата между гладката зона и вълните.

________
От Scientific American

Изкуствен хоризонт на събитията

Британски учени от университета St. Andrews в Шотландия са създали изкуствен хоризонт на събитията в лаборатория. Това ще позволи да бъде изучен един от най-големите феномени във Вселената: черната дупка.

Черната дупка е голяма маса, концентрирана в една точка (сингулярност). При това времепространството около нея се изкривява до такава степен, че всичко попаднало отвъд хоризонта на събитията изчезва завинаги. Или поне така се предполагаше, докато Стивън Хокинг не доказа математически, че черните дупки губят маса при процес, наречен изпарение. Този процес не е наблюдаван, но се предполага, че е най-забележим при мини черните дупки. Такива може да бъдат създадени в LHC на CERN, който ще заработи по-късно тази година.

Британските учени са симулирали ефекта на преминаване на светлина зад хоризонт на събитията като пуснали в оптично влакно два лъча светлина. Единият е постоянен и бавен, а другият — кратък и бърз (светлината се движи с различна скорост в дадена среда в зависимост от характеристиките на вълната). Бързият лъч трябвало да настигне и изпревари бавния, но бавният променил оптичните свойства на влакното, в резултат на което бързият лъч бил значително забавен и не успял да задмине бавния. Това се случва и при преминаването на хоризонта на събитията: светлината се забавя дотолкова, че бива хваната в капана на черната дупка.

Щом учените се научат да симулират хоризонт на събитията в лабораторни условия, те ще могат да го изучат и да разберат в крайна сметка правилна ли е теорията на Стивън Хокинг за изпарението. А от там ще се доближим с още една стъпка към заветната теория на всичко.

Още по темата в: Space.com; UniverseToday; Telegraph.co.uk

________
Снимка: светлина в оптично влакно, Space.com

Слънцето, част ІІI — Слънцето сега

Днес Слънцето е звезда на средна възраст със следните характеристики:

Възраст: 4,55 милиарда години
Маса: 1,989 × 10^30 kg
Радиус: 695 000 km
Яркост: 3,83 × 10^26 W
Температура: 5779°К
Гориво: 50% от водорода в ядрото е изгорен

Днешното Слънце е съставено от около 70% водород, 28% хелий и по-малко от 2% други по-тежки елементи. Това съотношение се променя с времето заради термоядрения синтез на водород в хелий.

Външните слоеве на нашата звезда се въртят с различни скорости, понеже тя не е твърдо тяло. Периодът на въртене на екватора е 25,4 дни, а на полюсите — 36 дни. Към центъра тази разлика намалява, а ядрото се държи като твърдо тяло.

Условията в ядрото на Слънцето са екстремни: температура от 15,6 милиона Келвина и налягане от 250 милиарда атмосфери. В центъра плътността е повече от 150 пъти тази на водата.

Повърхността на Слънцето се нарича фотосфера. Температурата й е 5779°К. Често се наблюдават слънчеви петна, чиято температура е само 3800°К. Техният диаметър може да достигне 50 000 km. Механизмът на образуването им все още не е изцяло известен.

На милиони километри в пространството около Слънцето се простира короната. Тя може да се види само по време на пълно слънчево затъмнение, а температурата й е над 1 000 000°К. Защо? Това е загадка.

Магнитното поле на Слънцето е много сложно. То се простира много отвъд орбитата на Плутон и е известно като магнитосфера или хелиосфера.

Освен топлина и светлина, Слънцето е източник на т. нар. слънчев вятър. Това е поток от заредени частици (протони, електрони), движещи се с много висока скорост (600 km/s). По време на слънчеви избухвания се освобождават и много по-високо енергийни частици (рентгенови и гама-лъчи), които оказват силно влияние на Земята. Причиняват смущения в радиосигналите, проблеми с електроразпределителните мрежи, както и красивите небесни сияния в полярните области на планетата ни.

Отделяната от Слънцето енергия не винаги е постоянна. Известно е, че съществува 11-годишен цикъл на слънчева активност. През този цикъл звездата ни минава от сравнително спокоен период до активен период с повече слънчеви петна и избухвания. В момента сме в началото на новия активен период.

________
Изображения:
1. Снимка на гигантски протуберанс, направена на 14 септ. 1999 г. от космическата обсерватория за наблюдение на Слънцето SOHO;
2. Снимка на слънчевата корона по време на пълното слънчево затъмнение през 1999 г. Автор: © Luc Viatour GFDL/CC.

CERN в 3 минути

via CERNTV@YouTube

Пълно лунно затъмнение

Преди почти една година публикувах този превод на статия от SCIENCE@NASA. Поводът бе пълното лунно затъмнение на 3 март 2007.

Утре, 21 февруари, ще наблюдаваме поредното лунно затъмнение. То ще започне в 5:01 и ще свърши в 5:51. Следващото такова явление ще е чак през 2010 г.

Представи си това: Годината е 2025 и ти си на Луната. „Вкъщи” е на 100 метра — станция на ръба на кратера Шакелтон. НАСА е започнала да я строи преди пет години и тя сега се разраства бързо. Ти си от строителите.

Винаги в тези полярни райони Слънцето виси ниско над назъбения лунен хоризонт. Настройваш визьора си и се удивляваш колко силно може да свети ниското Слънце, когато липсва атмосфера да го затъмни. Изведнъж светлината изгасва. В небето голям черен диск покрива Слънцето. Появява се червен „огнен пръстен” на мястото, където до преди малко то е било, и земята под краката ти се оцветява в червено.

Ти го очакваше. Това е затъмнение. Астронавтите на Луната ще стават свидетели на слънчеви затъмнения веднъж или два пъти в годината: Земята се плъзга пред Слънцето и превръща лунния ден в странна яркочервена нощ. Това ще е кулминацията на всяка туристическа лунна обиколка.

Чарът на затъмнението идва от Земята. Планетата ни е достатъчно голяма (около три пъти в повече), за да покрие изцяло Слънцето, но дори това не предизвиква пълен мрак! Слънчевите лъчи се пречупват през атмосферата на Земята. Гледано от Луната, ръбът на Земята ще засвети като пръстен с цвят на залязващо слънце — едно от най-красивите неща в Слънчевата система.

Не можеш да чакаш до 2025? Следващото затъмнение е зад ъгъла: събота, 3 март, 2007. Тук на Земята не можеш да видиш пръстена от огън, но можеш да видиш червения отенък върху повърхността на Луната. Феноменът ще се вижда от части от всичките седем континента.

Изгряващата Луна често се оцветява в червено заради атмосферата ни, но тази Луна ще има невероятен тъмно червен цвят, който се вижда само при лунно затъмнение. Докато я гледаш как пълзи по нощния небосклон се замисли какво ще е усещането да си до кратера Шакелтон и да гледаш в другата посока.

Това не е чак такава фантастика. НАСА планира да изпрати астронавти на Луната преди 2020 година*. От полярната им базова станция хората ще изследват спътника ни за ресурси, чрез които ще могат да живеят там. Ще изучават лунната геология, откривайки повече за уникалния потенциал на Луната да разкрие древните тайни на Земята и Слънчевата система. Те също ще изпитват технологии, нужни за бъдеща мисия до Марс.

И понякога, когато земята под краката им почервенява, те ще се спират и ще поглеждат нагоре към светещия пръстен в небето. Трети март е хубава дата да си представиш всичко това!

Както е и 21 февруари :)

________
* Годината 2020 за връщане на Луната не е особено реалистична.
Изображение: Диаграма на затъмнението за нашата часова зона (GMT +2), NASA
Информация от NASA за пълното лунно затъмнение на 21 февруари.

Слънцето, част ІІ — Младото Слънце

Свиването на протослънцето продължило около 100 милиона години, когато температурата в центъра му достигнала критичните 15 милиона градуса по Келвин¹. Тогава започнал термоядрен процес, при който водородните атоми се съединяват в хелий и се отделя голямо количество топлина. Слънцето се запалило и се родило.

Енергията, освобождавана от синтеза на хелий, повишила вътрешното налягане и настъпило хидростатично равновесие, при което свиването на Слънцето под действието на гравитационното привличане спряло. Слънчевата светлина и вятър издухали оставащия газ и прах, освен в екваториалната област на протопланетарния диск.

Няколко милиона години по-късно младото Слънце изчистило пространството около себе си и заедно с осемте планети² и милионите други малки тела изградило Слънчевата система.

Запалването на водорода станало преди 4,5 милиарда години. Слънцето има достатъчно гориво, за да живее стабилно общо 11 милиарда години. Младото Слънце било малко по-малко, по-бледо и по-студено от сегашното.

________
¹ - Градусите по Келвин са същите като тези по Целзий, но началото на скáлата е абсолютната нула (0°К = –273,15°С), при която спират всякакви термодинамични процеси. Частиците спират да трептят.

² - На 24 август 2006 г. Международният астрономически съюз дефинира за пръв път понятието "планета" и прекласифицира Плутон, смятаната дотогава за девета планета, като планета-джудже.
Изображение: Рисунка, представяща хипотетична млада звезда и образуващи се газови планети. Credit: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)

Слънцето, част І — Протослънцето

Общоприетата хипотеза за образуването на Слънцето и Слънчевата система е хипотезата за газо-праховата мъглявина. Според нея, преди около 4.6 милиарда години тук е имало тъмна мъглявина с размери няколко светлинни години, съставена от студени молекули водород. По едно време експлозии на много големи близки звезди (свръхнови) причинили ударни вълни, които, минавайки през първичния облак, създали области с повишена плътност. Водородът започнал да се концентрира, което увеличило силата на гравитацията на тези области. С времето те ставали все по-плътни и по-горещи, докато накрая не се обособили като самостоятелни ядра, дистанцирани от останалия водород. Смята се, че от първичната мъглявина са се образували няколко звезди.

Една от тези области дала началото на Слънчевата система. Предполага се, че диаметърът й бил около 10-20 хиляди астрономически единици (astronomical unit, AU¹), масата й — много малко по-голяма от тази на Слънцето, а съставът — 98% водород от времето на Големия взрив и 2% по-тежки елементи от експлодирали големи стари звезди.

Със свиването си облакът започнал да се върти все по-бързо, молекулите се блъскали все по-често и все по-силно, започнала да се отделя топлина и центърът станал многократно по-горещ от останалата част. Родила се протозвезвда, която не можела да се види заради гъстия облак от газ и прах. Само инфрачервената светлина минавала безпрепятствено през облака. Около горещото протослънце се обособил тънък въртящ се протопланетарен диск с диаметър 200 а.е., от който в последствие се образували планетите.

________
¹ - 1 AU = 150 млн. км — разстоянието от Земята до Слънцето в момента.
Изображения:
1. Стълбовете на сътворението, област на активно звездообразуване. Снимка: Hubble
2. Протопланетарен диск в газо-прахова мъглявина. Изображение: NASA

Pareidolia

"Парейдолия, (парейдолическа илюзия): (Древно-гръцки: para- лъжлив, и eidolon, умалително на eidos изображение, форма.) е психически феномен, породен от неясен, неопределен и погрешно дешифриран стимул (често визуален). ... Тази функция е била важна при развитието и социализацията на човешки вид. ... Парейдолията е признак за развито въображение, а понякога и за начален стадий на остра психоза." — Уикипедия

След като дълго време все още действащите мисии на Марс не получаваха заслужено внимание от страна на медиите, марсоходът Спирит трябваше да направи тази снимка, за да се вдигне шум. Ето изображението с ниска резолюция:


А ето кое привлече вниманието на медиите:

Увеличих това изображение от оригиналната снимка с висока резолюция, която може да се намери тук. На панорамата горе не може да се види, но тази "фигура" се намира най-вляво. Да, прилича на човешка фигура, но не, това не е живо същество.

Снимките от почти всички космически кораби и сонди са монохромни. Цветни изображения се получават като се правят поне по три отделни снимки с цветни филтри, които после биват наслагвани една върху друга. Докато е правена тази снимка, соченото за "живо същество" не е мърдало в продължение на няколко минути. Освен това, три дни преди да бъде направена панорамната снимка, с навигационните си камери марсоходът е направил ориентировъчна снимка, на която също се вижда тази скалá.

Увеличеното изображение създава илюзията, че "фигурата" е с размери на човек. Истината обаче е, че тези скали са били на около 5 метра от роувъра Спирит, което значи, че "човекът" е висок 6 cm.

Забележителното на снимката от Марс не е случайната игра на светлината, която създава парейдолическата илюзия, а е фактът, че това наистина е Марс. Това е един друг свят на повече от 100 милиона километра от нас, на който едва сме направили първите си стъпки, но пратениците ни там вече четири години скитат и ни пращат данни. Двата роувъра Спирит и Опортюнити са били проектирани да работят не повече от шест месеца.

За ускорителите

Днес в блога за наука на Капитал публикувахме първата от три статии за ускорителите на частици. В нея става въпрос за същността и компонентите на тези научни съоръжения. Заедно с наблюденията на Вселената с мощни телескопи, както и с няколко други мащабни експерименти, това са единствените начини учените да проверяват, доказват или опровергават теориите си.

До края на месеца предполагам, че ще са готови и трите статии, а ако възникнат въпроси, коментарите са добре дошли :)

symmetry

Преди известно време попаднах на интернет страницата на symmetry magazine — издание на Фермилаб (най-големият кръгов ускорител на частици в САЩ) и SLAC (Stanford Linear Accelerator Center — най-големият линеен ускорител на САЩ) — и двете съоръжения са финансирани от US Department of Energy.

На сайта на списанието има възможност за абониране не само за електронния формат, но и за хартиения. При това безплатно. Реших да пробвам и ето, че днес получих втори брой.

Самото списание не е нещо особено, но има интересни статии от физиката на елементарните частици и други аспекти на тази забележителна наука. Та който иска, може да се абонира на тази страница (или да го чете онлайн, разбира се).

Черни дупки се въртят почти със скоростта на светлината

Според нови изследвания е много вероятно големите свръхмасивни черни дупки в сърцата на някои галактики да се въртят толкова бързо, че да доближават максимално допустимата скорост в природата: скоростта на светлината.

Централните черни дупки в галактиките не само огъват тъканта на пространството, но и го завъртат при въртенето си (много черни дупки се въртят). Гигантски количества материя се движат по спирала към дупката. Освен това въртенето създава магнитно поле, което изстрелва част от материята под формата на огромни джетове (потоци).

Установена е зависимост, че колкото повече газ пада към дупката, толкова по-мощни са джетовете и толкова по-бързо се върти акреционния диск около нея. Астрономите са изследвали девет огромни елиптични галактики и изчислили, че централните им дупки поглъщат по 10 земни маси всеки месец, а чрез джетовете за една секунда се освобождава енергия, еквивалентна на излъчената от Слънцето за 50 години напред! Направени са компютърни симулации, които са сравнени с изображения от космическия телескоп "Чандра". Ако това е вярно, то газовете около тези черни дупки би трябвало да се въртят със скорост, близка до тази на светлината.

Подобни джетове могат да загреят газовете, през които минават, до такива температури, че да предизвикат звездообразуване в тях! Освен това могат и да изпарят за секунда атмосферите на близки планети и да ги превърнат във въглени.

________
Източник: Space.com
Изображение: NASA

Големият взрив V2.0

via Backreaction
LabReporter

Открита е най-масивната черна дупка, 2008

След известно прекъсване по празниците се връщам отново към страниците на този блог. Искам първо да честитя Новата 2008 година на всички читатели и да ви пожелая здраве, успехи и безгранично вдъхновение за нови открития и амбициозни начинания.

Ето и първата публикация тук за тази година: От сайта Space.com научаваме, че е открита най-голямата свръхмасивна черна дупка във Вселената — 18 милиарда пъти по-масивна от Слънцето, или 6 пъти по-масивна от предишния рекордьор. Намира се на 3.5 млрд св. г. в сърцето на квазара OJ287. Това не е изненада, защото моделите отдавна подсказват за наличието на такива гиганти, но е първото реално доказателство. Разбира се, този рекорд без съмнение ще бъде подобрен, но засега фактите са красноречиви.

Черните дупки не могат да бъдат директно наблюдавани, затова астрономите използват косвени методи за засичането и изследването им, като влиянието на силно концентрираната маса върху траекториите на близки звезди и др. Така те определят и големините на черните дупки. Квазарите пък са активни ядра на галактики, които получават енергия от падащата материя в свръхмасивните черни дупки в тях. Те са по-малки от Слънчевата система, но светят по-силно от милиарди слънца.

Специално този квазар (OJ286) е известен на астрономите отдавна и се знае, че от него редовно идват по два пулса светлина за период от 12 години. Два от тях бяха наблюдавани през 1994-1995 г., а първият от следващата двойка — през 2005 г. Тези наблюдения помогнаха на учените да настроят моделите си по-точно, като така те предвидиха, че следващият пулс ще пристигне на 13 септ. 2007.

Защо два пулса? Това има просто обяснение: в ядрото на галактиката има не една, а две черни дупки. Втората е по-малка, обикаля в акреционния диск на първата и два пъти на 12 години го пресича. Най-важното е, че точно на уречената дата от квазара дойде единичен светлинен пулс. Това е солидно доказателство за правотата на модела и теорията за бинарната система. Следващият пулс се очаква през януари 2016 г.

В изследването участваха международна група от астрономи, които наблюдаваха небето с телескопи от цял свят.

________
Източник: Space.com
Изображение: Разрез през акреционен диск на свръхмасивна черна дупка, NASA