Физика и космические науки — тесно переплетенные области знания, ежегодно дарящие нам множество удивительных открытий, проливающих свет на то, как устроен наш мир. О том, чем запомнился специалистам по космосу и физике уходящий год и какие достижения ожидаются в этих сферах в ближайшем будущем, рассказывают директор Института космических исследований РАН член-корреспондент РАН Анатолий Алексеевич Петрукович и проректор по научной работе и программам развития Московского физико-технического института кандидат физико-математических наук Виталий Анатольевич Баган.
Директор Института космических исследований РАН член-корреспондент РАН Анатолий Алексеевич Петрукович.
Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
Космос: от Луны земной до лун Юпитера
«Итоги 2024 г. и наши ожидания от 2025 г. очень насыщенные <…>, — рассказал директор ИКИ РАН Анатолий Алексеевич Петрукович. — В ноябре состоялся запуск на орбиту российских космических аппаратов “Ионосфера-М”. Они предназначены для исследования околоземного космоса и влияния солнечной активности на атмосферу Земли, а также для составления прогнозов состояния ионосферы. Это необходимо в том числе для обеспечения работы каналов радиосвязи, а также навигационных систем, обеспечиваемых спутниками ГЛОНАСС и GPS. Это важный научно-практический проект, в котором заинтересовано большое количество специалистов-геофизиков по всей стране. Эта отрасль науки у нас очень развита: по всей стране от Калининграда до Камчатки работают научные институты, занимающиеся измерениями ионосферы и наблюдениями за космосом с Земли. С точки зрения науки очень ценно, когда одни и те же явления наблюдаются и с поверхности планеты, и с орбиты».
В ближайшие годы ученые нашей страны будут сообща вести работу над этим проектом, получившим название «Ионозонд». На апрель 2025 г. запланирован запуск второй пары космических аппаратов «Ионосфера-М», в результате которого будет сформирована группировка из четырех спутников.
Как отметил А.А. Петрукович, ценные «компаньоны» для спутников «Ионосфера-М» — сверхмалые космические аппараты CubeSat, создаваемые в российских вузах и запускаемые «Роскосмосом» в рамках проекта «УниверСат». Новая шестерка университетских спутников отправилась на орбиту вместе с двумя «Ионосферами» 5 ноября 2024 г. (кстати, старт стал рекордным для отечественной космонавтики по количеству аппаратов, одновременно запущенных в космос).
Макет космического аппарата «Ионосфера-М» в музее ИКИ РАН.
Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
«Роскосмос параллельно запускает на орбиту большое количество сверхмалых аппаратов, так называемых кубсатов, формата примерно от 3 до 10 кг. На них устанавливается в том числе и научная аппаратура, данные с которой будут дополнять наблюдения спутников “Ионосфера-М”. Может быть, эти приборы не такие крупные и чувствительные, но все равно всегда очень полезно измерять один и тот же процесс в нескольких разных точках. Этот проект — весомая поддержка со стороны университетов для нашей большой космической программы», — подчеркнул А.А. Петрукович.
Директор ИКИ РАН обратил отдельное внимание на достижения единственной на текущий момент российской действующей космической астрофизической обсерватории «Спектр-РГ». В 2025 г. исполнится шесть лет с момента ее запуска. «Космический аппарат в хорошем состоянии, научная программа идет полным ходом», — заключил А.А. Петрукович.
Подробнее об актуальных достижениях проекта «Спектр-РГ» можно узнать из материала на портале «Научная Россия». Одним из недавних ярких открытий, сделанных с помощью обсерватории, стало обнаружение рентгеновского излучения от сверхновой в галактике NGS3621, оказавшееся настоящим подарком для исследователей ко Дню космонавтики.
Часть экспозиции музея ИКИ РАН, посвященной астрофизической обсерватории «Спектр-РГ».
Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
Часть экспозиции музея ИКИ РАН, посвященной астрофизической обсерватории «Спектр-РГ».
Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
Часть экспозиции музея ИКИ РАН, посвященной астрофизической обсерватории «Спектр-РГ».
Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
Не отстают и зарубежные коллеги: важными результатами и стартами новых миссий этот год ознаменовался для самых разных стран — от США до Китая.
«Надо отметить доставку грунта с обратной стороны Луны китайским аппаратом “Чанъэ-6”, состоявшуюся в мае-июне 2024 г. Сейчас начинается анализ полученных материалов, — расcказал А.А. Петрукович. — Кстати, китайские коллеги поделились с нами грунтом с видимой стороны Луны, полученным во время предыдущей миссии “Чанъэ-5”. Сейчас в российских лабораториях, в том числе в ИКИ, полным ходом ведутся работы по его изучению. Мы, в свою очередь, еще раз поделились с коллегами лунным грунтом, доставленным советскими станциями. Это всегда интересно, ведь, несмотря на то что грунт был возвращен на Землю давно, более 50 лет назад, качество и точность оборудования за это время на порядки возросли, поэтому даже повторный анализ старых образцов дает совершенно новую информацию».
«Китайские коллеги поделились с нами грунтом с видимой стороны Луны, полученным во время <…> миссии “Чанъэ-5”. Сейчас <...> полным ходом ведутся работы по его изучению», — рассказал А.А. Петрукович.
Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
Детали уникальной миссии Поднебесной к обратной стороне Луны можно узнать из материала «Научной России».
Важная веха в космических исследованиях — запуск к Юпитеру американской автоматической межпланетной станции Europa Clipper. Цель миссии, стартовавшей 14 октября 2024 г., — поиски внеземной жизни на ледяном спутнике газового гиганта Европе. Ранее, 14 апреля 2023 г., к Юпитеру отправился аппарат Европейского космического агентства JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer, «Исследователь ледяных лун Юпитера»), задание которого отличается охватом: в прицеле приборов автоматической станции окажутся сразу несколько лун, при этом основное внимание будет уделяться Ганимеду.
«Полет этих аппаратов к Юпитеру продлится примерно пять лет <…>. Основная цель проектов — исследование ледяных спутников Юпитера, Европы и Ганимеда, на предмет возможного наличия жизни. Как это ни парадоксально, хотя на этих спутниках очень холодно (температура на поверхности составляет −150 °C), согласно современным научным понятиям, под их ледяным покровом на глубине нескольких километров располагается довольно теплый океан. Во льду постоянно образуются трещины, через которые на поверхность лун могут проникать элементы органики из океанов, и эти два аппарата как раз нацелены на поиски признаков примитивной жизни в этом веществе», — объяснил А.А. Петрукович.
Большие надежды исследователи возлагают на грядущую миссию космического аппарата «Бион-М», запланированную на март-апрель 2025 г. Главная цель работы спутника, который доставит на орбиту образцы биологических тканей и простейшие микроорганизмы, — помочь ученым узнать, как на живые организмы влияет космическая радиация. Полет «Биона-М» продлится несколько дней, после чего биоматериалы вернутся на Землю и подвергнутся пристальному изучению.
«Аппарат будет запущен на полярную солнечно-синхронную орбиту — туда, куда раньше не запускались подобные спутники и не летали люди. На эту же орбиту через несколько лет как раз отправится Российская орбитальная станция, где будут работать космонавты. Это исследование очень важно, поскольку оно позволит пронаблюдать, как на биологические объекты влияет космическая среда на полярной орбите, не защищенной полностью от космических лучей. Радиация на полярной орбите уже сравнима с радиацией в межпланетном пространстве, поэтому обеспечение долговременного безопасного существования людей в таких условиях в — целом достаточно большая проблема», — поделился А.А. Петрукович.
Подробнее о «Бионе» можно узнать из интервью нашего портала с ответственным исполнителем проекта, руководителем лаборатории Института медико-биологических проблем РАН Владиславом Сергеевичем Седлецким.
Макет Российской орбитальной станции в музее ИКИ РАН.
Фото: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия»
Период 2023–2025 гг. интересен для ученых еще и тем, что в настоящее время мы переживаем весьма необычную фазу солнечной активности.
«Человечество наблюдает Солнце и его активность примерно в течение 300 лет, и текущий солнечный максимум номинально средний по амплитуде, гораздо менее интенсивный, чем, например, в 1990 г. и в 2000 г. Однако в последние несколько месяцев наблюдается аномальный рост солнечной активности, причем не по всем каналам ее проявления, — заметил А.А. Петрукович. — Так, в области космической радиации (космических лучей) ничего необычного не происходит, происходящее характерно для того слабенького цикла, которого мы все ожидали. Но с точки зрения электромагнитного, ультрафиолетового, рентгеновского излучения Солнце сейчас очень яркое. На поверхности Земли это не ощущается, поскольку такие виды излучения создают малый процент солнечного тепла, который задерживается в верхней атмосфере. Но верхняя атмосфера — очень важный объект, потому что, хотя на высоте 200–500 км она уже постепенно сходит на нет, в этой области спутники еще испытывают остаточное трение атмосферы. И сейчас все в один голос отмечают, что космические аппараты стали быстрее терять высоту, постепенно падать и сгорать в верхних слоях атмосферы, поскольку она аномально разогрелась из-за слишком интенсивного ультракоротковолнового солнечного излучения. Ранее мы не наблюдали за Солнцем такого поведения, но это нельзя считать серьезной аномалией. Данное явление скорее показывает, что мы живем в изменяющейся среде, и за этим очень интересно наблюдать».
Новые вопросы поставил космос перед астрофизиками: ученые открыли несколько удаленных объектов, облик которых не вполне соответствует представлениям о законах развития Вселенной в ее ранние годы.
Источник изображения: wahyu_t / фотобанк Freepik
Новые вопросы поставил космос и перед астрофизиками. Как напомнил А.А. Петрукович, в последнее время ученые открыли несколько удаленных от нас объектов, облик которых не вполне соответствует представлениям науки о законах развития Вселенной в ее ранние годы.
«Обычно считается, что чем крупнее объект на небе, тем позже он сформировался. Дело в том, что “сбор” объекта из разреженного газа в некую компактную структуру под влиянием силы гравитационного притяжения происходит постепенно. Соответственно, чем больше объект, тем медленнее должно протекать его формирование. Но было открыто достаточно большое количество разнообразных массивных объектов, образовавшихся как бы не в свое время: и слишком ранние галактики чересчур большого размера, и слишком крупные для своего возраста черные дыры, и масштабные скопления галактик, не вполне вписывающиеся в современную картину, — сообщил директор ИКИ РАН. — Конечно, эта картина упрощенная, но до последнего времени общепринятых представлений было достаточно, чтобы объяснить все, что мы видим на небе. Недавние открытия дают нам повод задуматься: может быть, все не так просто. Сейчас многие считают, что это возможный ключ к <…> новым знаниям в области Большого Взрыва и расширения Вселенной. Именно такие наблюдения космических объектов в прошлом позволяют нам составить карту расширения Вселенной в зависимости от расстояний и возраста объектов, и анализ обновленных данных может помочь нам прийти к различным новым моделям физики с учетом влияния “темной материи” и “темной энергии”. Конечно, радикальных последствий мы здесь пока не ожидаем, но задумываться об уточнениях существующих моделей уже точно необходимо».
«Научная Россия» рассказывала о нескольких подобных объектах. Так, в январе 2024 г. была обнаружена сверхмассивная черная дыра, сформировавшаяся необычно рано для своих особенностей. А в октябре зарубежные астрономы опубликовали исследование, посвященное удаленной галактике, оказавшейся удивительно зрелой для ранней Вселенной.
Напомним, что в 2024 г. произошли и другие интересные события в области познания космоса.
- В январе на расчетную орбиту вышла первая солнечная обсерватория Индии Aditya-L1. Всего несколько недель спустя Япония посадила на Луну научный модуль SLIM, став пятой страной мира, успешно посадившей космический аппарат на естественный спутник нашей планеты.
- В апреле состоялся первый старт с космодрома Восточный «экологичной» российской ракеты-носителя «Ангара-А5», ознаменовавший начало испытаний разгонного блока «Орион» и космического ракетного комплекса «Амур».
- В августе зарубежные исследователи сообщили о высокой вероятности наличия жидкой воды под поверхностью Марса, опираясь на анализ данных, собранных аппаратом Mars InSight.
- В сентябре во время полета космического корабля SpaceX Crew Dragon в открытый космос впервые вышли не профессиональные астронавты, а космические туристы. А в конце месяца команда зарубежных астрономов опубликовала самую подробную в истории инфракрасную карту Млечного Пути на основе данных с телескопа VISTA Европейской южной обсерватории.
- В октябре исследователи Пущинской радиоастрономической обсерватории Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) зафиксировали быстрый радиовсплеск из другой галактики, ставший одним из мощнейших среди обнаруженных на сегодня.
- В ноябре в Институте медико-биологических исследований РАН завершился годовой изоляционный эксперимент SIRIUS-23, а зарубежные астрономы впервые получили детальное фото звезды за пределами Млечного Пути и зафиксировали одну из мощнейших ударных звуковых волн, когда-либо доходивших до нашей планеты из космоса.
Проректор по научной работе и программам развития Московского физико-технического института кандидат физико-математических наук Виталий Анатольевич Баган.
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
Физика: от тау-нейтрино до термоядерного синтеза
«Физика — очень масштабная наука: ежегодно публикуется более 100 тыс. статей ученых в области физики с новыми открытиями и достижениями <…>, поэтому список итогов года в этой сфере всегда будет субъективным», — отметил проректор по научной работе и программам развития МФТИ Виталий Анатольевич Баган.
Как рассказал В.А. Баган, уходящий год оказался плодотворным в области изучения фундаментальных частиц и изотопов элементов. Так, в 2024 г. ученые Центра по производству редких изотопов Мичиганского университета (США) синтезировали пять новых изотопов сверхтяжелых элементов: тулий-182, тулий-183, иттербий-186, иттербий-187 и лютеций-190.
«Это фундаментально новые изотопы, продвигающие наше понимание о том, как образуются новые элементы тяжелее водорода», — объяснил В.А. Баган. Например, исследование может помочь узнать, как рождаются тяжелые элементы в звездах.
В 2024 г. продолжились попытки ученых засечь тау-нейтрино — практически неуловимые фундаментальные частицы, существование которых было теоретически доказано еще в XX в. Однако на практике их удалось открыть только в 2000 г. Каждое новое обнаружение их следов играет большую роль для науки, так как дает больше знаний о процессах, протекающих в окружающем нас мире.
«Физики из коллаборации IceCube сообщили, что обнаружили семь новых кандидатов в тау-нейтрино. <…> При доказательстве того, что это действительно не случайные эффекты, использовались и методы сверточных нейросетей — это то, что сейчас активно продвигается и влияет на науку», — пояснил В.А. Баган.
Проверку международной группы экспертов прошел в 2024 г. поставленный ранее эксперимент исследователей Ливерморской национальной лаборатории им. Эрнеста Лоуренса в США, во время которого термоядерный синтез впервые в истории позволил получить больше энергии, чем было затрачено на инициацию этого процесса с помощью лазера.
«Если мы говорим об энергетической эффективности, то здесь еще далеко до создания термоядерного двигателя, поскольку на питание лазеров уходит большое количество электрической энергии и интегральный КПД процесса пока составляет всего 1%. Но это очень важная веха: термоядерной энергии уже было произведено больше, чем было затрачено лазерной энергии, инициировавшей процесс», — подчеркнул В.А. Баган.
Строительство ускорительного комплекса NICA.
Фото: Николай Малахин / «Научная Россия»
Российским физикам тоже есть чем гордиться. В 2024 г. состоялся технический запуск нового ускорительного комплекса NICA на базе Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Новый коллайдер в том числе поможет воспроизводить и изучать процессы, протекавшие во время рождения Вселенной.
«В 2025 г. нашим физикам и биологам уже будет разрешено проводить исследования на этом комплексе. МФТИ участвует в коллаборациях, которые будут задействованы в работе с новым ускорителем, и мы рассчитываем, что это принесет новые яркие результаты», — поделился В.А. Баган ожиданиями от наступающего года.
Больше о принципах работы и предназначении NICA можно узнать из интервью нашего портала с директором ОИЯИ академиком Григорием Владимировичем Трубниковым и заместителем начальника ускорительного отделения лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ Анатолием Олеговичем Сидориным.
Важное достижение отечественных ученых 2024 г. в области физики связано с квантовыми технологиями.
«В Физическом институте им. П.Н. Лебедева (ФИАН) был создан 50-кубитный квантовый процессор. Тема квантовых вычислений очень важна: это то, что определенно будет одной из технологий будущего. <…> Помимо России, 50-кубитным квантовым компьютером обладают США, Китай, Великобритания и Австрия. Понятно, что вложения этих стран [в свои проекты] намного больше, и можно только поаплодировать нашим ученым, которые за счет своего ума и кропотливой работы достигают результатов мирового уровня при меньших затратах», — сказал В.А. Баган. Подробнее об этом технологическом достижении, его значении и перспективах использования квантовых компьютеров можно узнать из материалов на портале «Научная Россия».
Отдельное направление развития квантовых технологий — квантовая коммуникация.
Сразу несколько ярких достижений физиков в 2024 г. связаны с квантовыми технологиями.
Источник изображения: pitris / фотобанк 123RF
«В 2024 г. была впервые проведена квантовая защищенная связь на 100 км без репликаторов. Это тоже очень важный рубеж, — подчеркнул В.А. Баган. — В России мы развиваем квантовые коммуникации на базе университетской квантовой сети, в которой участвуют МГУ, МИСИС, МФТИ, ИТМО и другие университеты. <…> В 2024 г. Россия провела сеанс квантовой связи через спутник с Китаем, то есть в этой сфере мы тоже работаем на мировом уровне».
Подробнее о первом сеансе защищенной квантовой связи на расстояние 100 км без репликаторов рассказывается на официальном сайте Датского технического университета. А детали российско-китайского эксперимента можно узнать из материала электронного издания N + 1.
В.А. Баган добавил, что, помимо начала испытаний на коллайдере NICA, ожидания физиков от 2025 г. связаны с достижением сверхпроводимости при комнатных температурах.
«К сожалению, результаты корейских ученых, полученные в 2023 г., не подтвердились. До сих пор физикам еще не удалось продемонстрировать сверхпроводимость при комнатных температурах. Это бы очень помогло развитию инженерной техники в разных областях», — заметил исследователь.
В 2024 г. «Научная Россия» знакомила читателей и с другими интересными достижениями физической науки. Предлагаем вспомнить еще несколько ярких событий в этой области.
- Зимой завершилась очередная экспедиция Института ядерных исследований РАН (Москва) и Объединенного института ядерных исследований (Дубна) по строительству Байкальского глубоководного нейтринного телескопа Baikal-GVD.
- В конце августа международная группа исследователей сообщила об открытии самого тяжелого гиперядра антиматерии, известного науке на сегодня.
- В октябре 2024 г. состоялось вручение Нобелевской премии по физике. В этом году награду присудили американцу Джону Хопфилду и британцу Джеффри Хинтону за открытия и изобретения, позволяющие проводить машинное обучение с использованием искусственных нейросетей. О значении этих достижений — комментарий заведующего лабораторией № 80 «Киберфизических систем» Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Романа Валерьевича Мещерякова для нашего портала.
-
В декабре в наукограде Кольцово состоялся запуск линейного ускорителя строящегося синхротрона «СКИФ» («Сибирский кольцевой источник фотонов»).
От всей души поздравляю читателей и спикеров «Научной России» с наступающим Новым годом! Желаю процветания, космических успехов и звездного вдохновения!
Автор статьи, корреспондент «Научной России» Анастасия Жукова.
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
В новом году «Научная Россия» продолжит освещать открытия и достижения отечественной и мировой науки. Поздравляем наших читателей с наступающим праздником!
* * *
Источники
Беседа с А.А. Петруковичем
Беседа с В.А. Баганом
Материалы портала «Научная Россия»
Госкорпорация «Роскосмос». На орбиту одновременно выведено рекордное число российских спутников
ТАСС. NASA отправило зонд Europa Clipper для исследования спутника Юпитера
«Интерфакс». Европейская межпланетная станция выведена на орбиту и начала полет к Юпитеру
ТАСС. Индийская станция Aditya-L1 вышла на заданную орбиту для изучения Солнца
«Химия и жизнь». И. Иванов. Пять тяжелых изотопов
N+1. Дмитрий Рудик. IceCube зарегистрировал семь астрофизических тау-нейтрино
Журнал «Природа», № 4, 2001 г. Новости науки. Первое наблюдение тау-нейтрино (выпуски журнала опубликованы на сайте Российской академии наук)
«Sputnik Армения». Этого добивались сто лет: в ядерной физике началась новая эра
Источник изображения на главной странице: freepik / фотобанк Freepik
Источник изображения на превью: freepik / фотобанк Freepik
Источники изображений на странице: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия», Елена Либрик / «Научная Россия», Николай Малахин / «Научная Россия», wahyu_t / фотобанк Freepik, pitris / фотобанк 123RF.
