На этой неделе в науке: NASA запустило телескоп Roman, в недрах Марса нашли необычно горячую область, а физики зарегистрировали квантовые флуктуации
Последняя неделя августа принесла сразу несколько заметных событий в космонавтике и фундаментальной физике. NASA отправило в космос телескоп Nancy Grace Roman, который должен стать одним из главных инструментов для изучения тёмной энергии и крупномасштабной структуры Вселенной. Одновременно новые исследования заставили учёных внимательнее взглянуть на ускоренное расширение космоса и на то, как гравитация самого Млечного Пути может имитировать признаки тёмной материи.
В физике появились результаты, позволяющие непосредственно наблюдать квантовые флуктуации в искусственном квантовом поле, а в планетологии обнаружена огромная температурная неоднородность внутри Марса. Параллельно учёные нашли новый механизм образования сложных углеродных молекул в космосе, а искусственный интеллект помог решить математическую задачу, над которой исследователи работали полтора года.
NASA запустила телескоп Nancy Grace Roman на ракете Falcon Heavy
30 августа NASA отправило в космос телескоп Nancy Grace Roman. Аппарат стартовал с площадки LC-39A Космического центра имени Кеннеди во Флориде на ракете Falcon Heavy компании SpaceX. После запуска телескоп направится к точке Лагранжа L2 системы Солнце — Земля, расположенной примерно в 1,5 миллиона километров от Земли. Там Roman будет проводить основные научные наблюдения.
Roman станет одной из главных космических обсерваторий NASA нового поколения. Его главное зеркало диаметром 2,4 метра сопоставимо с зеркалом Hubble, однако преимущество новой обсерватории заключается в другом: за один снимок она сможет охватывать примерно в 100 раз большую область неба. Это позволит проводить масштабные обзоры сотен миллионов объектов вместо детального изучения относительно небольших участков.
Масса телескопа при запуске составляет около 10,5 тонны, а стоимость всей миссии оценивается примерно в 4,3 миллиарда долларов. Для вывода аппарата к L2 была выбрана Falcon Heavy. После старта два боковых ускорителя успешно вернулись на Землю, тогда как центральный ускоритель восстановить не удалось.
Roman будет исследовать тёмную материю и тёмную энергию, историю расширения Вселенной, формирование галактик и экзопланеты. Широкоугольная камера позволит регулярно наблюдать огромные области неба, а коронограф даст возможность изучать объекты, находящиеся рядом с яркими звёздами. Путь к L2 займёт около трёх месяцев, после чего начнутся проверка и калибровка научных инструментов.
Новое исследование поставило под сомнение аргументы в пользу ускоренного расширения Вселенной
Исследователи из Университета Ёнсе в Южной Корее ответили на недавнюю критику своей работы, согласно которой расширение Вселенной может уже не ускоряться, а постепенно замедляться. Новый анализ утверждает, что критики неправильно оценили связь между свойствами сверхновых типа Ia и возрастом звёздных систем, в которых они возникают.
Сверхновые типа Ia используются как своеобразные космические маркеры расстояния. Однако их светимость может зависеть не только от физических параметров самой вспышки, но и от свойств звёздного окружения. Если этот эффект недостаточно учитывать, измеренная история расширения Вселенной может оказаться систематически искажённой.
Предыдущая работа южнокорейской группы показала, что после учёта возрастной зависимости сверхновых данные допускают сценарий, в котором космическое расширение уже перешло от ускорения к замедлению. Этот результат оказался особенно интересным на фоне других исследований, включая данные проекта DESI, допускающие эволюцию тёмной энергии со временем.
Новая публикация не доказывает, что стандартная космологическая модель неверна. Она продолжает научный спор о том, насколько надёжно сверхновые типа Ia позволяют реконструировать историю расширения Вселенной и насколько хорошо учитываются систематические эффекты. Решить вопрос помогут более крупные выборки сверхновых, которые будут получать будущие обзоры, в том числе обсерватория имени Веры Рубин.
Учёные нашли под поверхностью Марса огромную тепловую аномалию
Марс оказался значительно более неоднородным внутри, чем предполагалось. Исследование показало, что мантия под южными высокогорьями планеты может быть примерно на 200–400 градусов Цельсия горячее северной части. Часть вещества при этом потенциально находится в состоянии частичного плавления.
Учёные во главе с Александром Берне использовали гравитационные данные, накопленные тремя марсианскими аппаратами NASA — Mars Global Surveyor, Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter. По небольшим изменениям скорости космических аппаратов исследователи смогли восстановить особенности гравитационного поля планеты и получить сведения о её глубинном строении.
Дополнительную информацию дала так называемая приливная томография. Поскольку Марс движется вокруг Солнца по слегка вытянутой орбите, солнечное гравитационное воздействие на планету меняется в течение года. Эти изменения вызывают небольшие деформации планеты, по которым можно судить о свойствах вещества в её недрах.
Температурная неоднородность совпадает с хорошо известной поверхностной дихотомией Марса: южное полушарие представляет собой древние высокогорья, тогда как северное занято преимущественно низменностями. Полученные данные позволяют предположить, что эта фундаментальная асимметрия распространяется далеко в глубины планеты и может быть связана с её геологической историей.
Учёные впервые напрямую увидели квантовые флуктуации пустого пространства
Физики из Кембриджского университета сообщили о прямом наблюдении квантовых флуктуаций в искусственно созданном квантовом поле. Ранее подобные явления в основном изучали по их последствиям, тогда как теперь исследователи смогли восстановить сами изменения квантового поля.
Эксперимент построили на двумерном конденсате Бозе — Эйнштейна из атомов калия-39. В таком состоянии при температурах, близких к абсолютному нулю, большое число атомов ведёт себя как единая квантовая система. Исследователи закодировали квантовое поле в спиновых состояниях атомов и наблюдали его изменения.
Чтобы отделить квантовые флуктуации от обычного шума, систему сначала подготовили в состоянии минимальной энергии, а затем изменили взаимодействие между атомами, усилив слабые колебания. Полученная картина соответствовала вакуумным квантовым флуктуациям, возникающим даже в основном состоянии системы из-за принципа неопределённости Гейзенберга.
Такая экспериментальная система потенциально позволит изучать процессы, которые трудно исследовать непосредственно, включая распад ложного вакуума, образование частиц и формирование топологических дефектов.
Новый кандидат в экзопланеты удалось обнаружить без наблюдения его прохождения перед звездой
Астрономы обнаружили кандидата в экзопланеты у звезды KIC 9139163 в созвездии Лебедя, хотя планета не проходит между звездой и Землёй. Это важно, поскольку большинство известных экзопланет находят именно по транзитам — небольшим периодическим падениям яркости звезды.
Исследователи использовали фазовые кривые — небольшие изменения яркости системы, возникающие по мере движения планеты по орбите и изменения видимой освещённой стороны. Сигнал сначала обнаружили в данных телескопа Kepler, а затем сопоставили с наблюдениями TESS и измерениями спектрографа HARPS-N.
Кандидат совершает полный оборот вокруг звезды примерно за 14 часов. Его минимальная масса оценивается примерно в 7,3 массы Земли, а радиус — в 2,4 радиуса Земли, что соответствует классу субнептунов. Планета находится в так называемой «нептуновой пустыне» — области около звёзд, где такие объекты встречаются необычно редко.
Особый интерес представляет возможная эволюция атмосферы. Сигнал, зарегистрированный TESS, оказался смещён относительно наблюдений Kepler, сделанных примерно шестью годами ранее. Одним из возможных объяснений исследователи считают изменение структуры облаков, однако для проверки этой гипотезы понадобятся новые наблюдения.
Гравитация Млечного Пути может имитировать признаки тёмной материи в звёздных потоках
Астрономы из Вашингтонского университета показали, что необычные структуры в звёздных потоках не всегда свидетельствуют о присутствии небольших скоплений тёмной материи. Аналогичные признаки способна создавать сама неоднородная гравитационная структура Млечного Пути.
Звёздные потоки возникают, когда гравитация галактики растягивает звёздные скопления в длинные узкие структуры. Разрывы, изгибы и уплотнения в таких потоках рассматривались как возможные следы субгало тёмной материи, проходящих рядом с потоком.
Исследователи смоделировали четыре галактики размером примерно с Млечный Путь и разместили вокруг них около 15 тысяч виртуальных звёздных потоков. В моделях не было компактных скоплений тёмной материи. После пяти миллиардов лет почти все потоки приобрели структурные изменения, а полностью гладкими остались только 70 из примерно 15 тысяч.
Причиной оказалась неоднородность обычного вещества в галактике. Когда потоки проходили через области с повышенной плотностью, изменяющееся гравитационное поле создавало изгибы, изломы, разрывы, ответвления и уплотнения. Это означает, что часть сигналов, которые считались возможными следами тёмной материи, на самом деле может иметь вполне обычное гравитационное происхождение.
Результат не отменяет поиск тёмной материи. Напротив, учёным теперь необходимо сначала отделить эффекты гравитации самой галактики от потенциальных сигналов субгало. Дополнительные данные должен дать телескоп обсерватории имени Веры Рубин, который обнаружит гораздо больше звёздных потоков.
Учёные обнаружили быстрый путь образования сложных углеродных молекул в космосе
Полициклические ароматические углеводороды — сложные соединения углерода и водорода — обнаруживаются в самых разных космических средах, от оболочек умирающих звёзд до межзвёздных облаков. Однако прежние химические модели не всегда могли объяснить, как эти крупные молекулы успевают образовываться в наблюдаемых количествах.
Международная группа под руководством специалистов Гавайского университета в Маноа обнаружила механизм, который позволяет существенно ускорить этот процесс. Вместо последовательного присоединения отдельных атомов углерода реакция способна создавать сразу несколько новых химических связей за один этап.
Учёные воспроизвели соответствующие условия в лаборатории при температурах, характерных для окрестностей стареющих звёзд и других энергетически активных областей. В результате были получены крупные полициклические ароматические углеводороды, существование которых ранее предполагалось на основании наблюдений и расчётов.
Новый механизм помогает связать простые углеродные молекулы со значительно более сложными структурами. Это важно для понимания химической эволюции углерода и процессов, которые происходят при формировании звёзд, планет и вещества будущих планетных систем.
ИИ помог учёным за пять недель решить задачу в гидродинамике, над которой они работали полтора года
Исследователи Университета Колорадо в Боулдере с помощью ИИ решили математическую задачу об электрофоретическом движении заряженных частиц, которую в лаборатории пытались решить около полутора лет. С использованием ИИ поиск решения занял примерно пять недель.
Работа была связана с давней проблемой электрофореза — движением заряженной частицы в жидкости под действием электрического поля. Учёные установили, что форма наночастицы действительно влияет на её электрофоретическую подвижность. При переходе от круглой формы к вытянутой скорость движения меняется, тогда как небольшие особенности поверхности оказывают гораздо меньшее влияние.
ИИ-ассистент выполнял громоздкие математические операции, писал код и помогал строить графики. При этом постановку задачи, выбор математического метода и проверку результатов исследователи оставили за собой.
Эксперимент также показал серьёзное ограничение подобных систем. В некоторых случаях ИИ выдавал математически ошибочные результаты, которые выглядели внутренне непротиворечивыми. Поэтому часть времени пришлось тратить не на получение решения, а на поиск скрытых ошибок и ручную проверку вычислений.
Результат показывает не столько способность ИИ самостоятельно решать научные задачи, сколько его потенциал как инструмента для ускорения рутинной математической работы при обязательном контроле со стороны исследователей.
В MIT разработали ИИ-систему для поиска химически устойчивых материалов
Исследователи Массачусетского технологического института создали CrysVCD — инструмент, который помогает ИИ генерировать более химически правдоподобные кристаллические материалы. Система учитывает ограничения, связанные с валентностью, ещё до создания окончательной структуры вещества.
Проблема заключается в том, что современные генеративные модели способны создавать миллионы потенциальных материалов, но значительная их часть оказывается химически нестабильной. Проверка таких вариантов после генерации может потреблять до 90% вычислительных ресурсов процесса поиска.
CrysVCD меняет последовательность работы. Сначала языковая модель формирует химически корректные составы с учётом валентных ограничений, после чего диффузионная модель создаёт атомные структуры кристаллов. Такой подход позволяет заранее отсеивать большое количество заведомо неподходящих кандидатов.
При настройке на показатели стабильности 85% сгенерированных кандидатов оказались метастабильными, а 68% продемонстрировали фононную стабильность. Система также позволяет целенаправленно искать материалы с определёнными характеристиками, например высокой теплопроводностью или высокой диэлектрической проницаемостью.
Метод пока не является универсальным решением для всех веществ и прежде всего предназначен для упорядоченных кристаллических материалов. Тем не менее он может существенно сократить вычислительные затраты на поиск перспективных веществ.
Китай испытал дирижабль-электростанцию для получения энергии ветра на высоте 4 километров
Китай завершил полный цикл лётных испытаний системы S4000 Stratosphere Airborne Wind Energy System — воздушной электростанции, предназначенной для использования ветра на высоте до 4 километров. Разработчики рассчитывают получать энергию за счёт более сильных и устойчивых воздушных потоков, которые находятся выше зоны работы большинства наземных ветрогенераторов.
Аппарат удерживается в воздухе аэростатом с гелием и соединён с землёй тросом. Он одновременно фиксирует систему в рабочей зоне и передаёт вырабатываемую электроэнергию на поверхность. Во время испытаний специалисты проверили подъём, удержание, производство энергии и контролируемое возвращение аппарата.
S4000 развивает предыдущую платформу S2000. В январе она поднялась примерно на 2 километра и, согласно данным разработчиков, произвела 385 кВт·ч электроэнергии с передачей в местную сеть. Новая система должна работать на высоте до 4 километров и рассчитана на срок службы до 20 лет.
Пока речь идёт об испытательной технологии. Для её широкого применения предстоит проверить устойчивость аппарата при длительной работе, безопасность тросовой системы и способность оборудования выдерживать различные погодные условия.
Также на этой неделе
- Крошечные складки в графене оказались способны создавать мощную электрическую поляризацию
- Учёные нашли соединение, заставляющее организм тратить больше энергии без уменьшения потребления пищи
- В Шотландии обнаружили загадочное сооружение железного века с человеческими останками
- Европейская ракета Ariane 6 доставила новый метеоспутник MTG-I2 в космос
- Учёные из Гарварда создали бактерии для ускоренного удаления углекислого газа из атмосферы