Физические итоги года — 2019 +68




Привет, Хабр! На первой рабочей неделе нового года настало время оглянуться назад и вспомнить успехи 2019-го. Ушедший год запомнился и технологическими прорывами, и новыми научными проблемами. Давайте взглянем на самые интересные результаты поближе.


Портрет черной дыры



Весной коллаборация Event Horizon Telescope представила миру первое изображение сверхмассивной черной дыры в соседней галактике М87. Это стало великолепным результатом гигантской работы – в течение нескольких дней за черной дырой одновременно наблюдали восемь радиообсерваторий по всему миру, включая Антарктиду. Данные обрабатывались на кластерах в MIT и MPIfR, причем доставляли их на жестких дисках – передать объем порядка петабайт по интернету из удаленных обсерваторий (особенно из Антарктиды) нереально. Еще несколько месяцев ушло на обработку и реконструкцию изображения. Хороший рассказ про детали эксперимента можно прочитать, например, на Элементах (раз, два) или на N+1.


На самом изображении мы видим аккреционный диск – разогретое вещество, закручивающееся по спирали перед падением в черную дыру. Пятно в центре – это не сама черная дыра, а скорее тень от нее: свет, проходящий вблизи черной дыры, искривляется за счет гравитационного линзирования, поэтому тень оказывается в несколько раз больше горизонта событий черной дыры.



Аккреционный диск этой черной дыры повернут к нам своей плоскостью. Если бы он был расположен к нам боком (как кольца Сатурна), то мы бы увидели что-то похожее на черную дыру из Интерстеллара. К сожалению, астрономия – наука исключительно наблюдательная: у нас нет ни малейшего шанса ни повлиять на эти грандиозные процессы, ни даже посмотреть на них с другого ракурса из-за огромного расстояния до них.


Больше черных дыр под разными углами


Еще есть хорошая обзорная статья на arXiv про симуляцию изображений ЧД.


Остается добавить, что это изображение само по себе не доказывает наличие черных дыр – в их существовании мы уверены благодаря массе других результатов. Его ценность скорее в подтверждении наших представлений о том, что творится в ядрах галактик. А еще конечно же в создании огромной международной коллаборации, позволяющей систематически проводить наблюдения телескопом размером с Землю. В ближайших планах включение в сеть новых, более коротковолновых телескопов, и изучение динамики процессов вокруг черных дыр в ядрах М87 и Млечного пути.


Проблемы с постоянной Хаббла



Наша Вселенная расширяется: расстояния между соседними галактиками постоянно возрастают; скорость этого расширения определяется постоянной Хаббла. Ее точные измерения – важнейшая задача для космологии, и при этом задача очень непростая. До недавнего времени все сходилось на значении около 70 км/с на мегапарсек. Хорошей точности удалось добиться лишь к позапрошлому году: анализ данных спутника Plank, измерявшего анизотропию реликтового излучения, привел к значению постоянной Хаббла 67.4 ± 0.5 км/с/Мпк. Такой же результат получила и коллаборация Dark Energy Survey, которая изучала флуктуации плотности материи во Вселенной при помощи сети оптических телескопов.


А вот 2019-й принес сюрпризы. Сразу несколько групп, набиравших многолетнюю статистику по разным космическим объектам – квазарам, цефеидам, космическим мазерам – сошлись на значении около 74 км/с/Мпк (синие точки на графике). В отличие от результатов прошлого года, во всех этих работах измерялось расстояние до существующих ныне объектов. Флуктуации же реликтового излучения и плотности материи отражают то, что происходило на заре Вселенной. В итоге мы имеем различие в четыре с лишним стандартных отклонения между значениями для ранней и нынешней Вселенной, что, несомненно, интригует и как минимум дает повод для дискуссий о новой физике.


Здесь можно найти немало спорных моментов: скажем, расстояния до многих из объектов калибровались по одним и тем же стандартным свечам, поэтому их нельзя считать независимыми. Вишенкой на торте стоит измерение, сделанное по сверхмассивным красным гигантам (красная точка): оно дает компромиссный результат в 69.8 км/с/Мпк, но по иронии судьбы калибровка расстояний до этих красных гигантов оказывается еще менее точной. Сейчас в сообществе идет довольно активная полемика на эту тему, и в чем причина расхождения, все еще неясно. Хочется верить, что в ближайшее время парадокс начнет разрешаться.


Радиус протона


Что-то похожее происходит и в микромире: измерения размера протона (точнее говоря, его зарядового радиуса) дают разные результаты. И расхождения здесь еще существенней.



Вообще есть два простых способа измерить радиус протона:


  • Обстреливать протон электронами: чем ближе электрон пролетит к протону, тем сильнее притяжение искривит его траекторию. По картине рассеяния можно восстановить радиус, в котором сконцентрирован заряд протона.
  • Спектроскопия водорода. Ядро водорода – это и есть протон, и его размер влияет на энергетические уровни, на которых может находиться электрон. По одновременным измерениям энергии двух уровней можно вычислить радиус ядра.

Оба способа давали одинаковый результат: около 0.875 фемтометров. В 2010 году коллектив из MPQ предложил заменить электрон в атоме водорода на мюон – более тяжелую элементарную частицу с похожими свойствами. Тяжелый мюон вращается ближе к протону, поэтому радиус протона сильнее влияет на его энергетические уровни. Результат измерений оказался неожиданно меньше – 0.841 фм. Измерения повторили в 2013, результат оказался таким же.


Пока весь мир думал, почему мюонный водород ведет себя по-особенному и нет ли тут какой новой физики, в MPQ решили повторить эксперимент с обычным водородом – и снова получили меньший радиус протона! Через год, в 2018-м спектроскопию других уровней в обычном водороде повторяют в Париже… и получают старое значение радиуса! Здесь акцент дискуссий сместился в сторону поиска банальных ошибок, вплоть до учета разницы высот между двумя лабораториями: точная спектроскопия – это по сути сравнение с известным стандартом частоты/времени, а согласно общей теории относительности время в Париже и Мюнхене течет немного по-разному из-за разного расстояния до центра Земли.


Ушедший год порадовал аж двумя экспериментами, да еще и с другого континента. Сначала группа из Торонто повторила эксперимент со спектроскопией водорода и получила тот же результат, что и MPQ. А вскоре его подтвердил и эксперимент по электрон-протонному рассеянию от американской коллаборации. Параллельно с этим группа из MPQ начала в точности такой же эксперимент, что провели французы в 2018-м – небывалая для современной науки проверка на воспроизводимость! Предварительные результаты уже есть, но авторы их пока не разглашают – лишь интригуют тем, что они будут интересными. Причина расхождения все еще неизвестна, но по всей видимости в ближайшее время все прояснится.


Квантовое превосходство



Осенью в Nature вышла статья, в которой коллектив из Google продемонстрировал достижение квантового превосходства. Их 53-кубитный квантовый чип Sycamore смог решить специфичную задачу за 200 секунд. Для ее решения на классическом суперкомпьютере потребовалось бы 10 тысяч лет.


Сама задача, на которой был показан результат, оказалась довольно банальной. Квантовый компьютер отличается от обычного тем, что он может, кхм, выполнять квантовые операции, недоступные классическим компьютерам (спасибо, Кэп!). Поэтому в эксперименте квантовый чип выполнял случайный набор квантовых операций, а классический компьютер симулировал тот же набор действий.


Вокруг результата развернулась нешуточная дискуссия. Например, исследователи из IBM утверждают, что оптимизированый классический алгоритм решил бы задачу не за тысячи лет, а за пару дней. Еще острее стоит вопрос о коррекции ошибок: квантовая память – вещь настолько хрупкая, что программное исправление ошибок здесь не спасает, а известные механизмы коррекции в железе усложняют архитектуру квантовых чипов на порядки. Да и масштабирование квантовых чипов с десятков кубитов до хотя бы сотен – это далеко за пределами достижимого на сегодняшний день. Поэтому результат Google весьма неоднозначен: да, мы шагнули на порог квантовой эры, но далеко ли мы сможем продвинуться – и сможем ли вообще – остается неизвестным.


Сжатый свет для LIGO



Про недавнее открытие гравитационных волн и последовавшую за этим Нобелевскую премию 2017 года слышали все. Сейчас в мире работают три достаточно чувствительных обсерватории гравитационных волн: два детектора LIGO на территории США и VIRGO в Италии. Это невероятно точные лазерные интерферометры: для достижения нынешней точности огромные силы были вложены в измерение шумов разной природы и их оптимизацию:



На сегодня основным источником шума является квантовый дробовой шум света (сиреневая кривая): он вызван тем, что лазер испускает фотоны в случайные моменты времени. С таким шумом можно бороться при помощи сжатого света – наведенных корреляций в луче света, которые перераспределяют шум интенсивности света в шум его фазы, безвредный для нашей цели. Этот прием уже тестировался на немецком интерферометре GEO600, а в прошлом году он наконец-то был введен в строй и на LIGO, и на VIRGO. По всей видимости, это первое применение сжатого света для решения практических задач. Теперь чувствительность детекторов значительно увеличится (до двух раз в некоторых диапазонах частот), и мы надеемся услышать больше интересных явлений из дальних уголков Вселенной.


А еще это особенный результат для Хабра – за него мы должны поблагодарить Михаила Shkaff, который занимается непосредственно этой темой и написал немало интереснейших статей про LIGO и не только. Спасибо и новых успехов!


Предел массы нейтрино



Нейтрино остаются одними из самых загадочных элемантарных частиц: они практически не взаимодействуют с материей и могут с легкостью пройти Землю насквозь. О том, что у них есть хоть какая-то масса, мы знаем из нейтринных осцилляций: на пути от Солнца к нам часть нейтрино превращается в нейтрино другого типа. Превращение – процесс динамический, а значит, в системе отсчета нейтрино течет время — то есть они летят медленнее скорости света из-за наличия у них массы.


Измерить эту массу гораздо сложнее. Ее нижний предел – около 9 мэВ – мы знаем из нейтринных осцилляций. Измерением верхнего предела занялся проект KATRIN в немецком Карлсруэ. Идея заключалась в наблюдении радиоактивного распада трития на гелий-3, электрон и антинейтрино: задетектировать последнее невозможно, зато можно измерить скорости остальных частиц и посчитать недостающую энергию. На практике проще всего работать с электронами: максимально достижимые скорости означают, что вся энергия распада ушла в нейтрино и электрон. Такие случаи нечасты, поэтому детектор должен быть хорошо оптимизирован под регистрацию электронов определенной энергии.


По этой причине проект KATRIN потребовал большого времени для подготовки, зато дал первый результат уже через месяц работы: верхний предел энергии нейтрино составил 1.1 эВ, что в два раза улучшило предыдущую оценку. Планируется, что KATRIN будет набирать статистику еще пять лет, улучшив точность до 0.2 эВ. А более совершенные эксперименты, основанные на той же идее, могут повысить точность измерения до 40 мэВ.


Вместо заключения


На мой взгляд, ушедший год оказался очень социальным: достижениям, которыми он запомнился, мы обязаны совместным усилиям множества групп, а новым вопросам – разногласиями между ними. Командная работа в науке — от настольных экспериментов до международных коллабораций — становится все важнее для достижения значимых результатов. Надеюсь, что мы приложим все усилия для того, чтобы наша работа была еще продуктивнее, а итоги наступившего года оказались не менее интересными.


По мотивам Quanta Magazine, Science и American Physical Society.




Комментарии (20):

  1. Shkaff
    /#21123988 / +9

    А еще это особенный результат для Хабра – за него мы должны поблагодарить Михаила Shkaff, который занимается непосредственно этой темой и написал немало интереснейших статей про LIGO и не только. Спасибо и новых успехов!

    Спасибо, очень приятно! Вот допишу диссер, и сяду за все недописанные статьи для Хабра:) Источник сжатого света для Virgo был разработан в нашей научной группе, правда, еще до моего прибытия. А так да, сжатие, однозначно, станет основной для всех детекторов нового поколения. И в скором времени будут интересные новости про это.

    Хочется верить, что в ближайшее время парадокс [постоянной Хаббла] начнет разрешаться.
    Думаю, новые методы измерений должны помочь. В частности, гравитационные волны дают отличный независимый способ оценки. В ближайшие пару лет должно набраться достаточно статистики, чтобы дать первые оценки (хотя до 5 сигма еще ждать долго).
    Теперь чувствительность детекторов значительно увеличится (до двух раз в некоторых диапазонах частот), и мы надеемся услышать больше интересных явлений из дальних уголков Вселенной.
    Хотя «два раза» звучит не так уж впечатляюще, но надо помнить, что объем наблюдаемой Вселенной (и количество событий) вырос при этом в 8 раз!

    • maxpivovar
      /#21127278 / +3

      Вот допишу диссер, и сяду за все недописанные статьи для Хабра:)

      Ждем с нетерпением.

    • qbertych
      /#21128078

      В частности, гравитационные волны дают отличный независимый способ оценки.

      А как из них узнают скорость удаления объекта от нас? Для постоянной Хаббла же нужно знать расстояние и скорость, которую обычно по красному смещению измеряют, верно?

      • Shkaff
        /#21128784

        Скорость проще всего по оптической части — если она есть. Тогда просто определить красное смещение галактики, в которой находится источник. Если оптической части нет, то несколько сложнее — нужно статистически искать наиболее вероятную галактику-источник.

        Второй метод особенно полезен, т.к. хотя точность одного измерения низка, можно набрать хорошую статистику от черных дыр, которые мы детектируем гораздо чаще. Несколько сотен (или тысяч) событий может хватить для достаточно точного определения. Когда Einstein Telescope начнет работать, там точно быстро наберется нужная статистика.

  2. domix32
    /#21124096

    верхний предел энергии нейтрино составил 1.1 эВ

    почему это верхний предел, если нижний 9 мэВ? 1.1 < 9000

    • adictive_max
      /#21124294 / +2

      Маленькая «м» — это «милли» а не «мега». А 9000 — это вообще «кило».

  3. perfect_genius
    /#21124648 / -1

    Больше черных дыр под разными углами
    image

    • RigelNM
      /#21125422 / +3

      «Вроде и не особо трипофоб» — стоит задуматься. У меня картинка не вызвала никаких эмоций кроме любопытства.

    • victoriously
      /#21127948

      Кхм, до того, как вы привели эту аналогию, у меня все было в порядке и это оставалось лишь картинкой черных дыр…

      • perfect_genius
        /#21135056

        А теперь поплохело? Будто сама мёртвая пустая Вселенная заглядывает тебе в душу :]

  4. 0xd34df00d
    /#21128128

    В тему о постоянной Хаббла вот тоже интересная новость.

    • qbertych
      /#21128174

      Да, это продолжение той же истории. Там самое сильное расхождение между результатами около четырех сигм, то есть в принципе почти все (кроме пресловутых цефеид) более-менее сходится к одному значению. Результат с цефеидами, что забавно, получила группа Адама Рисса — того самого, которому дали Нобелевскую за ускоренное расширение Вселенной.

  5. genseq
    /#21128690

    Или я чего-то не понял, или в тексте присутствуют ошибки:
    1. Упоминается постоянная Планка, которая явно не соответствует приведённой цифре. Может быть, речь идёт о постоянной Хаббла?
    2. Непонятно, в каких пределах измеряется энергия нейтрино. Нижний предел — 9 мэВ, а оценки верхнего предела должны быть улучшены с 1,1 до 0,2 эВ за 5 лет, а более совершенные измерения повысят это значение до 40 мэВ. Это опечатки при перепечатке, или я чего-то не понимаю в высоких материях?

    • OverQuantum
      /#21128972

      2. 0.2 эВ и 40 мэВ — точность определения верхнего предела, а не сам предел.

    • qbertych
      /#21132864

      Упс, и правда постоянная Хаббла — телескоп Plank в том же предложении смутил. Поправил, спасибо!


      Про пределы, как верно заметил предыдущий комментатор, это точность определения.

  6. Comod
    /#21133036 / -1

    Наша Вселенная расширяется: расстояния между соседними галактиками постоянно возрастают; скорость этого расширения определяется постоянной Хаббла

    Постоянная Хаббла определяется отношением скорости расширения вселенной, которая постоянная(с*2*пи) к ее текущему размеру, который пропорционален ее возрасту. Короче, постоянная Хаббла определяет текущий возраст вселенной, а не скорость ее расширения.

  7. datacase
    /#21139426

    А в этом году выяснится, что постоянная Хаббла есть переменная.

    • Shkaff
      /#21139900 / +1

      Так это давно известно: постоянная Хаббла приблизительно не зависит от времени только на коротких промежутках времени, в общем используется параметр Хаббла.