Есть надежный способ забыть о новостях — прочесть о том, что физики и астрономы узнали о мире в 2022 году В этом тексте фотографии «Джеймса Уэбба», заработавший коллайдер и спасение от астероидов
Российские научные новости в 2022 году были связаны в основном с репрессиями против ученых или эмиграцией исследователей. При этом в мире наука не останавливалась: физики открывали новые частицы, а астрономы наблюдали Вселенную с небывалой четкостью. «Медуза» подводит итоги года в физике списком самых ярких открытий. Важный дисклеймер: как и любые научные итоги, этот список максимально субъективен, ведь никто не знает, какое научное достижение окажется более значимым спустя десятилетия.
Год имени «Джеймса Уэбба»
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» стал главной звездой научного года. Специалисты NASA разрабатывали его четверть века, бюджет проекта за это время успел вырасти с одного до 10 миллиардов долларов, но в 2022 году оказалось, что ждали не зря.
В начале января шеститонный «Уэбб» развернул свое покрытое золотом зеркало, в феврале сделал «селфи», а уже в июле получил первые полноцветные изображения. Сразу стало понятно, чем он отличается от старичка «Хаббла», работающего на орбите с 1991 года. «Уэбб» не просто делает более четкие изображения, но и получает их (по астрономическим меркам) очень быстро.
Например, на один из своих кадров — снимок галактического кластера SMACS 0723, самое четкое инфракрасное изображение далекой Вселенной — он потратил всего 12 с половиной часов, а «Хабблу» потребовалось бы несколько недель, причем результат был бы хуже.
С тех пор работа «Уэбба» не останавливалась. Новый телескоп показал одни из самых юных галактик, появившихся всего через 350 миллионов лет после Большого взрыва. А еще он помог астрономам изучить атмосферы экзопланет более подробно, чем когда-либо прежде. В частности, исследователи впервые получили прямые доказательства экзопланетной фотохимии — химических реакций, запущенных светом звезд.
Что дальше: в 2023 году ждем новых открытий, сделанных на основе данных «Уэбба», и, конечно, еще больше ярких фотографий Вселенной.
Возвращение коллайдера
Большой адронный коллайдер (БАК) вернулся в строй после почти четырехлетней модернизации. Физики в ЦЕРН и раньше останавливали ускоритель для ремонта, но такого большого перерыва в работе еще не было. Впрочем, и остановка коллайдера не мешала ученым анализировать полученные ранее данные, поэтому поток научных статей из ЦЕРН не иссякал.
«Длинную техническую паузу» потратили в том числе на увеличение энергии столкновений протонов — до 13,6 триллиона электронвольт. А также на контролируемое увеличение количества таких более энергичных столкновений, то есть «светимости» коллайдера. Задача эта не так проста, ведь с увеличением количества столкновений быстро растет сложность при анализе частиц, порождаемых столкновениями. Тем не менее одновременный рост энергии и светимости в новом сезоне работы коллайдера должен гарантировать, что теперь открытий будет еще больше.
В июле участники коллаборации LHCb (коллаборациями называют большие экспериментальные группы, независимо работающие на БАК) сообщили об открытии пентакварка нового типа, состоящего из очарованного кварка и очарованного антикварка, а также верхнего, нижнего и странного кварков. Это первый пентакварк, содержащий странный кварк. Обнаружение нового пентакварка уступает по масштабу открытию знаменитого бозона Хиггса, но экспериментальное подтверждение каждой новой частицы — еще один кирпичик в фундаменте единой теории экзотических адронов, точную природу которых ученые до сих пор не понимают до конца.
В свою очередь, коллаборация ALICE смогла оценить прозрачность Млечного Пути для антивещества. Оказалось, что легкие ядра антигелия способны путешествовать на большие расстояния — несколько килопарсеков — в Млечном Пути без взаимодействия с обычным веществом и, как следствие, аннигиляции. Это открытие пригодится ученым, которые охотятся за легкими ядрами антивещества в попытке найти темную материю (которая может быть их источником) — например, с помощью работающего на Международной космической станции детектора AMS.
Во второй половине года физика столкнулась с политикой. Научную программу коллайдера пришлось завершить за две недели до намеченного срока из-за энергетического кризиса в Европе, вызванного войной в Украине. Дело в том, что расположенный на франко-швейцарской границе ЦЕРН — один из крупнейших потребителей электроэнергии в регионе. Журналисты The Wall Street Journal подсчитали, что на пике центр потребляет около 200 мегаватт — на треть больше, чем вся Женева.
Что дальше: чтобы сэкономить энергию в 2023 году, работу коллайдера сократят на 20%. Кроме того, на площадках ЦЕРН стали отключать уличное освещение по ночам, а начало отопительного сезона отсрочили на неделю. Впрочем, физики продолжают обрабатывать данные, собранные еще до ремонта, так что научных новостей с Большим адронным коллайдером меньше не станет.
Что касается взаимодействия с российскими и белорусскими учеными, без участия которых работа коллайдера может оказаться под вопросом, то ее было решено не прекращать до завершения текущего договора о сотрудничестве в 2024 году. Но и продлевать договор о сотрудничестве автоматически не будут. Как будет развиваться ситуация после 2024 года, пока не ясно, но уже сейчас в ЦЕРН признают, что зависимость от России — «неприемлемо большой риск для общей научной программы».
Термоядерные новости
В начале года Объединенный европейский токамак (JET) в Оксфорде сообщил, что в ходе проведенного парой месяцев ранее эксперимента удалось поддерживать сверхгорячую плазму в течение пяти секунд. За это время реактор произвел рекордные 59 мегаджоулей тепловой энергии, более чем вдвое превысив свой предыдущий рекорд 1997 года — 22 мегаджоуля. Новый рекорд важен, поскольку дает надежду на то, что коммерческая термоядерная энергия может стать реальностью.
А в декабре ученые из Ливерморской национальной лаборатории США преодолели важнейший символический барьер — получили на лазерной установке NIF больше энергии, чем потратили на зажигание реакции: 3,15 мегаджоуля термоядерной энергии при 2,05 мегаджоуля вложенной энергии лазера. Это потребовало неимоверного напряжения усилий, при этом полученная энергия эквивалентна сжиганию всего 100 граммов угля. На революцию не тянет, но после множества фальстартов даже такая новость под конец года стала подарком для ученых и сочувствующих. «Медуза» подробно писала об этом.
JET и NIF представляют разные подходы к управляемому термоядерному синтезу: первый использует мощное магнитное поле для удержания плазмы, а во втором термоядерное топливо удерживается собственными силами инерции. Достижения обоих проектов поддерживают интерес к термоядерным исследованиям: в 2022 году частные инвестиции в стартапы в этой области достигли рекордных 4,8 миллиарда долларов США, что на 139% больше, чем в предыдущем году.
Что дальше: в 2025 году запустится ИТЭР — мощный термоядерный реактор, который сейчас строится во Франции. Предполагается, что он будет производить 500 мегаватт полезной энергии из 50 мегаватт, затраченных для поддержания реакции.
Защита от астероидов
В 2022 году человечество незаметно вступило в новую эру: впервые в истории у нас появился инструмент относительно надежной защиты от астероидной угрозы. Аппарат DART, созданный NASA и Европейским космическим агентством, отправился к небольшому астероиду Диморфос только для того, чтобы погибнуть при столкновении с ним. Эта «самоубийственная» затея должна была проверить, способны ли люди менять траектории движения космических тел. Миссия оказалась успешной: врезавшись в астероид, DART перевел Диморфос на новую орбиту.
В общем, сюжет фильма «Армагеддон» стал реальностью. Люди, вероятно, смогут изменить траекторию угрожающего Земле астероида, если только удастся заранее его обнаружить.
Что дальше: в 2028 году NASA планирует запустить космический телескоп NEO Surveyor, созданный специально для поиска потенциально опасных астероидов.
Странный гамма-всплеск
В октябре астрофизики зарегистрировали самый яркий за всю историю наблюдений гамма-всплеск — мощный выброс энергии гамма-излучения. Он произошел довольно близко по астрономическим меркам — примерно в 1,9 миллиарда световых лет от Земли.
Вероятно, гамма-всплеск, который назвали GRB 221009A, был вызван рождением черной дыры. Когда массивная звезда коллапсирует, ее ядро образует черную дыру. Сильное давление выбрасывает мощные высокоэнергетические струи частиц из полюсов черной дыры. Эти джеты движутся со скоростью, близкой к скорости света, испуская рентгеновские и гамма-лучи.
По мнению астрофизика Бориса Штерна, GRB 221009A интересен не только своей исключительной яркостью, но и тем, что «полученные данные очень трудно объяснить без привлечения Новой физики». Возможно, этот гамма-всплеск подтверждает существование гипотетической частицы — аксиона, которую физики ввели для объяснения некоторых странностей Стандартной модели. Родившись от ускоренных частиц в источнике гамма-всплеска, аксион легко преодолевает огромные расстояния и конвертируется в фотон неподалеку от Земли.
Что дальше: такие яркие гамма-всплески можно наблюдать с Земли очень редко, так что его повторения в ближайшие годы ждать не стоит. Тем временем ученые продолжат исследовать собранные в октябре данные — астрономы предполагают, что GRB 221009A станет самым хорошо изученным в истории.
Илья Кабанов