Новости

Вспышка гравитационных волн, пойманная обсерваторией LIGO в сентябре 2015 года, не могла возникнуть в результате образования пары черных дыр в недрах одной крупной звезды, заявляют астрономы в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Кадры из симуляции процесса рождения черных дыр в недрах звезды
© Fedrow et al. / PRL 2017

«Результаты наших расчетов показывают, что если бы пара черных дыр, породившая вспышку GW150914, возникла в недрах одной звезды, то их слияние было бы более коротким, чем на самом деле. Узоры реальных и виртуальных гравитационных волн начинают совпадать только тогда, когда плотность звезды в нашей модели понижается до уровня вакуума», — рассказывает Джозеф Федроу (Joseph Fedrow) из университета Киото (Япония).

В сентябре 2015 года, фактически сразу после включения обновленного LIGO, ученые обнаружили всплеск гравитационных волн, порожденных сливающимися черными дырами общей массой в 65 Солнц. Впоследствии LIGO зафиксировал еще пять событий, также вызванных, за одним исключением, слияниями крупных черных дыр.

Это открытие запустило новый виток споров среди ученых: как именно могли возникнуть такие пары черных дыр и можно ли проследить историю их образования по тому, как происходит слияние.

Некоторые астрономы считают, что черные дыры в таких парах рождаются в одиночестве и лишь через очень продолжительное время сближаются друг с другом и сливаются. Эта теория накладывает очень строгие ограничения на частоту слияний и место, где они могут происходить, — фактически пары черных дыр возникают только в сверхплотных шаровых скоплениях на окраинах галактик.

Есть и альтернативная теория, избавленная от подобных недостатков. Ее сторонники полагают, что пары черных дыр формируются сразу после смерти особо крупных звезд, чья масса превышает солнечную в 50-60 раз. На последних этапах жизни в таких светилах могут возникнуть аномально плотные области, которые заставляют их в буквальном смысле разорваться на части, превратившись в две нейтронные звезды или черные дыры.

В качестве доказательства авторы этой идеи указывали на одну из главных загадок — вспышку гравитационных волн, за открытие которой американские ученые получили в этом году Нобелевскую премию по физике. Дело в том, что телескоп «Ферми» тогда зафиксировал слабую гамма-вспышку, возникшую приблизительно в то же время и в той же части небосвода, где был и всплеск GW150914.

Федроу и его коллеги решили проверить, могло ли так быть на самом деле, для чего создали компьютерную модель звезды массой в 60 Солнц, в теории способную породить пару черных дыр нужной массы. Наблюдая за формированием этих объектов и их последующим столкновением, ученые сравнивали полученные профили гравитационных волн с данными с LIGO и пытались добиться идентичности.

Как оказалось, высокая плотность недр даже весьма «престарелых» и раздутых звезд заметно ускоряла процесс слияния черных дыр: они замедляют движение, «цепляясь» за окружающий их сверхплотный газ. Как показывают расчеты ученых, в результате этого торможения длина вспышки сократится в 1,5-3 раза.

Поэтому гравитационные волны, порожденные такими черными дырами-«двойняшками», будут заметно отличаться от возникающих в результате слияний одиночных черных дыр. Однако ни один из сценариев, просчитанных Федроу и его коллегами, не похож на GW150914 и другие вспышки гравитационных волн, зафиксированные LIGO. Все это говорит о том, что совпадение гамма-вспышки и всплеска гравитационных волн, вероятно, было простой случайностью.

Как подчеркивают исследователи, отсутствие следов подобных «двойняшек» не обязательно говорит о том, что их в принципе нет во Вселенной, хотя шансы на это довольно невелики. Дальнейшие наблюдения LIGO, ViRGO и новых детекторов гравитационных волн, по словам Федроу, помогут проверить, так ли это или нет.

Источник: РИА Новости

Еще с 19-го столетия ученые начали замечать потрясающее подобие физических законов, описывающих электрические явления, законам, описывающим магнитные явления. Однако, существует одна единственная вещь, отсутствие которой служит препятствием полной симметричности законов — магнитные монополи. Эти магнитные монополи в виде элементарных частиц продолжают на сегодняшний день оставаться неуловимыми для ученых, однако учеными уже был создан ряд искусственных объектов, которые демонстрируют некоторые из свойств магнитных монополей. А группе исследователей из австрийского Института науки и техники (Institute of Science and Technology Austria, IST Austria) удалось продемонстрировать, что капельки сверхтекучей жидкости, жидкого гелия, действуют как магнитные монополи по отношению к молекулам, погруженным в них. Капли сверхтекучей жидкости изучались учеными в течение очень долгого времени, но до последнего времени никому не удавалось заметить их «магнитную особенность».

Капля сверхтекучего гелия действует как магнитный монополь
© IST Austria/Birgit Rieger

Работая с электрическими зарядами, можно достаточно легко разделить их положительные и отрицательные полюса. Отрицательно заряженный электрон как раз и является отрицательным полюсом, а положительно заряженный протон — положительным. Каждый из таких полюсов является отдельной физической частицей, которые можно отделить друг от друга. С магнитами все выглядит намного сложнее, если взять один магнит и разделить его на две части, то мы получи два магнита, имеющие по два полюса. Другими словами, принципиально невозможно физически разделить магнит на два, у которых присутствует только один из полюсов.

Озадаченные загадкой свойств магнитов, ученые создавали искусственные системы и упорядоченные кристаллические структуры, которые действуют, как магнитные монополи. В свое время группа физиков-теоретиков и математиков показала, что такое же явление может происходить в молекулярных системах, в том числе и системах естественного происхождения.

К таким системам относятся капли сверхтекучей жидкости, размеры которых исчисляются нанометрами. Для описания необычных свойств таких систем было даже введено понятие квазичастицы, получившей название ангулон (angulon), существование которой позволяет объяснить некоторые экспериментальные данные, собранные учеными за последние 20 лет.

«Другие ученые все время пытались создать искусственные системы, являющиеся магнитными монополями» — пишут исследователи, — «В нашем же случае дело обстоит совсем наоборот, данная система, капелька сверхтекучей жидкости, известна и изучена уже давно. Ученые уже хорошо изучили процессы вращения молекул в таких каплях, но только сейчас мы поняли, что капля является и всегда являлась магнитным монополем, что обуславливало некоторые характерные особенности ее поведения».

По мнению ученых, сделанное ими открытие открывает широкий ряд возможностей для детального изучения магнитных монополей. Единственной загвоздкой в этом деле является то, что проявления магнитного монополя в капельке сверхтекучей жидкости кардинально отличаются от проявлений магнитных монополей в других системах.

«Основным различием является то, что мы имеем дело с химическим раствором. Наши магнитные монополи формируются в жидкости, а не в твердом материале» — рассказывает профессор Михаил Лемешко (Professor Mikhail Lemeshko), — «Это, с одной стороны, затрудняет, а с другой — значительно облегчает исследования этого уникального явления».

По материалам PhysOrg
Статья опубликована в журнале Physical Review Letters
Источник: dailytechinfo. org

Российский математический физик из Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН совместно с коллегами из Германии исследовал свойства светодиодов на основе нитрида галлия и построил математическую модель, объясняющую, почему лишь малая часть затраченной электрической энергии переходит в световую. В будущем это поможет создать светодиоды с более высоким КПД. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Результаты опубликованы в Journal of Physics D: Applied Physics, кратко о них рассказывается в пресс-релизе РНФ.

Моделирование процессов диффузии и захвата экситонов проникающими дислокациями
© Карл Сабельфельд

«Данная работа поможет улучшить эффективность светодиодов из нитрида галлия, а также должна послужить толчком к более детальному экспериментальному поиску материалов для светодиодов с более высокой квантовой эффективностью, то есть высокой светоотдачей», – комментирует ведущий автор работы Карл Сабельфельд, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН. 

Светодиод – это прибор на основе полупроводника, превращающий электрический ток в световое излучение. Полупроводники – вещества, которые по своим свойствам находятся между проводниками и материалами, неспособными проводить электричество. Их проводимость меняется в зависимости от температуры, излучений и других внешних условий. Работа полупроводников основана на переходе электронов на «вакантные места», которые называются дырками. Поскольку дырки заряжены положительно (им не хватает электронов, заряженного отрицательно), они перемещаются вслед за электронами, что также называется перемещением заряда.

Начиная с 1990 года светодиоды часто делают из нитрида галлия (GaN). Это кристаллическое вещество – перспективный материал для изготовления других полупроводниковых приборов, так как нитрид галлия устойчив к ионизирующему излучению. Поэтому из GaN можно делать не только светодиоды, но и солнечные батареи для космических аппаратов. Эффективность уже первых светодиодов на основе нитрида галлия была сравнительно велика (4%), хотя плотность «ловушек», из-за которых энергия может теряться, у нитрида галлия намного больше, чем у других полупроводников с таким же КПД.

Полупроводник из GaN, как и любой кристалл, имеет дислокации – линии, где нарушена регулярность кристаллической решетки (ещё их называют несовершенствами решетки, так как атомы в случае дислокаций оказываются несимметрично сдвинуты). Дислокации – это «ловушки», захватывающими экситоны (пары из электрона и дырки). Пойманные «ловушками» экситоны уже не могут излучать энергию в виде света, и светодиод светит слабее, чем мог бы. Поэтому дислокации и другие возможные дефекты мешают создать светодиоды, в которых потери энергии не происходит.

«Однако строгой физической теории о том, как происходит взаимодействие экситонов с дислокациями, не существует, и проблема еще усложняется тем, что методы физических измерений таких взаимодействий довольно сложны и требуют математической поддержки и компьютерного моделирования», – поясняет Карл Сабельфельд.

Наконец такая теория была создана, и помогли в этом методы измерения попадания экситонов в их «ловушки». Чтобы засечь сигнал от взаимодействия экситонов и «ловушек», экспериментаторы используют несколько методов: катодолюминесценцию, основанную на свечении вещества, которое облучили потоком быстрых электронов, и измерение тока, вызванного воздействием на нитрид галлия пучка электронов.

Физики провели сложнейшие, по их словам, расчеты и впервые нашли точное решение задачи об интенсивности катодолюминесценции и тока, вызванного действием электронного пучка. Также они впервые построили модель взаимодействия экситонов и дислокаций, создав строгую теорию, математически объясняющую экспериментальные данные. Новые модели позволяют гораздо лучше понять, как и почему экситоны попадают в «ловушки» и что в будущем поможет повысить КПД светодиодов.

Исследование выполнено совместно с учеными из Института твердотельной электроники им. П. Друде (Берлин).

Источник: polit .ru

Российский математик и его коллега из Израиля доказали многомерную версию «теоремы о дощечках», постулирующей, что шар можно полностью покрыть выпуклыми полосками, совокупная ширина которых будет составлять, как минимум, половину длины его самой большой окружности. Доказательство было опубликовано в журнале Geometric and Functional Analysis.

© Пресс-служба МФТИ

«Задача Ласло Фейеша Тота привлекала внимание математиков, занимающихся дискретной геометрией, уже более 40 лет. У этой задачи оказалось изящное решение, и нам посчастливилось его найти. Она навела нас на мысль о другой, более сильной гипотезе о покрытии сферы смещенными зонами, полученными пересечением единичной сферы с трехмерными полосками-дощечками, не обязательно симметричными относительно центра», — рассказывает Александр Полянский, математик из Московского Физтеха в Долгопрудном.

Эта теорема, как отмечает ученый, является важнейшей частью так называемой дискретной геометрии – особого раздела математики, который изучает, как соотносятся друг с другом геометрические фигуры, их комбинации и наборы. К примеру, она позволяет ответить, какое наибольшее число шаров одинакового размера можно разместить вокруг одного такого же шара. Многие подобные задачи имеют важное практическое значение, так как напрямую связаны с проблемами в IT, физике и химии.

Одна из главных задач, которую изучают представители этой области математики — так называемая «теорема о дощечках», сформулированная еще в начале 20 века. В самом простом виде она гласит, что круг любых размеров невозможно покрыть дощечками, чья общая ширина меньше диаметра самой окружности. Простые варианты этой задачи, как пишут Полянский и его коллега Цзылинь Цзян, более 50 лет назад решили Альфред Тарский и Трегер Банг.

Более сложную версию теоремы выдвинул в 1973 году венгерский математик Ласло Фейеш Тот, который предположил, что сферическую поверхность любых размеров можно покрыть определенным набором трехмерных выпуклых «дощечек», похожих по форме на тонкие полоски кожуры арбуза, чья общая толщина составит как минимум половину длины самой большой окружности.

Авторам статьи, опиравшимся на идеи, которые использовал Трегер Банг для доказательства первой многомерной версии «теоремы о дощечках», удалось не только решить задачу Фейеша Тота, но и показать, что его гипотеза будет работать в многомерном пространстве.

Российский и израильский математики, как и Банг, шли в своем доказательстве от противного: они предположили, что суммарная ширина «дощечек», полностью покрывающих сферу, будет меньше половины длины окружности, и хотели получить противоречие в виде точки, которая лежала бы на сфере, но не была покрыта «дощечками».

Подобные противоречия были найдены, что доказало справедливость идей венгерского математика. Как считают исследователи, их доказательство ускорит развитие дискретной геометрии и позволит сформулировать ряд новых математических и практических задач, связанных с «теоремой о дощечках» и гипотезой Фейеша Тота.

Источник: РИА Новости

Ученые Российской антарктической экспедиции (РАЭ) Арктического и антарктического НИИ Росгидромета в субботу возобновили работы на самой глубокой в мире скважине, которая ведет к реликтовому подледниковому озеру Восток в центральной части Антарктиды, расположенном под одноименной российской станцией.

Озеро Восток
© NASA

Станцию Восток открыли ровно 60 лет назад, 16 декабря 1957 года, и возобновление подготовительных работ на скважине стало главным событием в день ее рождения, сообщил ТАСС начальник РАЭ Александр Клепиков.

«Сегодня специалисты гляцио-бурового отряда начали подготовку к буровым работам в скважине. Бурение будет начато с отметки 3720 метров, до 6 февраля планируется пройти около 25 метров и провести исследование процессов расширения нижнего участка скважины. Эта подготовка нужна для проникновения в озеро в следующем сезоне», — рассказал Александр Клепиков.

В этом полевом сезоне исследователи выполнят две задачи — разработают технологию для нового проникновения в озеро с тем, чтобы в его воды не попали технологические жидкости, применяемые при бурении. Вторая задача — изучение кернов, полученных при бурении. «Прямо на станции ученые выполнят макроскопическое описание керна, будут измерять электропроводность льда, определят размеры его кристаллов», — отметил Александр Клепиков.

Исследование реликтового озера

Обнаружение в Антарктиде, под мощным ледяным панцирем реликтового озера стало важным географическим открытием XXI века. Еще в советское время ученые высказали предположение о существовании озера, в 1989 году здесь начались буровые работы. 5 февраля 2012 года ученые, пробурив скважину во льду глубиной 3769 метров, достигли поверхности озера и смогли зачерпнуть оттуда воды.

По мнению Валерия Лукина, четверть века руководившего Российской антарктической экспедицией, а сейчас продолжающего работать в РАЭ в должности начальника отдела, исследование реликтового озера, лежащего под ледником на глубине почти четырех километров, позволило «разработать исследовательские технологии и компетенции в области глубинного бурения, которыми не обладает больше ни одна страна мира».

«Экологически чистое вскрытие подледникового озера стало технологическим достижением российской науки», — подчеркнул Валерий Лукин. Затем была разработана технология контролируемого вскрытия озера, чтобы при замерзании вода из озера не поднималась выше 70 метров по стволу шахты.

25 января 2015 года состоялось контролируемое вскрытие озера. В нижних слоях ледяного керна сотрудники Петербургского института ядерной физики РАН (ПИЯФ) обнаружили молекулы ДНК бактерий-термофилов, средой обитания которых являются природные воды с температурой выше 60 градусов Цельсия. «Это открытие свидетельствует о возможном существовании на дне озера гидротермальных источников», — пояснил Лукин. Керны из озера Восток изучают исследователи палеоклимата, и по содержанию газов на разной глубине стремятся воссоздать процесс перемен климата на планете за миллионы лет.

Имя и место для станции

Станцию Восток открыли 16 декабря 1957 года. «Задача создания станции в этом районе Антарктики была возложена на Вторую комплексную антарктическую экспедицию АН СССР под руководством заместителя директора Арктического НИИ, Героя Социалистического Труда Алексея Федоровича Трешникова», — рассказал Валерий Лукин.

Новую станцию в центральном районе Антарктиды назвали в честь шлюпа «Восток», одного из судов, на которых к ледовому континенту в 1820 году вышли первооткрыватели Антарктиды — Фаддей Беллинсгаузен и Михаил Лазарев.

От станции Восток до ближайшего человеческого жилья полторы тысячи километров, больше четырех месяцев в году — с 21 апреля по 21 августа — здесь стоит полярная ночь, 10 месяцев в году Восток не имеет сообщения с внешним миром. «Добраться зимой на Восток невозможно, даже космос доступнее. Чтобы попасть на орбиту, есть технические решения, хоть и дорогостоящие, здесь их нет», — уточнил он. Причина в том, что «с 25 февраля по 12 ноября на станции Восток наблюдаются температуры воздуха ниже минус 55 градусов Цельсия, при столь низких температурах гидравлические жидкости замерзают, и самолет не сможет убрать и выпустить шасси».

23 июля 1983 года на станции Восток был зарегистрирован абсолютный минимум приземной температуры воздуха на Земле — минус 89,2 градуса Цельсия. Адаптироваться на станции может не каждый, некоторых сражает горная болезнь — неспособность организма переносить пониженное содержание кислорода в воздухе.

Из-за крайне суровых условий на Востоке практически не бывает туристов. Станция полностью занесена снегом, проходы между домами представляют собой тоннели в человеческий рост — и в этом еще одна уникальность Востока.

Источник: ИТАР- ТАСС

НАСА сообщило об обнаружении восьмой планеты в системе звезды Kepler-90, Солнечная система больше не является уникальной по числу планет, заявили авторы проекта на сайте космического агентства. Новая планета Kepler-90i была обнаружена в системе, расположенной в созвездии Дракона в 2,5 тысячи световых лет от Земли у звезды Kepler-90, благодаря разработанному компанией Google методу компьютерного анализа данных, полученных ранее телескопом Кепплер, говорится в сообщении.

© Fotolia / studio023

«Планета Kepler-90i – восьмая планета в системе Kepler-90, и это делает ее первой известной системой, в которой столько же планет, сколько в нашей Солнечной системе», — рассказал на брифинге в четверг специалист по искусственному интеллекту Google Кристофер Шалю (Christopher Shallue), слова которого приводит НАСА.

Как заявил в связи с этим открытием участник проекта, астроном и стипендиат НАСА в Техасском университете Эндрю Вандерберг (Andrew Vanderburg), Kepler-90i является горячей (около 427 градусов Цельсия) и каменистой планетой, которая совершает вращение вокруг орбиты своей звезды за 14,4 дня, поясняется в сообщении.

Ученый не исключил, что система Kepler-90 может состоять из еще большего числа планет, а также не быть уникальной по этой характеристике. «Kepler-90 – единственная известная система с восемью планетами, помимо нашей, но, определенно, она не последняя … Впервые со времен открытия планет Солнечной системы тысячи лет назад мы знаем, что Солнечная система не является уникальным рекордсменом по числу планет», — цитирует Вандерберга сайт НАСА.

Открытие было сделано благодаря методу машинного обучения, который позволяет распознавать экзопланеты, ранее не увиденные астрономами. По данным НАСА, сегодня известны более 3,5 тысячи эксзопланет, свыше 2,5 тысячи из них были открыты благодаря данным с телескопа Кеплер.

Телескоп Кеплер был запущен в 2009 году, его задачей является поиск экзопланет. В 2013 году аппарат в связи с поломкой официально завершил свою основную миссию, но продолжает вести наблюдения, его вторичная миссия получила название К2.

Источник: РИА Новости

Из-за глобального потепления лед в Арктике тает быстрее, чем когда-либо за последние 1500 лет. Это отмечается в докладе Национального управления США по исследованию океанов и атмосферы (НОАА), который был представлен на конференции Американского геофизического союза в Новом Орлеане.

«В Арктике сейчас происходят беспрецедентные за всю историю человечества изменения, — подчеркнул один из авторов 93-страничного доклада руководитель программы арктических исследований в НОАА Джереми Мэтис. — И нам нужно сейчас усилить наблюдение за происходящими процессами, чтобы лучше понять, как эти изменения отразятся на каждом из нас, а не только на тех, кто живет на Севере».

«Арктика традиционно была холодильником нашей планеты, но дверь этого холодильника оставили открытой, — добавил он. — Сегодняшняя Арктика совсем не похожа на ту, которая была еще 10 лет назад».

Как указывается в докладе, в 2017 году общая площадь арктического льда была на 25% меньше, чем в среднем в 1981-2010 годах. Толщина ледяного покрова уменьшается. Примерно 79% льда образовалось в течение последнего года, в то время как в 1985 году «возраст» 45% льда превышал два года. Средняя температура в Арктике за период с октября 2016 года по сентябрь 2017 года была выше обычной на 1,6 градуса по Цельсию. Повысилась и температура воды в Северном Ледовитом океане. В Чукотском море, расположенном между российской Чукоткой и американской Аляской, ее рост составил 4 градуса по сравнению со средними показателями в течение 1982-2010 годов.

Кроме того, зафиксировано повышение температуры вечномерзлого грунта в материковых районах, окружающих Арктику. По словам одного из авторов доклада, исследователя из Университета штата Аляска Владимира Романовского, «потепление этого грунта существенно отражается на жизни людей — разрушаются дома и дороги, значительный ущерб причиняется другим объектам инфраструктуры». При оттаивании вечномерзлого грунта высвобождаются такие парниковые газы, как углекислота и метан, что еще больше способствует росту температуры на планете и, соответственно, дальнейшему таянию льда и мерзлоты в полярных регионах, заметил учений.

Исследователи предупреждают, что потепление воды и воздуха в Арктике может изменить движение атмосферных течений, что в свою очередь приведет к погодным аномалиям на различных континентах. Таяние арктического льда неизбежно отразится на фауне и флоре в регионе. Сразу несколько стран могут вступить в конкурентную борьбу за доступ к арктическим запасам нефти и газа.

«Происходящие в Арктике изменения отразятся на всей планете», — считает исполняющий обязанности главы НОАА Тимоти Гэллодет.

Источник: ИТАР -ТАСС

На этой неделе в США проходит ежегодное собрание Американского геофизического союза (AGU); его участники уже рассказали о том, как по спутниковым фотографиям моделировали первый за последние 54 года долгоживущий вулканический остров и как может выглядеть новая цель зонда New Horizons – MU69, объект пояса Койпера, у которого может быть спутник. Сегодня очередной доклад собрания дал ответ на многолетнюю загадку возраста колец Сатурна. О докладе рассказывает редакционная статья на сайте журнала Science.

© NASA

Для определения времени формирования колец Сатурна две международные группы ученых использовали данные «Кассини», собранные зондом в последние месяцы перед падением в атмосферу газового гиганта. Оказалось, что кольца образовались всего несколько сотен миллионов лет назад, намного позже самого Сатурна, возраст которого составляет 4,5 миллиарда лет. Динозавры и все их предшественники жили в Солнечной системе с Сатурном без колец.

Первые доказательства относительной молодости колец Сатурна появились еще в конце 70-х во время полета «Вояджера», но тогда ученые не смогли предложить убедительные альтернативные версии образования колец, а данные «Вояджера» можно было интерпретировать по-разному. Данные «Кассини» позволили подтвердить возраст колец уже в августе, а сейчас ученые в подробностях рассказали о доказательствах того, что кольца появились 200–100 млн лет назад.

Первым доказательством относительной молодости колец стала их масса. До миссии «Кассини» ученые переоценивали плотность и количество вещества в центральном кольце B, а это порождало ошибку в оценке возраста; на формирование массивного кольца нужны условия, существовавшие в молодой Солнечной системе 4,5 миллиарда лет назад. Измерения гравитации колец, сделанные «Кассини» во время прохождения между Сатурном и кольцами, показывают, что суммарная масса вещества колец составляет 0,4 массы Мимаса – самого большого спутника планеты-гиганта; это значение слишком мало для теории о совместном формировании Сатурна и его колец.

Другим доказательством стала чистота водяного льда колец. Инструмент «Кассини» – анализатор космической пыли (Cosmic Dust Analyzer) – 12 лет регистрировал скорость и плотность потока микрометеоритов; оказалось, что за миллиарды лет этот поток должен был порядком загрязнить вещество колец, чего на самом деле не наблюдается, а значит, кольца существуют не так давно. Судя по содержанию примесей в веществе колец, они сформировались от 150 до 300 миллионов лет назад или даже позже.

Считается, что своим происхождением кольца обязаны столкновению одного из ледяных спутников Сатурна с кометой или астероидом или столкновению двух спутников. Возможно также, что из-за особого расположения орбит два спутника планеты-гиганта разрушили друг друга силой взаимного притяжения.

Источник: naked-science .ru

Ученые Сибирского федерального университета проанализировали состояние содержание озона в Северном полушарии по спутниковым данным и выдвинули новую гипотезу возникновения Антарктической озоновой дыры. Результаты исследования опубликованы в «Журнале Сибирского федерального университета».

© РИА Новости

Атмосферный озон образует над поверхностью Земли сферический слой толщиной около 90 км, задерживающий ультрафиолетовое излучение. Так как оно губительно для белков и нуклеиновых кислоты, уменьшение концентрации озона в атмосфере представляет опасность для всей жизни на Земле.

Количество озона в вертикальном атмосферном столбе в конкретной точке измеряется по поглощению и рассеянию солнечной радиации в УФ-диапазоне. В качестве единицы измерения общего содержания озона (ОСО) используется единица Добсона (е.Д.). 100 е.Д. соответствуют толщине озонового слоя в 1 мм, а в среднем по планете ОСО составляет около 300 е.Д.

Содержание озона в стратосфере меняется в течение года. В большом количестве он образуется в стратосфере тропических и средних широт за счет фотохимических реакций. Весной озон из тропиков переносится в сторону средних и высоких широт. Поэтому, например, в Южном полушарии годовой максимум озона наблюдается в октябре-ноябре.

В период с января по июль концентрация озона здесь минимальна, так как с декабря по апрель средние и высокие широты хорошо освещаются Солнцем. Это способствует разрушению озона при фотохимических реакциях, катализаторами которых могут выступать различные соединения в атмосфере.

Глобальный интерес к озоновой проблеме возник во второй половине двадцатого века. Ученые обнаружили долговременную тенденцию к уменьшению суммарного озона и к сезонному – в октябре-ноябре – появлению знаменитой Антарктической озоновой дыры (АОД).

Это привело к гипотезе об антропогенном разрушении озоносферы. В 1973 году американские химики в лабораторном эксперименте обнаружили, что продукты распада хлорфторуглеродов (фреонов) могут разрушать озон. Этим результатом и объяснили процесс возникновения АОД.

В 1987 году ведущие мировые державы подписали Монреальский протокол: договор о прекращении производства и использования фреонов,  наиболее известных людям, как хладагенты  холодильников. Это привело к глобальной замене холодильников и кондиционеров. В 2016 году выяснилось, что новые хладагенты тоже являются парниковыми газами, после чего последовали  поправка к протоколу и новый запрет.

Еще до подписания протокола были известны данные, основанные на спутниковом наблюдении озонового слоя и показывающие, что озоновая дыра в Антарктике – естественное образование. Победила, однако, антропогенная химическая теория разрушения озона. Но она не смогла разрешить вопрос о том, почему озоновая аномалия в свое время «появилась» в Южном полушарии, хотя фреоны вырабатывались преимущественно в Северном.

Причем теории и математические модели химиков невозможно проверить экспериментально  в условиях Антарктики. При подписании Монреальского протокола было заявлено, что озоновая дыра в Антарктике полностью исчезнет уже к 2010 году, но она появляется ежегодно и по сей день. Так, в 2017 году её размеры достигли 22 млн. кв. км, что типично для последних 25 лет.

Ответить на ряд вопросов, связанных с проблемой образования озоновых дыр, удалось с помощью нового метода слежения за движениями воздушных потоков, предложенного красноярскими исследователями. На основе анализа физических явлений в атмосфере они разработали собственная модель формирования озоновой аномалии в Южном полушарии.

Так сложилось, что геофизическая проблема – состояние озонового  слоя Земли попала в руки не к геофизикам и метеорологам, а к специалистам по химии атмосферы и до сих пор считается сугубо химической проблемой. К сожалению, почти все исследования феномена АОД направлены на доказательство ее антропогенного происхождения.

Для этого предлагаются различные химические и фотохимические реакции, конструируются математические модели. При этом весь значительный объем фактических данных геофизического характера игнорируется», – комментирует один из авторов исследования, профессор Института инженерной физики и радиоэлектроники  Сибирского федерального университета Валентин Кашкин.

Согласно альтернативной гипотезе возникновения Антарктической озоновой дыры, она является естественным образованием, обусловленным динамическими процессами в стратосфере. Для обоснования оказалось достаточно использовать данные об общем содержании озона, регистрируемые искусственными спутниками Земли  с 1978 года.

Как и другие атмосферные образования, озон имеет облачную структуру.  Если сравнивать спутниковые данные, полученные последовательно за два дня, то по перемещению озоновых облаков можно оценить направление и скорость движения масс озона.

Выяснилось, что в начале сентября происходит перенос масс озона от Южного полюса в сторону экватора. Озон движется по винтовой траектории, быстро вращаясь с запада на восток и в итоге скапливаясь в кольце около широты 45°. Происходит перераспределение озона между озоновой дырой и кольцом. Количество озона в кольце вырастает, а ОСО во внутренней части уменьшится, способствуя возникновению Антарктической озоновой дыры.

Что же такое озоновая дыра? Это «углубление» в озоновом слое полярных широт Южного полушария с аномально низкими значениями ОСО. АОД окружена «кольцом» диаметром несколько тысяч км с необычно высоким для Южного полушария содержанием озона (до 450 е.Д.).

Начиная с середины октября, озоновая дыра начинает заполняться озоном, который движется назад из кольца и из тропических широт. Анализ цифровых карт позволил ученым визуально наблюдать перемещение озона от полюса в сторону экватора и обратно, его перемещение в восточном и западном направлении с оценкой скорости перемещения.

Сентябрь и октябрь в Южном полушарии – это время, когда в средние широты начинает поступать озон из тропиков. Ученые обнаружили дополнительное кольцо на 35° ю.ш., связанное с таким переносом озона.  Кольцо проходит вблизи  широты Буэнос-Айреса и Кейптауна. Наконец, движение озона в сторону полюса формирует третье кольцо на 80° ю.ш.

Ученые из СФУ разработали новую методику анализа так называемых «зональных средних». Это дает возможность более точно прогнозировать общее содержание озона на годы вперед. Таблицы зональных средних доступны в Интернете и формируются так: площадь земного шара от полюса к полюсу разбивается на кольца шириной в 5° с вычислением среднего значения ОСО в каждом из них.

С использованием анализа зональных средних еще за год до вступления в действие Монреальского протокола сотрудники NASA обнаружили: общее содержание озона за 1979–1982 годы в направлении от 44° ю.ш. к Южному полюсу почти не менялось с августа по ноябрь, а его снижение в сентябре вблизи Южного полюса компенсировалось увеличением в средних широтах.

Такие результаты свидетельствовали, что вариации ОСО вызваны динамическим перераспределением озона, а вовсе не химическими процессами. Однако это подрывало антропогенную теорию истощения озона и возникновения озоновых дыр. Подобный результат тогдашнее научное сообщество в большинстве своем не восприняло – вопрос был, фактически, закрыт.

Но история динамической теории на этом не закончилась: мы смогли ответить на ряд вопросов, связанных с проблемой образования озоновых дыр. В частности, показали на большом объеме данных, что количество озона, попавшее в зону циркумполярного вихря, с точностью не менее 5-7% совпадает с тем количеством, которое ушло из АОД. Эти результаты наш коллектив представил не только журнальными публикациями – мы также обобщили их в монографии, изданной Сибирским федеральным университетом», — заключает Валентин Кашкин.

Источник: РИА Новости

Ученым-физикам из университета Иллинойса (University of Illinois) удалось обнаружить и изучить новую форму материи, которая называется экситониум (excitonium). Эта форма представляет собой конденсат из квазичастиц, экситонов, и эта форма материи существовала только в теории на протяжении почти 50 лет, несмотря на то, что ученым периодически удавалось получать в своих экспериментах некоторые намеки, указывающие на ее существование. И только недавно исследователям из Иллинойса, наконец, удалось получить неоспоримые доказательства существования экситониума.

© Peter Abbamonte, U. of I. Department of Physics and Frederick Seitz Materials Research Laboratory

Законы физики, действующие на квантовом уровне, кардинально отличаются от законов обычной физики, действующей на макро-уровне. Своего рода связующим звеном между этими двумя физиками является так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, скопление частиц или квазичастиц, которые объединяются, синхронизируют свое поведение и начинают вести себя, словно одна большая частица или квазичастица.

Экситоны — это вид квазичастиц, которые возникают внутри полупроводниковых материалов. Когда электрон, находящийся на краю валентной зоны, пересекает запрещенную зону и попадает в зону проводимости, он оставляет за собой пустое место, электронную дырку. Эта дырка является квазичастицей, носителем положительного электрического заряда. Иногда положительно заряженная дырка и отрицательно заряженный электрон притягиваются друг к другу и соединяются, образуя новую квазичастицу, называемую экситоном.

Как и у других частиц и квазичастиц, у экситона имеется «базовое квантовое состояние». Находящиеся в этом состоянии экситоны могут скапливаться и формировать экситониум, необычную форму материи, которая до последнего времени была чисто теоретическим понятием.

«Понятие экситониума было введено в обиход в 1960-х годах Бертраном Халперином (Bert Halperin), теоретическим физиком из Гарварда. И, начиная с того момента физики-экспериментаторы пытались найти доказательства существования этой формы материи» — рассказывает Питер Аббэмонте (Peter Abbamonte), ведущий исследователь, — «Ученые много спорили о свойствах этого вида материи, одни считали, что экситониум является изолятором, другие — сверхпроводником, обладающим, к тому же, свойствами сверхтекучей жидкости. И самым интересным является то, что сторонники таких кардинально противоположных мнений имели достаточно веские экспериментальные доказательства своей правоты».

Ученые из Иллинойса производили наблюдения при помощи метода M-EELS (momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy), который реализуется при помощи комбинации различных научных инструментов и который позволяет измерить уровень коллективного возбуждения экситонов вне зависимости от их импульса. Объектом исследований был материал из вида переходных дихалькогенидов, диселенид титана (1T-TiSe2), охлажденный до 190 Келвинов (-83 градуса Цельсия).

Температура охлаждения материала лежала очень близко к критической точке, когда материал переходит в так называемую «мягкую плазмонную фазу», которая существует только в очень узком температурном диапазоне и которую никто еще не видел ранее. Перед самым моментом перехода в эту фазу исследователи отметили возникновение в нем скоплений и уплотнений экситонов, что и стало доказательством существования экситониума.

К сожалению, в настоящее время невозможно разработать практические технологии, в которых будет использованы необычные свойства экситониума. Однако, по мнению ученых, сделанное ими открытие позволит пролить свет на некоторые из особенностей и странностей мира квантовой физики.

По материалам newatlas.com
Статья опубликована в журнале Science
Источник: dailytechinfo .org