Вселенная

Российский IT-миллиардер Юрий Мильнер и его американские коллеги Марк Цукерберг и Сергей Брин раскрыли 9 ноября список очередных лауреатов созданной ими научной премии Breakthrough Prize, присуждаемой за открытия в области биологии, физики и математики.

Премия и фонд Breakthrough Prize была создана Мильнером, Брином и Цукербергом и их друзьями в 2012 и 2013 годах с целью стимуляции фундаментальных научных исследований изначально в области физики, а затем — в области биологии и математики.

По своей материальной ценности Breakthrough Prize заметно выше Нобелевской премии — 3 миллиона долларов против около 1,2 миллиона долларов. Список лауреатов премии в области физики стал самым большим. Первый приз в 3 миллиона долларов будет разделен сразу 1370 физиками из пяти крупных международных коллабораций, которые летом 2015 года окончательно подтвердили существования феномена нейтринных осцилляций — возможности превращения нейтрино из одного типа в другой, указывающий на их ненулевую массу.

Юрий Куденко отметил, что в числе лауреатов сотрудники ИЯИ РАН — участники экспериментов К2К и Т2К. "В чем суть этих открытий. Самый главный результат — это открытие нейтринных осцилляций (перехода одного типа нейтрино в другой), которые однозначно показывают, что нейтрино обладают ненулевой массой покоя. Стандартная Модель (СМ) элементарных частиц постулирует, что нейтрино являются безмассовыми частицами и не могут менять свой аромат в процессе распространения со скоростью света, то есть они не могут осциллировать. Здесь первенство безусловно принадлежит экспериментам Супер-Камиоканде (Super-Kamiokande) и SNO. Детектор Супер-Камиоканде открыл осцилляции атмосферных нейтрино в 1998 году и измерил "атмосферные" осцилляционные параметры. Эти результаты были подтверждены в ускорительном эксперименте К2К", — сказал ученый РИА Наука.

По его словам, эксперимент SNO в 2001-2002 годах решил проблему "дефицита" солнечных нейтрино и однозначно доказал, что этот эффект объясняется осцилляциями солнечных нейтрино.

Осцилляции нейтрино были предсказаны советско-итальянским ученым Бруно Понтекорво еще в 1957 году, а значительный вклад в исследование солнечных нейтрино внес российско-американский эксперимент SAGE (Soviet-American Gallium Experiment), который проводился в подземной лаборатории Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН. Реакторный эксперимент KamLand выполнил прецизионные измерения так называемых «солнечных» осцилляционных параметров и независимо подтвердил результаты SNO и других солнечных экспериментов.

Дальнейшие фундаментальные результаты были получены в экспериментах Т2К и Daya Bay. В 2011 Т2К получил серьезное указание на то, что третий параметр, характеризующий смешивание нейтрино, угол 13, также отличен от нуля, что было неожиданным результатом, поскольку большинство теоретических предсказаний указывало на малую или нулевую величину этого параметра. В 2012 году Daya Bay и два других реакторных эксперимента RENO (Корея) и DoubleChooz (Франция) измерили величину этого угла. Таким образом, все элементы матрицы смешивания нейтрино оказались отличными от нуля.

"В 2014 году Т2К обнаружил осцилляции мюонных нейтрино в электронные нейтрино, что явилось первым «появлением» другого аромата (электронные нейтрино) в чистом пучке мюонных нейтрино. До этого все осцилляции наблюдались как "дефицит" нейтрино. Эти результаты открытии новые горизонты для осцилляционных экспериментов. В первую очередь появилась реальная возможность для начального поиска СР нарушения в нейтринных осцилляциях в самом ближайшем будущем в действующих экспериментах Т2К и Nova (США). В отдаленном будущем исследование СР нарушения планируется проводить в двух новых проектах DUNE (США) и Гипер-Камиоканде (Япония)", — отметил Куденко.

Практически все сверхновые рождаются в результате гравитационного коллапса престарелых светил, исчерпавших запасы звездного "горючего" в виде водорода. Взрывы относительно небольших звезд — сверхновых типа II — сопровождаются относительно равномерным выбросом материи в окружающее пространство и формированием горячей туманности.

Более крупные светила заканчивают свою жизнь несколько иначе. Сила притяжения порождаемой ими черной дыры или нейтронной звезды настолько высока, что выбрасываемые клубы материи бывшей звезды объединяются в "бублик", который вращается вокруг центрального объекта. Часть этого диска поглощается черной дырой, а остатки разгоняются до околосветовых скоростей и выбрасываются во внешнее пространство в виде джетов, узких пучков материи.

Как объясняют авторы статьи, Филипп Мёста (Philipp Moesta) из университета Калифорнии в Беркли (США) и его коллеги, сверхновые и их джеты достаточно давно считаются источником загадочных GRB-вспышек – мощных всплесков в гамма-диапазоне, о природе которых ученые спорят уже почти 50 лет.

Дискуссии об их природе, по словам Мёсты, во многом обусловлены тем, что сейчас астрофизики не до конца понимают то, как возникают мощнейшие магнитные поля, "скручивающие" материю умирающей звезды в джеты сверхновой. Проблема возникает из-за того, что престарелые светила изначально обладают достаточно слабым магнитным полем, и у ученых нет однозначного ответа на того, как эти поля усиливаются на порядки во время смерти звезды.

Авторы статьи попытались найти ответ на этот вопрос, используя суперкомпьютер BlueWaters в университете Иллинойса, один из самых мощных вычислительных устройств в мире. Его мощности Мёста и его коллеги использовали для того, чтобы просчитать то, что происходит в окрестностях ядра сверхновой, которое представляет собой будущую нейтронную звезду, в последние 10 миллисекунд перед ее взрывом. На это ушло несколько недель расчетов, в ходе которых были задействованы все 130 тысяч процессоров BlueWaters.

Как показали эти расчеты, магнитное поле звезды усиливается в результате того, что в окрестностях ядра светила появляются своеобразные "области турбулентности" в тот момент, кода оно начинает стремительно сжиматься и наращивать скорость вращения. В этих регионах вращательная энергия звезды будет питать ее магнитное поле, усиливая его в сотни миллиардов и триллионов раз.

Схожей напряженностью магнитного поля обладают так называемые магнетары, особый подкласс нейтронных звезд. По всей видимости, они рождаются примерно схожим образом и порождают особенно мощные гамма-вспышки, заключают автор статьи.

"То, что мы сегодня знаем о Большом Взрыве и рождении Вселенной, похоже на пачку случайно перемешанных картинок и фотографий, которые мы показываем на презентации – то время, когда каждая из них была снята, не подписано на них, и поэтому мы не можем восстановить то, что произошло в то время. Поэтому мы сегодня не можем точно сказать, сжималась ли первичная Вселенная или расширялась", — заявил Синган Чэнь (Xinggang Chen) из университета штата Техас в Далласе (США).

Чэнь и его коллеги пытались найти способ ответить на извечный космологический вопрос – что собой представляла Вселенная в первые мгновения после Большого Взрыва и то, как она выглядела до этого катаклизма, родившего наше мироздание.

Сегодня, как объясняют ученые, есть два подхода к этой проблеме. Большая часть космологов считает, что Вселенная родилась из сингулярности, начавшей стремительно расширяться в первые мгновения после Большого Взрыва. Другая группа астрофизиков полагает, что рождению нашей Вселенной предшествовала смерть ее "прародительницы", которая, вероятно, случилась в ходе так называемого "Большого Разрыва".

Ответ на вопрос, какая из этих идей верна, как пишут Чэнь и его коллеги, можно получить благодаря тому, что в моменты, предшествовавшие Большому Взрыву, "зародыш" нашей Вселенной содержал в себе множество сверхтяжелых элементарных частиц, колебавшихся на квантовом уровне.

Как показывают расчеты Чэня, эти частицы, которые физики назвали "часовыми маятниками Вселенной", оставили свои следы в микроволновом фоновом излучении, которое сегодня активно изучается при помощи целого ряда наземных и космических обсерваторий, таких как BICEP2, "Планк" и WMAP.

Раскрытие "тикания" этих частиц-маятников, как пишут ученые, потребует еще более чувствительных и точных наблюдений за "эхом" Большого взрыва, которым, собственно, и является микроволновое фоновое излучение. По их словам, подобные исследования уже ведутся в рамках проекта BICEP3 и прочих экспериментов, и Чэнь и его коллеги ожидают, что первые следы этих частиц будут найдены в ближайшее десятилетие.