Журнал «Компьютерра» № 9 от 06 марта 2007 года - Компьютерра

Профессор Оксфордского университета Джозеф Силк (Joseph Silk) и его коллега из Института астрофизики немецкого Общества Макса Планка Бентон Меткалф (R. Benton Metcalf) заметно обесценили акции одной из основных гипотез о природе важнейшего компонента мироздания.

Сейчас считается доказанным, что примерно четверть полной массы (или, что то же самое, полной энергии) нашей Вселенной приходится на невидимую ни в каком диапазоне электромагнитного излучения субстанцию, которая в космических масштабах проявляет себя лишь тяготением и, следовательно, обладает ненулевой массой. Она не размазана по пространству, а концентрируется вокруг галактик и галактических скоплений. Астрономы обычно именуют ее скрытой массой, физики и журналисты предпочитают более эффектное название «темная материя».

Существование скрытой массы было установлено еще в тридцатые годы прошлого века, однако споры о ее природе не прекратились и поныне. Астрономы-первооткрыватели полагали, что ее источником служит обычное вещество, состоящее из протонов, нейтронов и электронов. Эту точку зрения нередко разделяют и их современные коллеги, которые, впрочем, допускают, что невидимое вещество может находиться в каких-то особых состояниях, не имеющих земных аналогов. Темная материя может быть сосредоточена в коричневых карликах (небольших холодных звездах, в недрах которых не вспыхивают термоядерные реакции), полностью остывших и потому переставших излучать белых карликах, планетах или даже неактивных нейтронных звездах, не испускающих направленные потоки электромагнитных волн и потому не наблюдающихся как пульсары. К этой же группе примыкают и продукты гравитационного коллапса сверхмассивных звезд — черные дыры. Все многочисленное семейство кандидатов на роль источников скрытой массы называют макроскопическими компактными объектами (МКО).

А вот у физиков есть излюбленные кандидаты совершенно иного рода. Из современных теорий Большого Взрыва следует, что на самой ранней стадии существования Вселенной в изобилии возникали элементарные частицы с ненулевой массой покоя, не принимающие участия в двух наиболее интенсивных фундаментальных взаимодействиях, сильном и электромагнитном. Такие частицы могут заявлять о себе лишь посредством двух других взаимодействий, слабого и гравитационного. К их числу могут принадлежать как нейтрино, так и еще неоткрытые частицы с экзотическими именами — аксионы, фотино, гравитино и т. п. Их обычно называют вимпсами, от английской аббревиатуры WIMPs — Weakly Interacting Massive Particles, слабо взаимодействующие элементарные частицы. Большинство физиков полагает, что вимпсы образуют если не всю темную материю, то большую ее часть.

Если невидимые с Земли сгустки более или менее нормального вещества действительно существуют, они должны своим притяжением отклонять звездный свет, наподобие стеклянной линзы. Это искривление проявляется по-разному в зависимости от размеров источника света. Далекая галактика, чьи лучи по пути к Земле проходят мимо МКО, наблюдается в сопровождении ложных изображений, так называемых духов. Свет отдельной звезды духов не дает (точнее, они есть, но с Земли неразличимы), однако он меняет интенсивность из-за относительного движения самой звезды, гравитирующей массы и земного наблюдателя.

Именно этот эффект гравитационного линзирования Меткалф и Силк использовали для оценки размеров МКО как источников скрытой массы. Они проанализировали данные наблюдений почти трех сотен сверхновых звезд типа Iа. Такие сверхновые обладают примерно одинаковой абсолютной яркостью и поэтому часто используются в качестве стандартных «свечей» Вселенной. Обработка собранных результатов показала, что МКО могут быть единственным источником темной материи лишь в том случае, если их масса не превышает десяти процентов массы Земли. Если счесть, что это ограничение нереалистично, и допустить существование более тяжелых МКО, то почти наверняка придется признать, что они не исчерпывают всей темной материи. Более того, Силк и Меткалф показали, что вероятность существования МКО с массой, превышающей одну сотую солнечной, не достигает и десяти процентов. Отсюда следует, что вся темная материя или ее львиная доля с большой вероятностью состоит из вимпсов. АЛ

Американские физики вновь продемонстрировали перспективность плазменного ускорения заряженных частиц. Таким способом им удалось почти вдвое увеличить энергию электронов, разогнанных на крупнейшем в мире Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC).

Как известно, мощные ускорители электронов отличаются более чем солидными размерами. SLAC, который доводит энергию электронов до 50 ГэВ, имеет длину 3200 м. И это отнюдь не случайно. Размеры радиочастотных вакуумных ускорителей зависят от предела напряженности ускоряющего электрического поля, который не превышает ста миллионов вольт на метр из-за возможности пробоя (рабочий показатель SLAC куда меньше, двадцать миллионов вольт на метр). По этой причине вот уже пару десятков лет ученые обсуждают возможность ускорения электронов не в пустом пространстве, а в плазме. В этом случае электроны наращивают скорость, двигаясь «на гребне» быстро распространяющихся возмущений плотности плазменных зарядов, так называемых кильватерных волн (wakefield). Плазменный разгон в кильватерных волнах в принципе позволяет на три-четыре порядка повысить напряженность электрического поля и при этом не создает опасности пробоя. Поля такой силы можно использовать для разгона электронов или иных заряженных частиц до релятивистских и ультрарелятивистских энергий (частица считается релятивистской, если отношение ее скорости к скорости света сравнимо с единицей и ультрарелятивистской — если оно очень близко к единице) на дистанциях порядка нескольких метров или даже сантиметров.

Кильватерные волны чаще всего возбуждают с помощью мощных импульсов лазерного излучения. Каждый такой импульс выталкивает электроны со своего пути и потому тянет за собой волну зарядовой плотности. В сильно разреженной плазме скорость импульса почти не отличается от скорости света. Поскольку кильватерная волна распространяется вслед за импульсом без отставания, ее фазовая скорость совпадает с групповой скоростью самого импульса, то есть опять-таки приближается к световой.

Возможности лазерного ускорения электронов в кильватерных плазменных волнах изучают во многих лабораториях мира. В этих экспериментах сгустки электронов инжектируются в плазму, которая одновременно «обрабатывается» лазерными импульсами (сами сгустки могут предварительно разгоняться в радиочастотном ускорителе). В прошлом году сотрудники Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли в сотрудничестве с английскими физиками использовали для генерации кильватерных волн 40-тераваттный лазер и с его помощью разогнали электроны до энергии чуть больше 1 ГэВ. К тому же им удалось получить почти монохроматические электронные сгустки, внутри которых разброс частиц по энергиям не превышал двух с половиной процентов.

Другой метод плазменного ускорения позволяет обойтись без лазеров. В этом случае входящий в камеру с разреженным газом или паром пучок быстрых заряженных частиц сам ионизирует эту среду и создает в ней кильватерные волны, которые и тянут за собой часть пучка. В 2005 году Марк Хоган (Mark Hogan) и его коллеги таким способом добились прироста энергии электронов на 2,7 ГэВ на пути в 10 см. Правда, у этого метода есть серьезный недостаток по сравнению с лазерным плазменным ускорением — большая часть пучка резко теряет энергию, ускорить удается лишь сравнительно небольшую долю частиц.

Только что из Калифорнии пришло сообщение о новом рекорде, установленном группой Хогана при помощи этой техники. Экспериментаторы направили в заполненную парами лития камеру длиной 85 сантиметров пучок электронов, которые SLAC разогнал до ультрарелятивистской энергии 42 ГэВ. Напряженность электрического поля возникшей кильватерной волны в максимуме достигла 52 миллиардов вольт на метр. В результате некоторые электроны ускорились настолько, что их энергия дошла до 85 ГэВ, иначе говоря, выросла ровно вдвое. Правда, вошедший в камеру монохроматический пучок опять сильно размазался по энергиям, однако ученые надеются, что эту проблему со временем удастся решить. АЛ

Космос не слишком милостив к Стране восходящего солнца. Утрачен посланный к Марсу зонд Nozomi, аппарат Hayabusa дышит на ладан после визита к астероиду, а на лунной программе, того гляди, придется поставить крест. Тут даже с восточной сдержанностью в бутылку полезешь. Возможно, чтобы снять невесть чем заслуженное проклятье, японцы решили скрестить суровый космический вакуум с теплом древнего спиртного напитка.

С 21 февраля в Японии можно купить совершенно неземное саке. Производители этого самого японского вида алкоголя с острова Сикоку общими усилиями отправили на орбиту вместе с российским «Союзом» небольшое количество дрожжей. Побывавшие на МКС дрожжи были после возвращены владельцам, а те по особой технологии (а как же иначе?!) культивировали ценный грибок, создав на его основе новый вид саке.