В этом году исследователи добились многого на пути к разгадке величайших тайн Вселенной. Впрочем, как и всегда. Войдет ли 2024-й в историю или же сюрпризы, которые он нам преподнёс, заведут науку в тупик? Все зависит от того, подтвердится ли открытие, сделанное этой весной.
В апреле физики натолкнулись на любопытный сигнал, указывающий на возможное ослабление темной энергии – таинственной силы, пронизывающей космическое пространство. Пока рано называть это открытием или даже весомой уликой – сигнал слишком слаб. С помощью Спектроскопического прибора для исследования темной энергии (DESI) астрофизики нанесли на карту миллионы галактик, разбросанных по разным уголкам пространства и времени.
О том, что космос расширяется всё быстрее под действием темной энергии, известно еще с 1998 года. Но новые данные DESI говорят о том, что ускорение постепенно замедляется .
Если темная энергия действительно истощается, ученым придется пересмотреть свои представления о фундаментальных законах физики. За 25 лет это первая реальная зацепка, которая может рассказать нам о природе одного из самых загадочных явлений в современной науке. Пока теоретики ищут объяснение ее переменчивости, DESI продолжает собирать данные, чтобы в ближайшие годы сделать более уверенные выводы.
Темная материя умерла?
В поисках незримых компонентов Вселенной ученые зашли в тупик. Годами они искали гипотетические частицы темной материи – так называемые WIMP , тяжелые и инертные. Их считали главными претендентами на роль загадочного вещества, которое наполняет галактики и пространство между ними. Но теперь поиски уперлись в природный барьер: детекторы стали настолько чуткими , что ловят солнечные нейтрино, свечение которых маскирует более слабые сигналы. “Похоже, эпоха поиска WIMP подошла к концу”, – считает физик Стэнфордского университета Наталья Торо.
Теперь исследователи ищут новых кандидатов, особенно легкие, но многочисленные частицы разных видов. “Самая распространенная гипотеза предполагает, что все должно быть просто. Но почему мы вообще так решили?” – размышляет Филип Шустер, тоже физик из Стэнфорда. Его мнение разделяет все больше специалистов.
А вдруг темная материя – это птолемеевские эпициклы XXI века: модель космоса, долго считавшаяся верной, но чересчур запутанная и позже признанная ошибочной?
Однако астрономы обнадежили тех, кто уже начал разочаровываться в своей работе, обнаружив новый интересный феномен. Находка получила название MACS J0018.5 , и она настолько убедительна, что ее прозвали новым Скоплением Пуля.
В “оригинальном” Скоплении Пуля – одном из самых весомых доказательств существования темной материи – мы наблюдаем столкновение двух гигантских скоплений галактик. Газ в центре столкновения ярко светится, но большая часть вещества просто прошла насквозь, сформировав по обеим сторонам массивные сгустки, которые искривляют свет. Это типичное поведение для частиц темной материи – они практически не взаимодействуют друг с другом.
MACS J0018.5 напоминает это явление, но здесь галактические скопления сталкиваются прямо по линии нашего наблюдения. Измерив скорости, ученые увидели: в момент столкновения видимый газ замедляется, а основная масса вещества проносится сквозь него, не теряя скорости. Без участия невидимых частиц объяснить это практически невозможно.
Астрономические открытия
Ночное небо хранит еще много тайн. Флагман современной астрономии, космический телескоп Джеймса Уэбба, раскрыл несколько из них, особенно при наблюдении далеких объектов из первого миллиарда лет существования Вселенной. Галактики в форме бананов , планеты с самыми поразительными свойствами, загадочный коричневый карлик , древнейшее столкновение черных дыр – астрофизики наслаждаются “очаровательной неразберихой” ранней эпохи космической истории.
Благодаря телескопу Уэбба ученые получили новые данные о скорости расширения Вселенной, что сделало загадку Хаббла еще более интригующей. Параллельно другие телескопы помогли обнаружить мощнейшие магнитные поля в космосе, неизвестные ранее органические молекулы и особенности в структуре звездного пространства.
Счастливые дни в лаборатории
Теперь переходим от гигантского к микроскопическому: физики, которые изучают атомы, молекулы и кристаллы в лабораториях, провели 2024 год в водовороте открытий. Они достигли поразительной точности в управлении квантовыми объектами. Группа ученых в Инсбруке создала давно предсказанное экзотическое состояние материи – сверхтвердое тело . Им даже удалось заснять особые “квантовые торнадо” , возникающие при воздействии на обычно твердый кристалл из атомов диспрозия. По мнению астрофизиков, такое состояние вещества может существовать в недрах пульсаров – необычайно плотных и быстро вращающихся звезд.
Тем временем команды, сосредоточенные на двумерных материалах (кристаллические листы толщиной в один атом), открыли три новых типа сверхпроводимости и исследовали странную квантовую фазу материи, в которой по краям кристалла текут частицы с дробным зарядом. Пока неясно, насколько открытие полезно и найдет ли оно практическое применение, но мечтать никто не запрещает.
В других лабораториях продвигают кодирование и обработку информации в атомных массивах. Квантовые компьютеры на нейтральных атомах, когда-то считавшиеся аутсайдерами, внезапно вырвались вперед. В ноябре они достигли важного рубежа – выполнили помехоустойчивое (или “отказоустойчивое”) логическое вычисление.
Десятилетиями ученые пытались точно определить энергию ядерного перехода в тории-229 . Эти данные помогли бы изучить силы, которые удерживают Вселенную целой. В 2024-ом сразу три группы исследователей смогли измерить эту величину. Теперь они будут следить за “ядерными часами” , чтобы заметить малейшие изменения в работе фундаментальных сил природы.
Заглядывая под пространство-время
Теоретики тоже добились немалых успехов, но более абстрактного характера. Например, они разработали новый язык геометрии , чтобы предсказывать поведение частиц. Раньше для этого использовали уравнения, описывающие динамику событий в квантовом мире. Теперь же ответы находят с помощью кривых на поверхностях. Эти идеи – часть большого пути к пониманию самых глубинных основ реальности.
Страсти накалились
Обсуждения физики в X (бывшем Twitter) уже не те, что раньше, но один научный сюжет все же вызвал оживленную дискуссию. Ученые сообщили, что в квантовом эксперименте обнаружились признаки “отрицательного времени” . Что это вообще значит? Неужели что-то заняло меньше, чем ноль времени? Не совсем. В квантовом мире словами часто трудно описать происходящее.
Команда из Университета Торонто направила фотоны на облако атомов рубидия. Каждый фотон мог либо возбудить атом в облаке, либо пройти насквозь без взаимодействия, либо и то, и другое. Эти квантовые возможности интерферировали как две волны.
Физики из Университета Торонто провели эксперимент с фотонами и облаком атомов рубидия. У каждого фотона было три пути: возбудить атом, пройти мимо или сделать и то, и другое одновременно – как волны, накладывающиеся друг на друга. Неожиданно оказалось, что фотоны, которые и возбуждали атомы, и излучались ими заново, проходили через облако быстрее тех, что летели напрямую. Это создало эффект “отрицательного времени”, словно частицы провели в возбужденном состоянии меньше нуля секунд. “Мы измеряем просто длительность процесса, а не нарушение причинно-следственных связей”, – пояснил один из авторов работы в X.